Q500qENH高性能耐候钢在高架桥工程焊接技术与应用

周磊, 吴小燕 , 马军伟 , 孙彬强 , 舒罗生

(1.甘肃省建设投资(控股)集团有限公司 ,兰州 730050；2.甘肃建投科技研发有限公司，兰州 730050；3.甘肃一安建设科技集团有限公司，兰州 730060)

0 前言

高性能耐候钢作为一种兼顾强度、可焊性和耐腐蚀性的新型结构钢，国内外学者对其进行了大量研究工作，并应用于工程建设中。高性能耐候钢中添加的合金元素，可使钢材表面与空气接触形成致密锈层，显著降低钢的腐蚀速率及钢材腐蚀造成的损失；在桥梁领域使用高性能耐候钢，可取消或部分取消涂装作业，显著减少桥梁结构在服役期内的养护和维修费用，能够取得较好的经济、环保效益，具有广阔的应用前景[1-2]。

G109线改扩建工程钢结构桥梁项目，其管翼缘组合桥梁(51 m+61 m+51 m)下翼缘板首次采用了Q500qENH高性能耐候钢，其余部位采用Q345qENH耐候钢。由于高性能耐候钢碳当量相对较高，可焊性较差，工程又已进入冬期施工，使高性能耐候钢现场焊接难度进一步加大，文中基于G109线改扩建工程钢结构桥梁项目，对高性能耐候钢在高架桥钢结构工程中焊接技术进行了研究和总结，以期为类似项目的焊接施工提供经验借鉴。

1 高性能耐候钢桥梁的工程应用

G109线(忠和傅家窑立交至八里湾)改扩建工程K9+895～K10+058高架桥为三跨(51 m+61 m+51 m)管翼缘组合梁桥，桥长163 m。为了不影响连霍高速桥梁净空和正常通行要求，首次采用Q500qENH高性能耐候钢来降低梁高；高架桥下部结构采用钢箱门式框架，主墩盖梁跨径为30 m；主桥上部采用6片焊接方管翼缘组合梁作为主梁，管翼缘组合梁结构通过减小腹板的高度，从而避免了腹板长细比过大在设计中引起的失稳问题，提高了组合梁的刚度和稳定性[3]。工程工期紧、任务重，质量等级要求高，为了确保施工的安全、质量和工期要求，顺利地完成此项施工任务,对高性能耐候钢的焊接性能研究意义重大。近年来，对耐候钢桥梁的技术研发已逐渐成为热点，国内已有多座耐候钢建造的桥梁，如表1所示[4-6]。

表1 中国耐候钢桥梁汇总

2 高性能耐候钢焊接技术

G109线钢结构桥梁项目，门式钢框架及焊接方管翼缘组合梁节点构造复杂多样，构件之间的连接角度及精度要求高，桥墩、主桥梁连接板、加筋板多，焊接要求高，焊接变形控制难度大；管翼缘组合梁下翼缘Q500qENH高性能耐候钢碳当量较高，且室外焊接温度低，焊接难度大大提升。因此在焊接前需完成Q500qENH高性能耐候钢的焊接性能检验及不同厚度焊接工艺评定试验，保证本工程项目钢结构施工的安全和质量。

2.1 Q500qENH钢性能分析

Q500qENH高性能耐候钢采用由河南某钢铁公司生产的调质钢板，交货状态为淬火+回火，钢板厚度为36 mm。对钢材进行性能试验，充分掌握其力学性能，化学成分、耐候指数等，为了解母材焊接性、选择匹配的焊接材料，制定合理焊接工艺方案提供依据。钢板的化学成分及力学性能见表2和表3。

表2 Q500qENH高性能耐候钢化学成分(质量分数，%)

表3 Q500qENH高性能耐候钢力学性能

由表2可得，Q500qENH高性能耐候钢耐大气腐蚀系数(I)根据I=26.01(Cu)+3.88(Ni)+1.20(Cr)+1.49(Si)+17.28(P)-7.29(CuNi)-9.10(NiP)-33.39(Cu)2计算，计算结果为6.855，大于6，满足耐腐蚀性要求；根据碳当量的计算公式CE(IIW)(%)=[C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Ni+Cu)/15]×100%，碳当量计算结果为45.6%，大于40%，可焊性较差，焊接时应采用预热和焊后热处理。由表3可知，工程采用的厚度为36 mm的Q500qENH高性能耐候钢，屈服强度和抗拉强度均超过了600 MPa，同时断后伸长率达到18%，说明钢材的强度高、塑性好，符合项目对高性能钢材的要求。

2.2 焊材化学成分分析

采用昆山某焊材公司生产的电弧焊焊条、埋弧焊丝，对钢材、焊丝和熔敷金属进行性能试验，充分掌握其力学性能、化学成分、耐候指数等，为Q500qENH高性能耐候钢选择匹配的焊接材料，制定合理焊接工艺方案提供依据。焊条电弧焊和埋弧焊焊材的化学成分及熔敷金属力学性能见表4和表5。

表4 焊材化学成分(质量分数，%)

通过对两种焊材的耐大气腐蚀系数(I)进行计算，分别是6.388和6.01，计算结果满足I≥6(I不应小于6，数值越大耐腐蚀性能越好)的要求，两种焊材均满足耐腐蚀性要求。由表5可知，两种焊材的屈服强度和抗拉强度均大于规范标准值，满足高性能耐候钢的焊接要求。

表5 熔敷金属力学性能

2.3 Q500qENH焊接工艺参数选择

根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T3650—2020)、《钢结构工程施工工艺流程》(J10741—2018)、《钢结构焊接规范》(GB50661—2011)，对Q500qENH钢进行焊接工艺评定，拟采用焊条电弧焊和埋弧焊方法，其钢板厚度、坡口形式、焊层及焊道布置形式如图1所示，适用母材厚度27～54 mm。焊接工艺参数如表6所示，采用统一的焊接技术措施，背面清根均采用碳弧气刨、角磨机打磨和毛刷清理的方式，施焊环境温度和相对湿度均满足规范要求。

表6 焊接工艺参数

图1 焊接工艺评定坡口形式

2.4 焊接工艺评定试验

试件焊接完成后，根据工艺要求对焊缝进行外观评定检查、超声检测、力学性能试验及宏观金相试验等焊接工艺评定检验。

2.4.1外观检查

试件焊缝余高差0.7 mm，坡口每侧增宽0.5 mm，宽度差0.9 mm，焊缝边缘直线度0.8，无裂纹、夹渣、咬边、气孔、焊瘤、未焊透和未熔合现象，外观成形良好，与母材圆滑过渡，外观检查合格。

2.4.2超声检测

超声检测按照国家标准GB/T 11345—2013等级B级，验收等级2级的要求[7]，检测时间为焊后24 h，采用CTS-9006PIUS超声检测仪，探头前沿13/9，实测K值(探头折射角度)1.98/2.36，检测方法为横波直射及一次波反射法，试件焊缝经检测符合验收2级的要求。

2.4.3焊接接头力学性能

焊接接头力学性能试验及试样数量按照国家标准《焊接接头机械性能试验方法》的规定[8-12]，试验结果如表7所示。试件的屈服强度628 MPa，抗拉强度701 MPa，断后伸长率为22%，断裂位置出现在热影响区，满足规范要求；弯曲试验在压头直径D=108 mm下进行，面弯未出现裂纹；冲击试验在-40 ℃下进行，分别对焊缝和热影响区冲击3次，焊缝区冲击吸收能量平均值为135 J，熔合线外 1 mm处冲击吸收能量平均值为123 J，满足规范要求。

表7 焊接接头力学性能

2.4.4宏观金相试验

宏观金相试验依据国家标准GB/T 226—2015进行，用70 ℃ HCL水溶液(1∶1)浸蚀20 min后观察，焊缝根部未发现裂纹、未焊满、未熔合、气孔、夹渣等超标缺陷，焊缝成形系数为1.3，满足工艺规范要求，如图2所示。

图2 焊缝金相组织形貌

3 结论

(1)对所使用的的高性能耐候钢和焊接材料进行化学成分分析，耐大气腐蚀系数(I)均大于临界值6，说明母材和焊缝均能满足耐腐蚀性能要求。

(2)由Q500qENH焊接工艺评定试验可知，焊缝的各项指标均满足规范要求，采用的焊接方法和工艺参数可以满足焊接施工的质量和安全，可为类似工程提供参考和借鉴。