耐候钢桁桥焊接工艺评定及力学性能试验研究

孙洪斌尹航张铭赵而年黄会强

(1.山东铁路投资控股集团有限公司，山东 济南 250102；2.山东建筑大学 土木工程学院，山东济南 250101；3.中铁宝桥集团有限公司，陕西 宝鸡 721006)

0 引言

长期暴露于环境介质下的钢桥结构，通常难以通过有效的防护和构造措施避免有害腐蚀介质对钢桥结构构件及连接细节的腐蚀，严重的腐蚀不仅会造成材料失效，还可能诱发猝不及防的灾难性事故，造成巨大的经济损失和社会影响[1－2]。耐候钢依靠基体中添加少量的如Cu、P、Cr、Ni等合金元素，在服役过程中产生的致密锈层可以有效地阻滞腐蚀介质的进一步渗入和传输，从而达到免涂装使用的目的。已有研究表明，基于快速建造、全寿命周期成本和环境保护的考虑，将高强度耐候钢用于桥梁建设可获得较好的经济效果，因此，扩大耐候钢在桥梁工程中的应用已成为必然发展趋势[3－5]。目前，国外针对耐候钢及耐候钢桥的研究已较为深入，形成了较完善的耐候钢桥设计指南或规范；美国、日本的钢结构桥梁已成功推广应用了耐候钢[6]。近年来，我国耐候钢桥进入了一个快速发展期，各大设计院持续开展耐候钢桥的设计研究工作，取得了一定成果。但国内耐候钢桥尤其是耐候钢高速铁路桥的基础理论和设计方法研究仍相对不足[7－8]，缺乏相关技术指导标准，工程实例也相对较少；与之相对应的耐候钢焊接工艺和方法、焊接性能评定、焊接接头腐蚀机理及抗腐蚀疲劳性能等问题是值得深入研究的课题。

高强度耐候钢要应用于高速铁路桥梁工程，必须解决焊接性能和质量问题。与传统焊接结构钢的主要不同是，耐候钢连接焊缝不仅要考虑焊接接头的强度匹配，还要考虑所采用的焊接熔敷金属应具有不低于基材的抗腐蚀性能[9－10]。因此，耐候钢焊接材料的选用，要同时遵循强度和化学成分两个因素的匹配。美国、日本、加拿大等的耐候钢焊接技术已基本成熟；随着我国耐候钢桥建造的发展，解决耐候钢焊接关键技术问题迫在眉睫[11－13]。新建潍莱铁路潍莱右线跨青荣城际高铁特大桥(120＋82)m连续钢桁梁工程，采用定制牌号Q370qNH耐候钢。在实际新建耐候钢桥建造过程中，尚缺乏该牌号耐候钢可焊性及焊接接头力学特征等基本试验数据，因此需要进行该定制牌号Q370qNH耐候钢的焊接工艺评定和力学性能试验研究，以指导该新建高铁耐候钢桥的涉及和施工建造。在此工程背景下，文章试验研究了15组共计91个典型Q370qNH耐候钢焊接接头的焊接工艺评定，基于修正的Legault－Leckie公式评价了Q370qNH焊接接头的耐候性，通过焊接接头的单调拉伸、侧弯、低温冲击以及硬度测定试验，研究了15组不同类型焊接接头的力学性能，并观察了焊接接头宏观金相组织，其结果可以作为新建耐候钢高铁桁梁桥焊接工艺的指导依据。

1 工程概况

新建潍高铁跨越青荣铁路耐候钢桁梁工程设计为(120＋82)m下承式连续钢桁梁，钢桁梁结构形式采用不等高连续钢桁梁，主桁架采用有竖杆的三角桁，其桁梁高为13~25 m、节段长度为9~13 m、主桁中心距10 m，如图1所示。

图1 潍莱高铁耐候钢桁梁结构模型图

该耐候钢桥主桁节点采用整体节点形式，上、下弦杆在节点外焊接，腹杆采用对接形式与整体节点焊接，其腹板接头板焊于节点板上。上、下弦杆及腹杆均采用全焊接形式。主桁弦杆及斜腹杆的连接采用错焊，焊接采用等强熔透焊，焊缝等级为Ⅰ级焊缝。钢桥面由桥面板、节点横梁及节间横梁、纵肋4个部分组成，其中钢桥面板全桥纵、横向连续，纵向与下弦顶板伸出肢焊接，横向分段焊接。钢桥面板采用爆炸法制造的不锈钢复合钢板321＋Q370qENH，基材Q370qENH厚为14 m、不锈钢复合层321厚为3 mm。全桥纵横向连续，纵向与下弦板伸出肢焊接，横向分段焊接。钢桁梁桥结构主桁杆件、纵横梁材质采用Q370qENH耐候钢，钢桁梁板厚范围为12~46 mm。产品质保单提供的Q370qENH耐候钢化学成分见表1。

表1 试验用耐候钢板各元素质量分数表 %

2 焊接接头焊接工艺评定试验

2.1 焊材选择及焊接环境

在焊接工艺评定试验，通过选取能完全代表钢桥焊缝结构形式的焊接接头进行工艺评定和力学性能测试，起到直接指导钢桥焊接施工作业的目的，其中焊材选择、焊接方法、焊接位置、焊接接头型式等内容是其重要考察参数。根据工程案例拟定的焊接工艺指导书，并结合焊材的相关标准以及相关工程经验，试验中对埋弧自动焊(SAW)采用TH500－NQ－Ⅲ(Φ5.0)/SJ105NQ耐候钢焊丝；药芯焊丝CO2气体保护焊(FCAW)采用T494T1－1C1A－NCC2(Φ1.2)/E491T1－GC耐大气腐蚀钢气保焊丝，选用的两种焊丝均可适用于500 MPa抗拉强度等级耐候钢的焊接。产品质保单提供的试验用焊接材料化学成分见表2。

表2 试验用焊材各元素质量分数表 %

在耐候钢焊接作业中，应严格控制施焊环境以确保焊接质量。焊接过程中，根据耐候钢板及焊接材料化学成分、接头型式、焊接方法等确定合理的预热温度、道间温度、焊接电流电压等焊接工艺参数，焊速采用25 m/h。焊接环境要求为:(1)在露天施焊条件下设置防风、防雨、防潮措施，当环境相对湿度>80%时焊接前采用火焰烘烤，并对近缝区去湿；(2)当环境温度<－5℃或>－10℃时，很难采取措施改善施焊环境，为保证焊接质量，对焊接区域进行预热，使接头部位的温度≥20℃方可施焊；当环境温度<－10℃时，禁止进行焊接作业。

2.2 焊接接头型式

通过分析耐候钢铁路桁梁桥代表性焊接型式，试验共完成了15组共计91个焊接接头的焊接工艺评定。其中，对接(BW)接头3组、全熔透角接(PJP)接头2组、部分熔透角接(CJP)接头5组、T形角焊缝(FW)接头5组。埋弧自动焊采用直流电源ZD5－1250配MZ－1－1000型焊机，气体保护半自动焊采用KRⅡ350型、KRⅡ500型焊机。所有接头焊接均采用直流反极性连接。考虑到钢桥现场施工受焊接位置影响难以实现自动化焊接，试验中焊接接头采用平位(H)、立位(V)、横位(T)及船位(P)4种焊接方式。Q370qENH钢焊接接头形式及焊接位置如图2~5所示，其中编号为FW16－P1、FW16－P2和FW16－P3的试样为同一接头型式不同焊接工艺参数下的船位焊接T形角焊缝接头。

图2 BW焊接接头型式及焊接位置图/mm

图3 CJP焊接接头型式及焊接位置图/mm

图4 PJP焊接接头型式及焊接位置图/mm

图5 FW焊接接头型式及焊接位置图/mm

试件焊接后完成后除进行焊缝外观检验及尺寸检验外，在焊接完成24 h后进行超声波检测。试验中，对接焊缝、全熔透角焊缝满足Q/CR 9211—2015«铁路钢桥制造规范»[15]中的Ⅰ级要求，部分熔透角焊缝、T形角焊缝满足Ⅱ级焊缝要求。

3 试验结果与分析

3.1 焊接接头的耐候性

针对耐候性评价问题，20世纪中期，美国材料与试验协会在不同大气环境中对270余种不同化学成分的低合金钢进行了长达15.5 a的曝晒试验研究，ASTM G101—04提出了修正的Legault－Leckie公式[14]，由式(1)表示为

式中I为耐候指数；%Cu、%Ni、%Cr、%Si、%P分别为Cu、Ni、Cr、Si、P的质量分数。

I值越高，表明钢材的耐蚀性能越好。根据式(1)以及表1和2化学成分表，可计算得到试验所用耐候钢、焊缝材料的耐候指标，对比分析结果如图6所示。

图6 耐候钢及焊缝材料耐候指标图

通过对耐候钢接头的焊缝光谱成分分析检测，可得不同焊接接头焊缝处的化学成分组成，据此可采用同样的方法计算不同焊接接头焊缝耐腐蚀指数。焊接接头的耐候指标计算结果如图7所示。试验中15组焊接接头焊缝表面处的耐候指标范围为6.48~6.81，耐候指数均值为6.70，焊缝表面耐腐蚀指数Ⅰ均大于耐候钢母材耐候指数标准值。根据修正的Legault-Leckie公式计算的耐候性计算结果可知，试验中选用的焊接材料及焊接工艺满足耐候钢焊接接头焊缝熔敷金属耐蚀性能匹配的要求。

图7 焊接接头焊缝耐候指标图

3.2 焊接接头的力学性能

根据Q/CR 9211—2015[15]中对焊接接头力学性能试验的要求，分别对15组试验进行了焊接接头拉伸性能、焊缝金属拉伸性能、低温冲击以及焊接接头硬度试验。为了保证试验中所用焊接试样的一致性，试验中采用的试件均取自同一焊接板件。试件取样的方法及拉伸试验照片分别如图8和9所示。

图8 力学性能试验试件取样示意图/mm

图9 对接试件力学试验照片

对接接头试件抗拉强度及全部15组焊接接头焊缝金属抗拉强度和屈服强度的试验结果如图10所示。由此可知，15组焊接接头的屈服强度及抗拉强度指标试验结果均高于耐候钢母材强度的标准值370 MPa；试验中3组对接接头板拉伸断裂位置均在母材，侧弯180°试验结果满足Q/CR 9211—2015[15]要求。此外，试验中焊接试样的断后延伸率范围维持在23%~24%之间，其满足≥20%的要求。

图10 强度评定结果对比分析图

屈强比是表征材料抵抗从屈服到塑性不稳定变形的一种能力。对于焊接接头而言，其屈强比越低，表征其塑性储备越大[16]。根据试验强度结果，计算15组焊接试样的屈强比结果如图11所示。

图11 焊缝金属屈强比试验结果图

由此可知，全部15组试样的屈强比约维持在0.67水平，与钢结构设计标准中母材的屈强比要求相近。从安全角度考虑，低屈强比表征焊接接头具备较好的抗震性能、抗外来冲击性能。

不同焊接接头在－40℃下的低温冲击试验结果和硬度测试结果如图12和13所示。

图12 焊接接头低温冲击试验结果图

图13 焊接接头硬度试验结果图

从图12和13的试验结果可以看出:(1)焊接接头焊缝区－40℃低温冲击功均值约为152.5 J，热影响区冲击功均值约为102.6 J，均满足Q/CR 9211—2015«铁路钢桥制造规范»[15]中≥40 J的规定值要求，且具有较高的储备，表明焊接接头的低温韧性良好；(2)焊接接头硬度试验结果表明，接头各区的硬度均<380，在焊接过程中未产生淬硬组织。

3.3 焊接接头宏观金相

焊接过程中的强烈瞬时热源输入导致焊缝不同区域金相组织存在一定的差异，这种差异进而导致焊接接头力学性能的变化。因此，焊接接头金相组织分析是焊接工艺评定的重要内容，通过焊接接头的宏观金相分析，可以较好地评定焊缝成型以及宏观缺陷问题。试验中切取焊接接头的横截面，经浸蚀试样显示宏观断面金相组织如图14~17所示。从焊接接头宏观金相可以看出，试验的15组焊接接头焊缝熔合良好，无裂纹、气孔、夹渣等缺陷，成型良好，焊缝过渡匀顺。

图14 BW焊接接头宏观金相照片

图15 CJP焊接接头宏观金相照片

图16 PJP焊接接头宏观金相照片

图17 FW焊接接头宏观金相照片

4 结论

依托新建潍莱铁路潍莱右线跨青荣城际高铁特大桥(120＋82)m连续钢桁梁工程，基于15组共计91个定制牌号Q370qNH耐候钢焊接接头的焊接工艺评定试验，研究了焊接接头耐候性匹配、单调拉伸、侧弯、低温冲击、硬度以及宏观金相组织等焊接接头性能，得出以下主要结论:

(1)试验中15组焊接接头焊缝表面处的耐腐蚀指数Ⅰ均值为6.70，大于耐候钢母材耐候指数标准值，表明文中焊材选择及焊接工艺参数能够满足耐候钢焊接接头耐候性与基材相匹配的标准要求。

(2)焊接接头及焊缝金属的强度指标、屈强比、侧弯180°、断后延伸率以及硬度等力学性能指标均满足评定标准要求，且均具有一定的储备，宏观金相组织表明焊接成形良好。

(3)耐候钢焊接作业中需严格控制施焊环境以确保焊缝焊接质量，并根据耐候钢板及焊接材料化学成分、接头型式、焊接方法等确定合理的预热温度和道间温度等焊接工艺参数，焊接工艺评定试验结果能够作为新建耐候钢桁梁桥焊接工艺的指导依据。