提高钢桥薄板对接焊缝低温韧性研究

张 华，舒先庆，阮家顺，范泽平，杨 颖

(武船重型工程有限公司，湖北 武汉 430415)

提高钢桥薄板对接焊缝低温韧性研究

张 华，舒先庆，阮家顺，范泽平，杨 颖

(武船重型工程有限公司，湖北 武汉 430415)

钢桥梁段总成制造对接焊缝主要采用CO2气保焊与焊埋弧自动焊组合焊接工艺。针对板厚12mm、14 mm的对接焊缝低温韧性低下的问题，研究了钢桥梁段总成对接焊缝的焊缝构成，分析了影响焊缝金属低温韧性的影响因素，通过试验研究，给出了两种技术方案：一是调整CO2焊焊层与埋弧焊焊层厚度比例，增加CO2焊打底焊层厚度可有效提高焊缝低温韧性；二是采用直径φ 3.2 mm埋弧焊丝进行薄板对接接头分道焊接，可大幅提高焊缝低温韧性。采用改进后的焊接工艺，薄板对接焊缝中心低温韧性试验值均能满足规范要求，且具有了一定的富裕量。

钢桥；梁段总成；薄板；对接焊缝；低温韧性

0 前言

在钢桥制造过程中，焊接接头的低温韧性是其质量验收重要指标之一。钢桥制造一般分为板单元件制作、梁段总成和成桥梁段组焊三个阶段。面、底板板厚多为12～16 mm，在钢桥梁中定义为薄板。在梁段总成对接时，为创造良好的焊接位置条件，一般采用背面贴加陶质衬垫，CO2气保焊打底，埋弧焊填充、盖面结合的焊接方式，同时该方式降低了对装配精度的要求，焊缝外观成形较好，效率也较高，因此得到了广泛应用，但是保证其较高的低温韧性是钢桥焊接工艺中的难点。

目前，《铁路钢桥制造规范》(TB10212-2009)已生效使用，新规范相比旧规范TB10212-1998版对焊缝低温韧性作了更高的要求。对于常用的桥梁用钢，母材韧性标准值为-20℃试验温度下冲击韧性值47 J，新规范规定焊接接头中焊缝金属与热影响区韧性值不低于母材标准，也就是焊缝的韧性值也必须达到47 J以上，而旧规范仅要求焊缝韧性值为27 J，要求大幅提高。本研究暂不讨论将焊缝韧性要求等同于母材要求的合理性，但根据大量实践数据，按目前工艺焊接的钢桥薄板对接接头，对于12 mm或14 mm板厚钢板，其焊缝热影响区低温韧性均值一般可达50 J以上，而焊缝中心的低温韧性均值基本上为30～50 J(-20℃)，富裕量不多甚至难以达到合格要求。因此，如何保证焊缝金属中心韧性符合规范要求并有一定的富裕量，是急需解决的技术难题。

在此，针对板厚12 mm、14 mm的对接焊缝低温韧性低下的问题，研究钢桥薄板对接焊缝的焊缝构成，分析影响焊缝金属低温韧性的影响因素，寻求有效提高焊缝低温韧性的可靠途径。

1 工艺特点和研究内容

1.1 钢桥薄板对接接头焊缝构成

钢桥薄板对接焊缝采用背面贴陶质衬垫，CO2气保焊打底，埋弧焊填充、盖面结合的焊接方式，接头形式如图1所示。现有工艺CO2气保焊焊层为防止埋弧焊焊道焊穿，需打两道底，埋弧焊丝直径φ 5.0mm，每道焊缝有较大的宽度尺寸，受坡口张口尺寸所限，埋弧焊层仅适合单道焊缝，其中对于12 mm板厚，其埋弧焊层为一层，对于14 mm板厚，其埋弧焊层为两层。焊缝宏观断面如图2所示。

图1 钢桥薄板焊接接头示意

图2 钢桥薄板焊缝宏观断面

1.2 钢桥薄板对接焊缝韧性低的原因分析

根据长期以来所做的各类气保焊和埋弧焊焊材复验情况，其熔敷金属低温韧性通常保持较高的水平，均值基本上能达到100 J(-20℃)以上；同样，在厚板采用多层多道焊时，焊缝低温韧性也可达到80J以上，为什么焊材熔敷金属具有很高的韧性，而薄板对接接头的焊缝金属低温韧性会大幅下降？

熔敷和对接焊道分布以及冲击试样的取样位置、缺口位置如图3所示。

图3 焊道分布与冲击试样及缺口的位置关系示意

由图3可知，熔敷接头的焊道分布为一层两道，冲击试样的缺口位置位于焊道交叉部位，该处组织受后续焊道热作用的影响，组织晶粒得以细化，因此韧性较高；对接接头的焊道布置与之不同，冲击试样的缺口位置处于焊道中心，该处组织有明显的柱状晶形态，这是对接接头韧性下降的原因之一。

焊缝金属在凝固过程中，低熔点夹杂物会在焊道中心聚集，存在区域偏析，夹杂物含量高将导致组织脆化。在对接接头中，焊道布置为每层单道焊，冲击试样缺口位置恰好为每层焊道的中心处，此处为焊道的薄弱部分，这也是对接接头焊道韧性下降的一个原因。

由于部分母材金属熔化进入熔池，对接接头的成分与熔敷接头相比，各种强化元素如C、Si、Mn等含量均增加，因此强化元素含量的增加也是对接接头韧性下降的因素之一。

针对钢桥薄板对接接头，在焊缝背面贴加了陶质衬垫，由于焊接高温作用，在靠近陶质衬垫部分焊缝难免存在一定增Si现象，硅化物的增多同样会对焊缝性能起脆化作用，这也是焊缝韧性下降的因素之一。

1.3 研究内容

由于埋弧焊使用的焊接电流较大，焊缝熔深也较大，在钢桥薄板对接焊接头中，埋弧焊层焊缝厚度占钢板厚度的大部分比例，在冲击试样(10 mm× 10 mm)截取部分中，大部分为埋弧焊层焊缝，小部分为CO2气保焊层焊缝，如图4所示。由此可见，接头焊缝低温冲击试验值主要取决于埋弧焊层焊缝的组织和性能，侧重于研究改进埋弧焊工艺可达到提高焊缝韧性的目的。

图4 焊缝构成与冲击试样

研究内容：(1)考虑到现有工艺已成熟应用，在现有工艺基础上，通过调整焊接材料和工艺参数来改善焊缝组织和性能；(2)避免埋弧焊每层单道焊对焊缝中心低温韧性的不利影响，采用细丝埋弧焊工艺(每道焊缝宽度较窄)来实现对接接头的多层多道焊，从而提高焊缝中心的低温韧性。

2 现有焊接工艺改进

在现有焊接工艺的基础上，先后进行了大量探索性的试验，涉及到的试验要素有焊接材料、焊缝层数与焊层厚度、CO2焊焊层与埋弧焊焊层厚度比例、焊接参数、气体流量、冲击试样的取样部位与缺口的位置等，以寻找最优的方式来提高焊缝中心的低温韧性。分析了焊缝中心处低温韧性的影响因素，逻辑关系如图5所示，并以此制订了试验方案。

图5 焊缝中心处低温韧性的影响因素

2.1 试验条件和要求

母材材质Q345D，规格12mm×150 mm×500 mm、14mm×150mm×500mm，长边单侧25°；CO2气保焊实心焊丝ER50-6 φ 1.2mm；埋弧焊丝H10Mn2 φ 5.0mm和H08Mn2E φ 5.0mm；焊剂SJ101、SJ101q、SJ105；坡口根部间隙均为8 mm。焊接方式为：板厚12 mm钢板，CO2气保焊打底一层、填充一层、埋弧焊盖面一层，不分道焊接；板厚14 mm钢板采用多层单道焊。

2.2 试验方案和结果

试验方案如表1所示，试验结果如表2所示。

2.3 分析讨论

根据试验结果，焊缝强度和塑性都很均匀，其中平均屈服强度σs＝423MPa，平均抗拉强度σb＝528MPa，均符合母材钢板标准的要求，强度超高不多，平均屈强比为0.8较合适，塑性良好。从焊缝金属化学成分结果看，数据均匀，波动较小，且S、P等有害元素含量较低。从冲击试验结果看，各组平均值为30～70 J，在不同的工艺条件下存在一定的差异。

(1)焊接材料比较。

试板焊接时均采用实心焊丝ER50-6，φ 1.2mm；埋弧焊丝H10Mn2、H08Mn2E，φ 5.0 mm；埋弧焊剂有SJ101、SJ101q、SJ105。

在板厚12 mm的试板中，编号R-01、R-02分别与编号R-07、R-08对应，前者用H10Mn2焊丝、后者用H08Mn2E焊丝，其余参数无任何区别，前者冲击值为56J和61J，后者冲击值为64J和67J。可见，采用焊丝H08Mn2E、焊剂SJ101配合冲击值提高约10%。同样在板厚14 mm的试板中，编号R-17、R-18冲击值分别为58J和86J，后者数值明显较高。按一般理解，H08Mn2E较H10Mn2成分杂质含量更低，易得到韧性更高的焊缝。然而比较R-03与R-10，发现情况相反，是因为焊接条件中改变了焊丝倾角10°，还是其他偶然因素的影响？目前尚不清楚，但可以得出以下结论：在正常条件下，采用焊丝H08Mn2E、焊剂SJ101配合能得到更高的焊缝韧性。

表1 焊接试验方案

表2 试验结果

选用焊剂的对比。SJ101q为桥梁钢焊接用烧结焊剂，但从试验结果来看，并没有发现SJ101q焊剂与H10Mn2焊丝配合焊接薄板对接焊更有优势，也没有发现SJ101q焊剂与H08Mn2E焊丝配合接头焊缝低温韧性值更高，甚至比SJ101低；SJ105为碱度更高的烧结焊剂，试验结果也不理想。

(2)CO2焊焊层与埋弧焊焊层厚度比例的比较。

编号R-01、R-07、R-14分别与编号R-02、R-08、R-15对应，两者采用的焊接材料与焊接方式相同，区别是CO2焊焊层与埋弧焊焊层厚度不同，前者CO2焊焊层厚度相对较薄，埋弧焊焊层相对较厚，前者冲击值分别为56 J、64 J、33 J，后者冲击值分别为61 J、67 J、56 J，后者数据明显较高。究其原因：第一，埋弧焊焊层较薄，对应的焊接热输入量较小，焊缝金属高温阶段冷却速度较快，有助于焊缝铸态组织细化，同时每层焊道厚度减薄，前续焊道可充分利用后续焊道的热处理作用改善组织，从而提高韧性；第二，埋弧焊焊缝成分与组织的区域偏析是引起接头焊缝中心韧性下降的重要原因。CO2气保焊焊道中心冲击值较埋弧焊焊道中心高，且离散度小，因此CO2焊焊层较厚者冲击值较高。

(3)埋弧焊丝加一定倾角与不加倾角的比较。

编号R-01和编号R-03对应，后者埋弧焊丝加了后倾角10°，其余参数相同，前者冲击值为56 J，后者冲击值为63 J；而编号R-02与编号R-04相比，虽然后者也加了倾角10°，但后者的冲击值较前者稍低，因此焊接时埋弧焊丝有无倾角对焊缝韧性的影响并没有明显的规律。

(4)焊接参数的影响。

当焊接坡口尺寸一定时，每一层焊缝的厚度与焊接热输入量成线性关系，焊接热输入量越大，焊层越厚。因此，当确定了CO2焊焊层与埋弧焊焊层厚度比例，以及焊缝层数，也就限定了焊接热输入量。

对于12 mm厚板，CO2焊两层，埋弧焊一层，焊缝层次没有更多选择的余地；对于14 mm厚板，增加焊缝层数，即减少每道焊的热输入量，可改善焊缝低温韧性，如编号R-16、R-17、R-18试板焊缝冲击值明显高于R-14、R-15。当然，焊缝层数的增加会导致焊接效率的降低。

当焊接热输入量一定时，可适当调节规范参数间的匹配，如R-05与R-02相比，同时减小焊接电流和焊接速度，但从试验结果来看，对焊缝韧性的改善效果并无明显的差异。

综上所述，埋弧焊层采用H08Mn2E焊丝，匹配SJ101烧结焊剂，可得到低温韧性较高的焊缝；调整CO2焊焊层与埋弧焊焊层厚度比例，增加CO2焊打底焊层厚度是提高焊缝韧性的有效途径。对于14mm厚板的对接焊，适当地减少每层焊缝的厚度，增加焊缝层数，也可有效提高焊缝低温韧性。

3 细丝埋弧焊工艺

严格来讲，细丝埋弧焊的焊丝直径应小于3.0 mm，利用电弧自身调节系统，采用平特性电源配等速送丝系统。本研究拟采用φ 3.2 mm焊丝，仍为弧压反馈调节系统，但相对于常用的φ 5.0 mm焊丝来说，也称之为“细丝”埋弧焊。

3.1 试验方案

试板的焊接方式仍为CO2气保焊打底，埋弧焊填充盖面，其中打底焊道采用CO2气保焊焊丝ER50-6，φ 1.2 mm，填充、盖面焊采用埋弧焊丝H10Mn2，φ 3.2 mm，焊剂采用SJ101。根据薄板对接焊坡口尺寸的实际情况，选用φ 3.2mm的埋弧焊丝进行焊接，若直径过大，其焊缝熔宽不适合于一层两道焊；若直径过小，则会导致焊接效率过低。

试板规格分别为12mm×150mm×500mm、14 mm× 150 mm×500 mm，其中厚度为12 mm板埋弧焊焊一层，厚度为14 mm埋弧焊焊两层。焊缝成形如图6所示。

3.2 试验结果和分析

试验焊接工艺参数如表3所示。

表4为焊缝低温韧性结果，其中R-14为现有工艺改进方案中的冲击值。从表4可以看出，采用φ 3.2 mm埋弧焊丝焊接薄板对接接头，其焊缝低温韧性值处于很高的水平，相比于φ 5.0 mm焊丝单道焊接的成倍提高，也验证了多道焊与单道焊焊缝中心低温韧性存在明显差异的现象。

两种不同工艺条件下14 mm厚板的焊缝宏观断面如图7所示。

试板R-14埋弧焊部分呈现的是一个焊道的焊缝组织，试板D2埋弧焊部分呈现的是两个区域的焊缝组织，焊缝中心处于两焊道交叉部位。

截取两者焊缝中心部位观察其金相组织，如图8所示。

由图8可知，试板R-14焊缝中心组织柱状晶方向垂直于母材表面，其先析铁素体含量较高；试板D2焊缝中心组织柱状晶方向约与母材表面成45°，先析铁素体含量相对较少，针状铁素体含量相对较高，究其原因是后者焊接热输入量较低，冷却速度较快(t8／5减少)，抑制先析铁素体的产生，促进了针状铁素体的形成；此外图8b还显示前续焊道已被后续焊道不完全正火。

值得一提的是，采用细丝埋弧焊多层多道焊工艺能大幅提高焊缝低温韧性，但也增加了焊缝层数，降低了生产效率，一定程度上影响了该工艺在实际生产中的适应性。对于14mm板厚钢板，其焊接角变形量较φ 5.0 mm焊丝单道焊的稍大。

图6 细丝埋弧焊接头焊缝成形示意

表3 薄板对接焊焊接工艺参数

表4 薄板对接焊缝低温韧性

图7 不同工艺条件下的焊缝宏观断面

4 结论

(1)分析了钢桥薄板对接接头的焊缝构成本质和影响其焊缝中心低温韧性的内在因素，给出的两种技术方案其薄板对接焊缝低温韧性试验值均达到54 J以上，相比旧标准值27 J提高了一倍，相比新标准值也具有一定的富裕量。

(2)可在现有工艺基础上进行改进，调整CO2焊焊层与埋弧焊焊层厚度比例，增加CO2焊打底焊层厚度是提高焊缝韧性的有效途径；埋弧焊层采用H08Mn2E焊丝，匹配SJ101烧结焊剂，可得到低温韧性较高的焊缝；对于14 mm厚板的对接焊，适当地减少每层焊缝的厚度，增加焊道层数，也可有效提高焊缝低温韧性。

图8 焊缝中心金相组织

(3)对于12 mm、14 mm板厚钢桥薄板对接焊，采用细丝埋弧焊丝进行薄板对接接头分道焊接，可大幅提高焊缝低温韧性，且具有很高的韧性富裕量。此方案从根本上解决了薄板焊缝中心低温韧性低下的问题，但一定程度上也影响到焊接生产效率。

Research on improvement of low-temperature toughness for thin plate butt weld of steel bridge

ZHANG Hua，SU Xian-qing，RUAN Jia-sun,FAN Ze-ping，YANG Ying
(Wuship Heavy Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430415，China)

The combined welding technique of CO2welding and submerged arc welding is adopted for butt weld of girder assembly of steel bridge.As the low-temperature toughness is low for butt weld of plate thickness about 12 mm and 14 mm，this paper made a research on the structure of butt weld for girder assembly of steel bridge，and analyzed the effect factor of low-temperature toughness，and gave two technique schemes through a series of experiment in the end.The first one is to adjust the thickness proportion between CO2welding and submerged arc welding layers.The increase of thickness of CO2welding layer can efficiently improve low-temperature toughness.The second one is to use φ 3.2 mm submerged arc wire for thin plate butt weld,which can greatly improve low-temperature toughness.When adoptment of improved welding technique，the low-temperature toughness value of thin plate butt weld can satisfy criterion requirement and have a certain margin.

steel bridge；girder assembly；thin plate；butt weld；low-temperature toughness

TG457

A

1001-2303(2011)08-0046-07

2011-07-10

张 华(1981—)，男，浙江人，工程师，学士，主要从事钢桥焊接技术工作。