高性能Q420qENH耐候桥梁钢焊接试验

车平，李军平，黄会强，王青峰，孙舵，李伟伟

(1.中铁宝桥集团有限公司桥梁结构研究院，陕西 宝鸡 721006；2.燕山大学，河北 秦皇岛 066004)

0 前言

高性能耐候桥梁钢作为新一代先进钢铁材料，与传统普通桥梁钢相比，除了具备较高强度外，钢材的低温韧性、耐大气腐蚀性能，尤其是焊接性能有较大幅度提高[1-2]。耐候桥梁钢作为高性能桥梁钢的发展方向，在美国、日本及欧洲等地区已经广泛应用[3-6]，美国耐候钢桥梁数量占全部钢桥梁的45%，日本耐候钢桥数量占全部钢桥梁的10%，加拿大在新建的钢桥中有90%使用耐候钢[7]。中国虽然在上世纪80年代就建造了第一座免涂装的耐候钢试验桥-武汉巡司河大桥，但由于对耐候钢的应用特性认识不足，桥位“微环境”较为恶劣，因锈蚀严重后来改为表面涂装方案，产生的问题主要包括：一是在结构设计上未能全面考虑耐候钢板的角度、位置、积水状况等对腐蚀情况的影响；二是碳含量和碳当量过高，对焊前预热和焊后缓冷的要求相应较高，焊接性能有所不足，从而使耐候钢桥的推广使用长期受到质疑[8]。随着钢铁冶金行业的技术进步、对耐候钢认识的逐步加深，耐候钢桥梁所具有的绿色环保、维护养护简便、寿命周期成本低等优势[9]，已开始引起国内高度重视。近年来，耐候桥梁钢得到了大力推广，先后成功应用在西藏拉林铁路雅鲁藏布江特大桥[10]、官厅水库特大悬索公路桥、黑河-布拉戈维申斯克黑龙江公路大桥等钢桥的建设中，不仅推动了中国耐候钢桥的蓬勃发展，也为耐候钢桥的技术开发提供广阔平台。

该单位桥梁钢及钢桥绿色高效制造技术“产学研用”团队依托“十三五”国家重点研发计划“高性能桥梁用钢”(2017YFB0304800)项目，针对常用420 MPa级耐候桥梁钢耐候性与焊接性难以兼顾的问题，开展了全面系统的试验研究，试验结果均已达到项目指标，为高性能Q420qENH耐候桥梁钢的推广应用提供了技术支持。

1 Q420qENH钢母材复验

1.1 钢板化学成分及力学性能试验

试验采用国内某钢厂Q420qENH钢，板厚规格为16 mm,30 mm,50 mm,60 mm。钢板交货状态为“TMCP+回火”。钢板化学成分见表1，力学性能试验结果见表2。

钢板化学成分复验结果表明,Q420qENH钢的碳量较低(≤0.06%)，S,P等有害元素含量控制在较低水平(P≤0.016%，S≤0.003%)，有利于母材及焊接热影响区减少M-A组元、珠光体等脆硬相[11]、降低冷脆性，提高低温韧性。Q420qENH钢添加了足量的Ni,Cr,Cu,Si等耐候性元素，可促进表面形成稳定的高致密性锈层(α-FeOOH)，阻止大气中氧、水及其他腐蚀介质向钢材基体渗入，减缓锈蚀向钢材基体纵深发展，提高钢材耐大气腐蚀性。根据GB/T 714—2018《桥梁用结构钢》附录C引用的耐大气腐蚀性指数I计算公式，计算该钢的耐候性指数I为6.5～6.6，达到了美国《高性能钢设计者指南》对高性能耐候钢HPS70W耐候性指数I的要求(I≥6.5)[12-14]。此外，Q420qENH钢的碳含量、碳当量CEV和裂纹敏感系数Pcm均较低，有利于焊接热影响区母材及减少淬硬组织、降低淬硬倾向，大幅度改善焊接性能。

表1 Q420qENH钢板化学成分(质量分数，%)

表2 Q420qENH钢板力学性能试验结果

钢板的屈服强度和抗拉强度控制适当，分别为466～556 MPa和586～661 MPa，断后伸长率良好(21.5%～28.0%)，屈强比较低(0.72～0.85)，具有良好的强塑性，可保证钢材在承受静载时的使用安全性。钢板弯曲试验结果良好，说明钢板具有良好的冷变形能力及冷加工性能。母材-40 ℃冲击吸收能量为260～354 J，富裕量较大，低温韧性优异，可保证钢材防脆断性能。Q420qENH钢典型规格钢板的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、低温韧性均符合GB/T 714—2015《桥梁用结构钢》的相关要求[14]，综合力学性能优良稳定。

1.2 钢板系列温度冲击试验

选取典型厚度16 mm，30 mm，50 mm，60 mm的Q420qENH钢板，按GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，采用10 mm×10 mm×55 mm夏比V形缺口冲击试样，在SANA摆锤式冲击试验机上进行系列低温冲击试验，并确定韧脆转变温度。系列温度冲击试验结果见表3，Boltzmann函数拟合冲击功随温度的变化曲线如图1所示。

由图1可知，在整个试验温度范围内，随着温度降低，冲击吸收能量下降，特别是在-60 ℃降至-80 ℃的试验温度区间内，冲击值有较明显的下降趋势。但16 mm，30 mm厚钢板在-80 ℃时的冲击吸收能量保持在260 J以上，没有出现明显的下屈服平台，韧脆转变温度在-80 ℃以下；50 mm，60 mm厚钢板冲击吸收能量虽在-50 ℃时出现较明显下降趋势，但在-80 ℃时冲击吸收能量仍在230 J以上，符合标准要求的同时，仍有相当大的富余量。试验结果表明，16 mm，30 mm厚钢板韧脆转变温度在-80 ℃以下，50 mm，60 mm厚钢板韧脆转变温度在-70 ℃左右，具有良好的低温冲击性能，能够满足工程使用要求。

表3 典型厚度Q420qENH钢板系列温度冲击试验结果 J

图1 Q420qENH钢板冲击吸收能量随温度的变化曲线

2 焊接材料熔敷金属试验

2.1 熔敷金属试验方法

目前，国内用于耐候桥梁钢焊接的焊材标准还不完善，该团队根据钢板化学成分及项目任务对熔敷金属的性能要求(ReL≥420 MPa，Rm≥540 MPa，-40 ℃冲击吸收能量AKV≥60 J(埋弧自动焊)或者≥100 J(焊条电弧焊、熔化极气体保护焊)，A≥19)，参考国内外耐候钢焊接材料相关标准及工程实践，制定了焊材技术条件。选取了4种在实桥上应用较成熟的团队自主研发焊材，进行了熔敷金属试验，焊接工艺参数见表4。

表4 熔敷金属试验焊接工艺参数

2.2试验结果分析

耐候钢焊材熔敷金属化学成分分析及力学性能试验结果分别见表5和表6。

根据熔敷金属试验的结果表明，焊接材料的碳含量与S，P含量均较低，同时焊接材料中加入的Ni含量高，并添加Cu，Cr，Ni等耐腐蚀性元素，与母材化学成分相匹配，保证了焊缝强度、低温韧性及耐候性能。

表5 焊材熔敷金属化学成分(质量分数，%)

表6 熔敷金属力学性能试验结果

3 Q420qENH钢板焊接性试验

3.1 焊接热影响区(HAZ)最高硬度法

按GB 4675.5—1984《焊接性试验焊接热影响区最高硬度试验方法》，对Q420qENH钢16 mm钢板进行了试验，试验温度为常温(20 ℃)；对50 mm，60 mm钢板进行了试验，试验温度分别为室温(20 ℃)和预热60 ℃；焊条均选用CHE507NHQ(φ4)。热影响区最高硬度试验结果如图2所示，由图2可见，在常温焊接时，板厚16 mm，50 mm，60 mm的Q420qENH钢板焊接热影响区最高硬度分别为255 HV10，303 HV10，266 HV10，均低于350 HV10，表明Q420qENH钢在室温焊接时未产生淬硬组织，冷裂纹倾向较低。

3.2 斜Y坡口试验

参照标准GB 4675.1—1984《焊接性试验斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》，对Q420qENH钢30 mm，50 mm，60 mm原的钢板进行试验。采用CHE507NHQ焊条在室温条件下进行试验，焊后试件经48 h冷却以后，对试件进行外观检查和解剖，用放大镜检查焊接接头表面和断面，并做宏观断面金相分析。试验结果见表7，宏观金相分析结果表明，焊缝表面、焊根、断面均未发现裂纹，说明高性能Q420qENH耐候桥梁钢抗冷裂性能好。

图2 Q420qENH钢板焊接热影响区最高硬度

表7 Q420qENH钢小铁研试验宏观金相结果

4 对接接头焊缝及热影响区系列温度冲击试验

选取厚度50 mm，60 mm的Q420qENH钢板，采用药芯焊丝电弧焊打底和埋弧焊填充的方法焊接试板，焊后检测合格后，进行系列温度(-80 ℃，-60 ℃，-50 ℃，-40 ℃，-20 ℃，0 ℃)冲击试验，以确定钢板焊缝及热影响区的韧脆转变温度。Q420qENH钢对接接头板厚组合、坡口形式、焊接方法及焊接材料见表8。

系列温度冲击试验结果见表9和表10，Boltzmann函数拟合冲击功随温度的变化曲线如图3所示。

由图3可知，Q420qENH钢板对接接头焊缝及热影响区冲击吸收能量随温度的变化曲线呈完整S形，根据S曲线(上平台能-下平台能)/2法确定的韧脆转变温度在-45 ℃。焊接过程中合金元素过渡稳定，使焊缝金属中存在适量的Ni,Cr,Mo等合金元素，提高了奥氏体的稳定性，抑制了先共析铁素体的析出，使焊缝微观组织主要由大量的针状铁素体和粒状贝氏体组成，造成焊缝组织晶粒细化、韧脆转变温度相应降低，确保了焊接接头有着良好的低温冲击韧性[15-16]。

表8 Q420qENH钢对接接头板厚组合、坡口形式、焊接方法及焊接材料

表9 Q420qENH钢对接接头焊缝系列温度冲击试验结果 J

表10 Q420qENH钢对接接头热影响区系列温度冲击试验结果 J

图3 焊缝及热影响区系列温度冲击试验结果

5 Q420qENH钢焊接工艺评定试验

选取厚度16 mm,30 mm,60 mm的Q420qENH钢板，针对钢桥梁对接接头、熔透角接头、坡口角接头、T形角接头4种典型焊缝类型，采用埋弧焊、气体保护焊进行典型接头的焊接工艺评定试验。按照焊接接头性能指标(Rm≥540 MPa，-40 ℃吸收能量AKV≥47 J，冷弯合格(D=3a，180°)，根据焊接性试验结果及工程实践经验，确定气体保护焊和埋弧焊工艺的热输入范围控制在15～35 kJ/cm，以既保证焊缝力学性能，也兼顾抗裂性要求等。Q420qENH钢板典型接头焊接工艺评定试验焊接工艺参数见表11，焊缝化学成分见表12和接头力学性能结果见表13，接头宏观断面形貌如图4所示。

表11 Q420qENH钢板典型接头焊接工艺评定试验焊接工艺参数

表12 Q420qENH钢板典型接头焊缝化学成分(质量分数，%)

表13 Q420qENH钢板典型接头焊接工艺评定试验力学性能试验结果

图4 Q420qENH钢板典型接头宏观金相形貌

由典型接头试验结果可见，Q420qENH钢板各焊接接头的焊缝强度满足要求，-40 ℃冲击吸收能量大于47 J，满足相关规范要求，并且富裕量较大。各接头焊缝化学成分及耐候指数I(6.51～6.65)满足相关规范要求。

6 结束语

针对Q420qENH耐候桥梁钢研制焊材熔敷试验，耐候指数与力学性能均能与钢板相匹配；焊接热影响区最高硬度低于350 HV10；抗裂试验在室温条件下焊接，均未出现裂纹，表明钢板焊接性能良好；典型接头工艺评定各项力学性能指标均满足技术要求。可在国内耐候钢桥梁领域推广应用。

(1)根据国内不同地区的宏观环境及微观环境特点，应开展长期大气曝晒腐蚀试验，以构建不同地区长期耐候性预测模型，为免涂装耐候钢桥在不同地区的设计与选材提供参考。

(2)借鉴美国、日本耐候钢桥梁成熟经验，制定钢板、焊材、施工及后期运维管养等方面的标准规范。

(3)裸露使用的耐候钢桥表面锈层形成需3～5年，在形成稳定化锈层之前常常出现早期锈液流挂与偏色等现象，对环境造成污染，也会影响公众的认知。因此，应加强耐候钢锈层稳定化处理技术的开发应用。