Q345qENH耐候桥梁钢焊接试验研究

徐向军，高建忠，刘振刚，范军旗

中铁山桥集团有限公司 河北秦皇岛 066205

1 序言

官厅水库公路特大桥为主跨720m的双塔单跨悬索桥，效果图如图1所示。由于大桥跨越北京市饮用水源地——官厅水库，考虑到环保要求，通过技术论证确定本桥钢结构采用免涂装Q345qENH耐候钢。以往耐候桥梁钢都是在中小跨度桥上应用，本项目是我国首次在大跨度悬索桥上采用免涂装耐候钢，且为全焊接连接，为此需要对新开发的Q345qENH耐候钢进行应用试验研究，为官厅水库公路特大桥制造提供技术支持。

图1 官厅水库特大桥效果图

2 Q345qENH钢板技术指标

根据设计需要，官厅水库公路特大桥对Q345qENH钢板的性能指标要求见表1，钢板成分和力学性能符合GB/T 714—2015《桥梁用结构钢》的要求[1]，－40℃低温冲击吸收能量≥120J，屈强比≤0.85，耐大气腐蚀指数I≥6.0。

3 Q345qENH钢板母材试验结果

某钢厂采用T M C P工艺生产了Q345q E N H钢板，对板厚8mm、16mm、24mm、36mm、44mm、60mm的Q345qENH钢板进行母材复验。试验内容包括母材的化学成分、冷裂纹敏感系数Pcm、耐大气腐蚀指数I以及拉伸、弯曲、－40℃低温冲击、厚度方向性能等力学性能，试验结果见表2、表3。

从表2的化学成分分析可以看出，钢板的C、S、P含量与裂纹敏感系数较小，有益于提高钢板的焊接性。钢板的耐大气腐蚀指数I为6.5～6.6，耐候性满足设计要求。从表3的力学性能可以看出，试验结果均满足表1的规定，钢板的抗拉强度、塑性均满足技术要求，屈强比为0.67～0.85，－40℃冲击吸收能量均＞180J，低温冲击性能优良。厚度方向性能均满足GB/T 5313—2010中最高标准Z35级的要求。

表1 高性能桥梁用Q345qENH钢技术条件

表2 Q345qENH钢板化学成分

表3 Q345qENH钢板力学性能

4 Q345qENH钢板系列温度冲击试验

对板厚24mm、44mm的Q345qENH钢板进行常温、0℃、－20℃、－40℃、－60℃的系列温度冲击试验，韧脆转变曲线如图2、图3所示。由图2和图3可以看出：板厚24mm、44mm钢板的低温韧脆转变温度ETT50均低于－60℃。

图2 板厚20mm的Q345qENH钢板系列温度冲击韧脆转曲线

图3 板厚44mm的Q345qENH钢板系列温度冲击韧脆转曲线

5 Q345qENH钢板热加工工艺性能试验

（1）Q345qENH钢板切割工艺性能试验 在钢桥制造过程中，对钢板需要进行切割下料和焊接变形火焰修整，为了检测Q345qENH钢板切割面质量和火焰矫正对钢板性能的影响，需要对钢板进行热加工工艺性能试验。

对板厚8mm、16mm、24mm、36mm、44mm和60mm的Q345qENH钢板进行切割面粗糙度检测，切割面光滑、齐整，切割面粗糙度值≤25μm。通过磁粉检测，切割面没有裂纹或其他危害性缺陷，钢板切割面硬度试验结果见表4。

表4的切割面硬度试验结果表明，Q345qENH钢板火焰切割面最大硬度为297HV10，等离子切割面最大硬度为333HV10，均低于标准值350HV10，表明Q345qENH钢板切割工艺性良好。

（2）Q345qENH钢板热矫形工艺性能试验 针对板厚16mm、24mm、36mm、44mm的Q345qENH钢板进行了热矫形工艺试验，加热方法为超能气（炳烷+添加剂）＋氧气火焰加热，加热区的最高温度分别按700℃、800℃和900℃控制，测试了加热区的拉伸、弯曲、低温冲击力学性能，试验结果见表5。

由表5的试验结果可以看出，16mm、24mm、36mm、44mm的Q345qENH钢板加热700℃、800℃后，力学性能全部合格；加热9 0 0℃后，板厚16mm的Q345qENH钢板屈服强度不合格。因此，Q345qENH钢板的热矫形加热温度应不超过800℃。

表4 Q345qENH钢板切割面硬度

6 Q345qENH钢板配套焊接材料试验

由于没有现成的Q345q E N H耐候钢板配套焊材，我们根据钢板成分和焊接接头力学性能要求，确定了Q345qENH耐候钢用焊材技术要求，见表6。

为了选择与Q345q E N H钢板相匹配的焊接材料，与有关焊材厂联合开发了耐候钢焊材，如C H E507N H Q焊条、C H W-55N H Q3埋弧焊丝、C H F105N H Q埋弧焊剂、C H W-55N H Q1和TH550-NQ-II实芯气体保护焊丝、CHT71NHQ和JQ.YJ501NiCrCu-1药芯气体保护焊丝。对耐候钢焊材分别进行了熔敷金属化学成分分析和力学性能试验，结果见表7和表8，化学成分分析和力学性能均满足技术条件要求。其中实芯气体保护焊丝保护气体为富氩混合气（80%Ar+20%CO2），药芯气体保护焊丝保护气为CO2。

表6 Q345qENH耐候钢用焊材技术要求

表7 焊接材料熔敷金属化学成分

表8 焊接材料熔敷金属力学性能

7 Q345qENH钢板焊接性试验

（1）Q345q E N H钢板焊接热影响区最高硬度试验 对板厚8mm、24mm、36mm、44mm的Q345qENH钢板分别进行焊接热影响区最高硬度试验，试验按照《焊接热影响区最高硬度试验方法》的规定进行，采用CHE507NHQ焊条焊接，焊条直径4mm。焊接热影响区最高硬度曲线如图4～图7所示。

图4 板厚8mm的Q345qENH钢板焊接热影响区最高硬度曲线

图5 板厚24mm的Q345qENH钢板焊接热影响区最高硬度曲线

图6 板厚36mm的Q345qENH钢板焊接热影响区最高硬度曲线

图7 板厚44mm的Q345qENH钢板焊接热影响区最高硬度曲线

由图4～图7可知，板厚8mm、24mm、36mm和44mm的Q345qENH钢板焊接热影响区最高硬度分别为250HV10、266HV10、260HV10和263HV10，远低于350HV10，表明Q345qENH钢板的焊接性良好。

（2）Q345q E N H钢板斜Y坡口焊接裂纹试验 对板厚24m m、36m m、44m m、60m m的Q345qENH钢板分别进行斜Y坡口焊接裂纹试验，参照《焊接性试验 斜Y坡口焊接裂纹试验方法》进行，采用气体保护焊方法焊接，焊接材料为φ1.2mm的CHT71NHQ药芯焊丝。对板厚24mm的钢板不预热，对板厚36mm、44mm和60mm的钢板分别预热80℃、100℃和120℃后进行焊接试验，均没有产生裂纹，焊接参数和试验结果见表9，斜Y坡口焊接裂纹试件如图8所示。

由斜Y坡口焊接裂纹试验结果可以确定Q345qENH钢板防止产生冷裂纹的预热温度（当环境温度≥5℃，环境湿度≤80%时）：板厚≤24mm时不需要预热，板厚＞24～36mm时预热80℃，板厚＞36～44mm时预热100℃，板厚＞44～60mm时预热120℃。

（3）Q345qENH钢板对接焊缝系列温度冲击试验 对板厚组合（36+24）mm、（44+44）mm的Q345qENH钢板对接接头的焊缝金属和热影响区（熔合线外1mm处）进行常温至－60℃系列温度冲击试验，确定Q345qENH钢板对接接头的低温韧脆转变温度ETT50。

表9 Q345qENH钢板斜Y坡口焊接裂纹试验结果

图8 斜Y坡口焊接裂纹试件照片

图9 试板和焊缝坡口尺寸

对接焊缝采用气体保护焊打底和埋弧焊填充的方法焊接，气体保护焊采用C H W-55N H Q1（φ1.2m m）实芯焊丝焊接，埋弧焊采用C H W-55NHQ3（φ4.0mm）焊丝+CHF105NHQ焊剂焊接，对接焊缝焊接参数见表10。

焊接后进行焊缝外观检查，焊缝外观质量满足Q/CR 9211—2015《铁路钢桥制造规范》要求。24h后对焊缝进行超声波检测，焊缝内部质量达到Q/CR 9211—2015 I级要求。之后进行焊缝金属和热影响区常温至－60℃系列温度冲击试验，试验结果见表11，系列温度冲击韧脆转变曲线如图10～图13所示。

由表11和图10～图13可以看出，板厚（36+24）mm的焊缝金属韧脆转变温度ETT50为－45℃，热影响区的韧脆转变温度E T T50低于－60℃；板厚（44+44）mm的焊缝金属和热影响区的韧脆转变温度ETT50均为－50℃。

表10 对接焊缝焊接参数

表11 Q345qENH钢板对接接头系列温度冲击试验结果

图10 板厚（24+36）mm对接接头焊缝金属系列温度冲击韧脆转变曲线

图11 板厚（24+36）mm对接接头热影响区（24mm板侧）系列温度冲击韧脆转变曲线

图12 板厚（44+44）mm对接接头焊缝金属系列温度冲击韧脆转变曲线

图13 板厚（44+44）mm对接接头热影响区系列温度冲击韧脆转变曲线

8 结束语

1）高性能耐候桥梁用Q345qENH钢板化学成分符合GB/T 714—2015《桥梁用结构钢》的规定，力学性能满足设计要求。C、S、P含量和裂纹敏感系数较小，有益于提高钢板的焊接性，耐大气腐蚀指数I≥6.5；钢板的屈强比为0.67～0.85，－40℃冲击吸收能量均＞180J，韧脆转变温度低于－60℃，低温冲击性能优良。厚度方向性能满足GB 5313—2010中最高标准Z35级的要求，抗层状撕裂性能良好。

2）Q345qENH钢板的切割面质量和热矫形温度≤800℃的力学性能合格。

3）Q345qENH钢板焊接热影响区最高硬度低于350H V10；板厚≤24m m时不需要预热，板厚＞24～36m m时预热80℃，板厚＞36～44m m时预热100℃，板厚＞44～60mm时预热120℃，能够防止焊接冷裂纹的产生；埋弧焊对接接头焊缝金属的低温韧脆转变温度ETT50为－45～－60℃，热影响区的低温韧脆转变温度ETT50为－50℃。

4）Q345qENH钢板的综合力学性能、热加工性能和焊接性能优良。