高强度桥梁钢焊缝微观组织及性能研究综述

2019-02-18，，，，，，

山东化工 2019年1期

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(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自贡 643000；2.四川轻化工大学材料科学与工程学院，四川自贡 643000)

1 国内外桥梁钢的发展

自2008年南方雪灾过后，国家对全国交通网络等基本设施的投入增强。桥梁作为交通系统中的重要组成部分得到了大力发展。桥梁建设事业的快速发展不仅对桥梁用钢的“量”有了需求，而且对其“质”也有了更高的需求。我国自20世纪50年代以来，自主开发设计了一系列桥梁及配套桥梁用钢[1-3]。根据我国桥梁钢的发展过程来看，桥梁钢的发展和桥梁设计的发展密不可分。主要指标要求为强度、韧性以及施工过程中的焊接性，使得桥梁钢的强度和韧性不断提高。美国是较早开始将高强度钢材应用于桥梁建设的国家之一。美国桥梁钢的发展经历了250、345(345S，345W)、485(485W)、690(690W)等4个等级。1962年，美国将690MPa级的HPS100W钢首次使用于桥梁建设中。1991年，美国开始研发设计新钢种(HPS345W、HPS485W、HPS690W)。2003年，HPS690W钢在桥梁中投入使用。目前关于该系列钢材的更深入的研究工作还在继续[4-5]。

日本作为亚洲唯一的发达国家，在桥梁钢的研究与应用方面一直处于领先地位。20世纪50年代，日本开始使用500 MPa、600 MPa级的高强度钢材。自1960年起，日本的桥梁建设大多采用600 MPa级甚至是800 MPa级的高强度钢材。1997年，超级钢材项目启动，日本钢材的发展进一步加快[6-7]。

2 桥梁钢焊接方法

我国目前的桥梁用钢已经迈入了高强度钢的时代，常用的钢材有370 MPa、420 MPa、500 MPa级的高强度钢材。按桥梁结构用钢国家标准GB/T714-2015，我国的桥梁结构用钢有8个强度等级，4个质量等级。

国外目前已经普遍使用多头自动焊接机械手臂等自动化装置进行焊接。与国外相比，国内桥梁钢焊接大多采用手工电弧焊，埋弧电弧焊等。这种焊接方式与操作者经验有很大关系，效率低，质量得不到保障。目前，随着桥梁建设的发展，一些高效率的焊接方式开始受到重视，如CO2自动焊及半自动焊。此类技术主要应用于悬索桥和斜拉桥，但对于公路铁路两用桥，一般仍旧已埋弧焊为主，其他方式的自动半自动焊接为辅。我国在桥梁建设自动化焊接领域还有很大的发展空间。

3 桥梁钢焊接头研究

3.1 桥梁钢焊接头组织与力学性能

焊缝区组织一般为粗大的柱状晶，或呈针状。而热影响区受焊接热循环的影响一般存在晶粒长大现象[8-11]。Q500qE钢材中含有微量的Nb、V、Ti，此类元素为强碳/氮化物形成元素。碳/氮化物能阻碍晶界移动，抑制晶粒长大，以提高材料的强度和韧性。焊接过程中的热输入量过高会溶解碳/氮化物，使其失去抑制晶粒长大的作用[12]。故焊接过程中选择合适的焊接工艺参数对焊接头的综合性能十分重要。

陈尹泽等对TMCP桥梁钢Q420qE进行焊接，并对其焊接头进行了研究分析。结果显示：焊接头平均屈服强度与抗拉强度为469 MPa、574 MPa，焊接头延伸率下降2%，焊接头与母材并无明显的硬度差别。焊缝组织为粗大的先共析铁素体+针状铁素体+细小的M/A岛；粗晶区组织为针状铁素体+粒状贝氏体+板条状贝氏体；细晶区组织为多边形铁素体+少量珠光体；母材为多边形铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体[13]。对比四个区域发现，仅在焊缝部位出现了粗大的先共析铁素体及M/A岛，先共析铁素体在熔池冷却凝固的较高温度段形核，然后长大。针状铁素体在原奥氏体晶内形核，内部具有较高的位错密度，互相之间的接触角大，可以有效的阻碍裂纹扩展的倾向，故可以提高焊缝的强度和韧性。粒状贝氏体的组织特征是大块状或针状铁素体内分布着一些颗粒状小岛，这些小岛可以起到第二相强化作用。故粒状贝氏体也可提高材料的抗拉强度和屈服强度[14-16]。

3.2 桥梁钢焊接头的疲劳性能

贾坤宁等对Q460q高强度桥梁钢焊接头的疲劳性能进行了研究。材料经焊接后采用高频试验机对其进行疲劳裂纹扩展实验。焊接头在107条件下的疲劳极限为470MPa，略低于材料的屈服强度。应力与循环次数的关系为lgN=36.9-13.7438 lgσ[17]。在应力作用下，材料中粗大的夹杂物周围容易造成应力集中，夹杂物周围的薄弱区域容易产生裂纹和微孔。裂纹扩展到一定程度后，承受力的断面缩小然后断裂，即瞬断区[18]。瞬断区断口形貌具有典型的韧窝特征。有研究者根据疲劳裂纹扩展曲线分析得出焊缝的循环次数最多，然后是热影响区，再次是母材。随着加载应力的提高，焊缝和热影响区的裂纹扩展速率同比例增加，且母材的裂纹扩展速率增加更快。深入分析试验数据得到了不同区域的Paris公式和疲劳裂纹门槛值：焊缝区域的Paris公式为da/dN=2.5858E-09(ΔK)2.86276，疲劳裂纹门槛值为6.6822 MPa·m1/2；热影响区的Paris公式为da/dN=9.2487E-09(ΔK)2.77892，疲劳裂纹门槛值为5.2817 MPa·m1/2；母材的Paris公式为da/dN=4.2036E-09(ΔK)2.15102，疲劳裂纹门槛值为4.8809 MPa·m1/2[19]。断口均呈现可延展条纹状，焊缝的条纹间距最小，断裂形式以穿晶断裂为主；母材的裂纹扩展路径呈Z字形。断裂形式为沿Z字形路径扩展的沿晶断裂为主；而热影响区的断裂模式介于两者之间[20-21]。

3.3 桥梁钢焊接头耐蚀性

桥梁钢的耐蚀性能对其实际应用十分重要，有不少学者对桥梁钢的腐蚀行为进行了研究[22-23]。王至奋[24]等采用浸泡实验探究了不同晶粒尺寸试样的腐蚀情况，其结果表明：拥有大晶粒尺寸的铁素体和珠光体组织的试样的耐蚀性能更好。李琳[25]同样就晶粒尺寸对桥梁钢的耐蚀性进行了研究，材料采用了化学成分相同而晶粒尺寸不同的3种桥梁耐候钢，经模拟干湿交替实验后发现，晶粒尺寸最小的试样在试验后腐蚀速率最低。对于桥梁钢焊接头的性能，也有前人做了不少探究。黄元林[26]等研究了超声冲击处理后Q370qE 桥梁钢焊接接头耐蚀性的变化。经5% NaCl溶液浸泡后观察了经超声处理后和未经超声处理试样的腐蚀形貌，结果表明：未处理接头出现不同程度的剥层腐蚀和点腐蚀，其中点腐蚀深度达0.2 mm；经超声处理后焊接头试样表面仅局部有锈层现象，其原因为超声处理使得材料表面以下形成了100～200 μm厚的致密纤维状形变组织，该组织能提高焊接头的抗腐蚀性能。

3.4 桥梁钢焊接头焊后热处理

钢材焊接时，熔池的冷速对焊缝组织有一定影响。凝固过程的冷却速度越低，晶粒粗化时间越充分，晶粒越粗大。在焊缝金属组织中，针状铁素体可以提高焊缝金属的韧性。而一般焊接后的焊缝组织中，针状铁素体含量少，且存在树枝状或大长条装的晶界铁素体，甚至是贝氏体，故其韧性低[27]。为了提高其韧性，通常会在焊接后对其进行热处理，以改变焊缝力学性能。

刘立彪[28]等人研究了Q420R钢材焊接热处理前后的性能变化。实验选用了560、580、600、620 ℃等4个热处理温度参数。对比热处理前后金相组织发现，热处理并未改变组织类型，仅是热处理后在晶界处有碳化物析出，620 ℃热处理后试样组织中的碳化物最多。温度上升，晶粒度增大。560 ℃时晶粒度为9～10级，而620 ℃时为8～9级。