500 MPa级高性能桥梁钢板的焊接性研究

周兰聚，侯东华，贾慧领，王福同

（山钢股份济南分公司，山东济南 250101）

试验研究

500 MPa级高性能桥梁钢板的焊接性研究

周兰聚，侯东华，贾慧领，王福同

（山钢股份济南分公司，山东济南 250101）

结合焊接性理论分析，对500 MPa级高性能桥梁钢板开展了焊接热影响区最高硬度、斜Y坡口焊接裂纹和对接接头系列温度冲击试验研究。试验结果表明，试验钢的碳当量CEV为0.44%，Pcm为18%，在室温下焊接热影响区最高硬度为274 HV10，淬硬倾向小；采用焊条电弧焊和气体保护焊时，板厚≤32 mm时不需要预热；板厚＞32～60 mm时需要预热80℃；焊接热影响区的ETT50达到-60℃，具有良好的低温冲击韧性。试验钢板焊接性良好，可应用于高性能桥梁的建设。

高性能钢；焊接性；裂纹敏感指数；淬硬性

1 前言

为满足大型桥梁钢结构轻量化、安全、长寿要求，国内外材料工作者提出高性能钢（High Performance Steel—HPS）的概念。高性能钢材主要是指材料的某项或几项性能较传统钢材得到明显改善的钢材，除了具备较高强度外，钢材的焊接性能、低温韧性，尤其是耐腐蚀性能有较大幅度提高。近年来，桥梁用高性能钢已成为国际钢铁材料研究开发的热点，如美国ASTM709中的HPS-70W钢、HPS-100W和日本新日铁公司BHS500、BHS700W系列高强度钢等在国际上得到了较为广泛的应用［1］。京沪高铁南京大胜关长江大桥采用420 MPa级桥梁钢，屈服强度500 MPa级桥梁钢设计应用的前期工作还在进行中，其焊接性是业界关注的焦点［2］。本研究对该级别材料的焊接性进行了系统分析。

2 试验材料与试验方案

以GB 417—2008《桥梁用结构钢》为基础，结合工程技术要求，低碳成分设计，添加Cu、Ni、Cr、Mo等提高耐候性和淬透性合金元素，采用Nb、Ti微合金化，配合TMCP轧制工艺，试制Q500q钢板的化学成分见表1。试验用钢板厚度分别为32 mm、60 mm，TMCP状态，金相组织为针状铁素体。常规力学性能见表2。

表1 Q500q钢化学成分（质量分数）%

根据桥梁工程设计和钢板加工焊接要求，对厚度32 mm、60 mm的Q500q钢板进行CO2气体保护焊（MAG）和手工电弧焊（MAW）两种方法的焊接热影响区最高硬度试验、斜Y坡口CO2气体保护焊和埋弧自动焊焊接裂纹试验、埋弧自动焊对接接头系列温度冲击试验，利用经验公式对该钢板的焊接性进行理论分析，以指导工程设计和实际焊接工艺。CO2气体保护焊采用药芯焊丝YCJ601Ni-QL（Φ 1.2），手工电弧焊采用CJ607Q（Φ4）焊条，埋弧自动焊采用MCJ-60QL（Φ4）+SJ105q。

表2 Q500q钢板力学性能

3 试验结果及分析

3.1 钢板焊接性的理论计算

3.1.1 碳当量计算

为确保按ASTM G101-4计算的耐腐蚀指数I≥6.0，该钢采用了耐候性成分设计。通常用碳当量来评价钢的淬硬性倾向及焊接性，桥梁界广泛应用国家焊接学会(IIW)推荐的公式，计算的试验钢板CEV为0.44%，一般认为CEV≤0.45%，钢板焊接性良好。其中：

3.1.2 焊接裂纹敏感组分

对于碳含量＜0.15%的钢种，采用日本依藤(IIO)冷裂纹敏感性指数Pcm来评价钢的抗冷裂纹能力更为准确，其计算公式如下：

试验钢按上式计算的Pcm为0.18%。按日本焊接协会标准W ES3009《低焊接裂纹敏感性高强度》规定，当Pcm≤0.20%时，焊前不预热或低预热即可防止根部裂纹，钢板的抗冷裂纹能力优异，焊接性良好。

3.2 焊接热影响区最高硬度试验

分别采用手工电弧焊、CO2气体保护焊两种焊接工艺，对厚度32 mm和60 mm的Q500q钢板按照《焊接热影响区最高硬度试验方法》（GB4 675.5—1984）的规定进行焊接热影响区（HAZ）最高硬度试验，试验结果见图1、图2。

图1 32mm厚钢板HAZ最高硬度曲线

图2 60mm厚钢板HAZ最高硬度曲线

在室温条件下，板厚32 mm和60 mm的Q500q钢板采用气体保护焊热影响区最高硬度分别为260 HV10和274 HV10；采用焊条电弧焊热影响区最高硬度分别为267 HV10和246 HV10，均低于350 HV10，钢板淬硬倾向小。

3.3 斜Y坡口焊接裂纹试验

按照《焊接性试验斜Y坡口焊接裂纹试验方法》（GB 4675.1—1984），对板厚32 mm的钢板不预热，对板厚60 mm的钢板不预热和预热80℃分别进行焊接试验，试验结果见表3。

表3 斜Y坡口焊接裂纹试验结果

试验结果表明，板厚32 mm的钢板不预热，采用药芯气体保护焊和采用焊条电弧焊均无裂纹；板厚60 mm的钢板不预热，两种焊接方法试样都发现断面裂纹；预热80℃两种焊接方法均无裂纹。可见，当采用焊条电弧焊和气体保护焊时，板厚≤32 mm时不需要预热；板厚＞32～60 mm时需要预热80℃。

3.4 对接接头系列冲击试验

对接焊缝采用气体保护焊打底和埋弧自动焊填充的方法焊接，32 mm+32 mm钢板焊接热输入量在27 kJ/cm左右，60 mm＋60 mm钢板焊接热输入在40 kJ/cm左右。对对接接头的焊缝金属和热影响区（熔合线外1 mm处）进行系列温度冲击试验，每套冲击3个试样，取平均值，获得对接接头系列温度冲击值，具体见图3、图4。

图3 32mm＋32 mm对接接头系列温度冲击趋势

图4 60mm＋60 mm对接接头系列温度冲击趋势

采用冲击吸收功上下平台区间50%所对应的温度ETT50作为韧脆转变温度，板厚32 mm、60 mm的Q500q钢板对接接头的焊缝金属ETT50为-45℃，热影响区ETT50为-60℃。

3.5 结果分析

试验结果表明，试验钢板不但具有良好强塑韧性，还具有良好的焊接性，实物Pcm值仅为18%、CEV值仅为0.44%，焊接裂纹敏感性较低。在室温条件下，板厚32 mm和60 mm的Q500q钢板MAG、MAW工艺下焊热影响区最高硬度为274 HV10，远低于350 HV10，钢板淬硬倾向小。斜Y坡口试验结果进一步证明钢板冷裂纹敏感性低，板厚≤32 mm时不需要预热焊接，板厚＞32～60 mm时预热80℃即可完全避免冷裂纹的产生。

图5、图6为钢板对接接头熔合线附近金相组织，左侧部分为粗晶区组织，右侧部分为焊缝组织。无论32 mm还是60 mm厚钢板粗晶区组织均以未过分长大的贝氏体为主，从而保证了热影响区良好的韧性，而焊缝金属主要为细小的针状铁素体组织，先共析铁素体组织较少从而使焊缝具有优良的低温冲击韧性。试验用500 MPa级钢板组织是致密的针状铁素体组织，由于采用了较低的碳含量和碳当量的成分，并具有合理的Cr、Mo、Ni等淬透性元素的合理调配，在焊接热循环过程中，钢中一些微合金化元素的析出物可以钉扎晶界抑制组织长大［3］，可以在较宽泛的热数量范围内获得相对细小的贝氏体组织，从而获得了较为理想的冲击韧性，热影响区的ETT50可达到-60℃。

图5 32mm厚钢板对接接头熔合线附近组织

图6 60mm厚钢板对接接头熔合线附近组织

4 结论

4.1 试验钢的碳当量CEV为0.44%、冷裂纹敏感性指数Pcm为18%，在室温下焊接热影响区最高硬度为274 HV10，淬硬倾向小，焊接性能优良。

4.2 当采用焊条电弧焊和气体保护焊时，板厚≤32 mm时不需要预热；板厚＞32～60 mm时预热80℃，即可完全防止冷裂纹的产生。

4.3 焊接热影响区韧脆转变温度ETT50达到-60℃，具有良好的低温冲击韧性。这是因为试验钢所具有的低碳成分设计和针状铁素体组织，能够保证较宽泛的热输入量范围内可获得相对细小的贝氏体组织。

［1］NISHIMURA Kimihiro,MATSUI kazuyuki,TSUMURA Naoyoshi.High Performance Steel Plates for Bridge Construction-High Strength Steel Plates with Excellent Weldability Realizing Advanced Design for Rationalized Fabrication of Bridges［J］.JFE TECHNICAL REPORT，2005，5：30.

［2］胡晓萍，温东辉，李自刚.高性能桥梁用钢的发展［J］.材料热处理技术，2008，37（22）：92.

［3］亓效刚，陈茂爱，陈俊华，等.Ti-Nb微合金钢种第二相粒子对CGHAZ组织及韧性的影响［J］.机械工程学报，2005，41（6）：86-92.

Study on the Weldability of Grade 500 MPa High Performance
Steel Plate for Bridges

ZHOU Lanju,HOU Donghua,JIA Huiling,WANG Futong

（The Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

Based on the weldability theoretical analyzing，the maximum hardness of welding heat-affected zone(HAZ)，small Y type cracking and butt welded joint series temperature impact of 500 MPa high performance steel were tested.The results showed,when the carbon equivalent CEV and Pcm of test steel are 0.44 and 0.18 percent,the maximum hardness of HAZ under room temperature is 274 HV10,when the thickness of steel plate is less than or equal to 32 mm,no preheating process is needed,else when more than 32 mm but less than 60 mm,the preheating process is necessary and preheating temperature is 80℃.The ductility brittleness transition temperature ETT50 of HAZ achieve at-60℃，which shows the toughness is very well.By mentioned above,that weldability of test steel plate perform well，the test steel can be used in construction of high performance bridges.

high performance steel;weldability;crack sensitive index;hardenability

TG457.11

A

1004-4620（2015）01-0026-03

2014-06-20

周兰聚，男，1968年生，1989年毕业于华东冶金学院钢铁冶金专业；2006年毕业于山东大学材料工程专业，工程硕士。现为山钢股份济南分公司用户应用技术中心高级工程师，从事炼钢工艺技术和新产品开发工作。