新型高性能桥梁用Q420qENH钢焊接性能的研究

张友建，曲之国，王树国，于 浩

（五矿营口中板有限责任公司，辽宁 营口 115000）

随着我国经济快速发展，桥梁钢用量不断增长,且对应的力学性能要求、抗震性、抗疲劳性以及焊接工艺等方面都在不断的提高标准要求[1-3]。

由于耐候钢加入Cu、Cr、Ni、V等合金元素，在表面形成一层保护膜，从而降低其腐蚀速度[4]，延长寿命周期，降低成本。

为更好地为客户提供相关产品的焊接工艺参，本文将针对五矿营口中板有限责任公司（以下简称营口）生产的Q420qENH钢进行相应的焊接性能研究。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

试验选取营口生产的新型高性能桥梁用钢Q420qENH作为试验钢种，此批次订单规格为10~50 mm厚度，需满足耐候要求同时保证高韧性、低屈强比以及较好的焊接性能是本钢种开发的难点。

通过降低C含量，优化Cu、Cr、Ni等元素含量，降低冷裂纹敏感性，保证焊接性能同时，提高韧性，使该钢具有优异的耐大气腐蚀性能。耐大气腐蚀指数I的控制目标为6.5。成分控制如表1所示，力学性能如表2所示。

表1 Q420qENH钢化学成分 %

表2 Q420qENH钢力学性能

通过优化TMCP工艺，控制铁素体、贝氏体组织转变，得到均匀的铁素体、贝氏体组织，从而提高钢的强度、塑性和韧性。

分析试验用钢板组织，主要是铁素体+贝氏体+少量珠光体，铁素体属于软相，贝氏体和珠光体属于硬相组织，通过软相组织的塑性变形和位错移动，之后硬质相开始形变，可集中应力，推迟局部变形产生，从而保证屈强比，提高抗震性能。其金相组织如图1所示。

图1 金相组织（500×）

本次实验主要采用20 mm和40 mm的钢板进行焊接性能研究。

1.2 焊接材料

本次气保焊实验使用的焊丝为大西洋ER55-1/CHW-55CNH高强度耐候钢气保焊丝。焊丝直径Φ1.2 mm。埋弧焊使用焊材为CHW-SG5Q/SJ102。

2 试验方法及结果分析

2.1 试验内容

2.1.1 焊前试样准备

试验采用埋弧焊和气保焊两种焊接方式，其中20 mm规格采用气保焊，40 mm规格采用埋弧焊和气保焊。

根据工程的实际情况并结合桥梁的接头形式，进行典型焊接接头工艺性能的相关试验。分别采用V型和X型坡口,采用多层多道焊方式焊接。具体坡口及焊接顺序如图2所示。

图2 焊接顺序示意图

试验检验主要为宏观检测、力学性能检测，包括宏观断面酸蚀检验、拉伸、冲击、弯曲、硬度等。

2.1.2 焊接参数设定

对于强度级别为400~700 MPa的低合金高强度钢，其裂纹敏感指数（Pcm、Pc）计算公式为：

式中：δ为板厚，mm；[H]为焊缝金属扩撒氢含量，mL/100 g。

预热温度（T0）:

由以上公式可知，此钢种不用预热。

参考热影响区最高硬度计算公式：

式中：t8/5为焊接热影响区温度从800℃降低到500℃所需时间，依据相关公式计算可得：对应焊接线能量为11 kJ/cm时，t8/5大约为6 s，最大硬度HVmax约为348。因此为保证焊接硬度性能，线能量需大于12 kJ/cm。

依据上述计算结果，气保焊采用电流280 A±10 A，电压31 V±1 V，平均热输入15 kJ/cm。埋弧焊采用电流600 A±50 A，电压30 V±4 V，平均热输入46 kJ/cm。

2.2 焊接结果分析

2.2.1 宏观检测

观察焊缝界面的宏观形貌从图3中可以看出，焊缝及热影响区无可见裂纹、缩松等缺陷。

图3 焊缝截面的宏观形貌

2.2.2 性能检测

对接接头力学性能试验数据见表3。

表3 焊接接头力学性能检验值

低温冲击试验数据见表4。

表4 焊接接头低温（-40℃）冲击检验值 J

采用维氏硬度（HV10:ISO6507）检测不同区域硬度，其中SYG-20最大值为226.6，SYG-40最大值为244.7，均处于热影响区，而SYS-40最大值为243.9，位于焊缝区域,满足要求。

3 结论

1）针对营口生产的Q420qENH钢板，进行气保焊和埋弧焊实验，依据检验结果，在上述实验条件下，焊接性能满足使用要求。

2）采用选定的焊接工艺参数进行焊接，焊缝表面成形良好，经目视检测和无损探伤后未发现明显的焊接缺陷，外观检验、超声波探伤检验、宏观断面检验及接头力学性能试验等检验均合格。

3）焊接接头拉伸试验、弯曲试验和冲击试验的结果表明，焊接接头强度、塑形、韧性、硬度等指标均满足技术要求，且富余量大，安全可靠。