耐候钢Q345qENH、Q420qENH的焊接工艺试验

2022-08-24潘光清

现代制造技术与装备 2022年7期

潘光清

（中国水利水电夹江水工机械有限公司，乐山 614100）

1 工程概况

藏木雅鲁藏布江特大桥为430 m跨中承式钢管拱桥，海拔3 100 m。全桥质量为12 800 t，材质为Q420qENH和Q345qENH，板厚为24～52 mm。其中，主拱圈为全焊接结构，上下拱圈通过腹杆高栓连接。全桥免涂装，建成后尚属国内最大跨径的钢管拱桥，且在国内首次采用了免涂装工艺。拱桥焊接接头主要有对接接头、全熔透角接接头、坡口角接接头和T形角焊缝等。

2 耐候钢的主要性能

耐候钢主要通过添加少量的合金元素如Cu、P、Cr、Ni等，使其在金属基本表面上形成保护层，以提高耐大气腐蚀性[1]。但是，随着P含量的提高，P与Fe易形成低熔点共晶体Fe3P，减弱了晶粒间的结合力，增加了焊缝金属的冷脆性，即冲击韧度降低，焊接时易出现裂纹现象。

耐大气腐蚀指数。根据《耐候结构钢》（GB/T 4171—2008）标准附录D“评估低合金钢钢耐大气腐蚀性指南”：耐大气腐蚀指数I=26.01（%Cu）+3.88（%Ni）+1.20（%Cr）+1.49（%Si）+17.28（%P）-7.29（%Cu）（%Ni）-9.10（%Ni）（%P）-33.39（%Cu）2，其中0.012%≤CCu≤0.510%，0.05%≤CNi≤1.10%，0.10% ≤CCr≤ 1.30%，CSi≤ 0.64%，0.01% ≤CP≤0.12%。需要注意：①I指数越大，耐候性能越好；②耐候钢桥一般按普通I≥6.0或高性能I≥6.5两个等级选材。

对Q345qENH和Q420qENH两种材质进行化学成分和力学性能复验，复验数值见表1和表2。表2中：d为弯心直径，mm；a为试样厚度，mm。根据复验结果可知，这两种材质的耐大气腐蚀指数I均大于6.0，满足耐大气腐蚀的条件。

表1 Q345qENH和Q420qENH的母材化学成分单位：%

表2 Q345qENH和Q420qENH的力学性能

3 焊接材料的选用

藏木雅鲁藏布江特大桥焊接结构为全桥免涂装。除母材本体具有耐大气腐蚀性能外，焊接材料的熔敷金属也应具有耐大气腐蚀性能。因此，选择焊接材料时，除应保证焊缝金属的力学性能高于或等于母材规定的限值外，还应保证其耐大气腐蚀指数I≥6.0。

为减少焊接过程中Cu、Cr、Ni等合金元素的烧损，熔化极气体保护焊的气体选用富氩混合气体，体积比为80%Ar+20%CO2。

承受一定拉应力的桥梁结构，尤其在低温和温差变化较大的工作环境下，为防止脆性断裂，材料应具有较高的低温冲击韧性。为改善焊缝的韧性，提高焊缝的韧强比，选择S、P、C质量分数较低的焊接材料。

Q345qENH、Q420qENH焊接材料按照《熔化极气体保护电弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝》（GB/T 8110—2020）、《埋弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝、药性焊丝和焊丝-焊剂组合分类要求》（GB/T 5293—2018）进行选择，拟选用焊接材料见表3。

表3 Q345qENH、Q420qENH焊接拟选用焊接材料

4 焊接材料入厂复验

根据公司对特殊材料入厂前均需复验的要求，拟选的焊接材料均需按《熔化极气体保护电弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝》（GB/T 8110—2020）、《埋弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝、药性焊丝和焊丝-焊剂组合分类要求》（GB/T 5293—2018）、标准进行化学成分和力学性能复验。结合生产实际情况，先对E55 A 3 U M21 S6、S 55 A 2 FB-SU34两种焊丝进行复验，数值见表4和表5。

表4 焊缝熔敷金属化学成分单位：%

表5 熔敷金属的力学性能

5 焊接工艺评定

该工程钢管拱桥焊接接头主要有对接接头、全熔透角接接头、坡口角接接头和T形角焊缝。为保证各种焊接接头的各项力学性能达到设计图和相关标准的要求[2]，依据《铁路钢桥制作规范——附录C》（Q/CR 9211—2015）进行焊接工艺评定。

焊接工艺评定过程控制如下。

（1）施焊环境温度不应低于5 ℃，空气相对湿度不应高于80%。当相对湿度高于80%时，焊前应用烤枪对焊区进行烘烤除湿[3]。

（2）试板板厚不小于30 mm时，焊前预热80～120 ℃。在整个焊接过程中，道间温度不应低于预热温度，预热范围为3倍板厚且不小于100 mm。测温点的位置为距离焊缝4倍板厚且不大于50 mm。

（3）焊剂、焊条必须按产品说明书烘干使用，焊剂中的脏物、焊丝上的油锈等必须清除干净，焊条、焊剂在空气中暴露时间不宜超过2 h。

（4）焊接前清除焊接区的锈尘。多道焊时应将前道熔渣清除干净，并经检查确认无裂纹等缺陷后再继续施焊。

（5）采用多层多道焊。每层的焊接厚度一般为3～4 mm，盖面时多道盖面。

（6）焊缝清根采用碳弧气刨，但需用砂轮修磨坡口表面的渗碳层。

（7）试板焊接变形的矫正方法采用火焰矫正，加热温度为700～800 ℃。矫正方式主要为点状矫正，冷却方式为自然冷却，严禁浇水快速冷却[4]。

该桥梁耐候钢材料的板厚范围为24～52 mm。结合生产实际情况，先拟定以下焊接工艺评定，试板按《焊接接头冲击试验方法》（GB/T 2650—2008）[5]、《焊接接头硬度试验方法》（GB/T 2654—2008）[6]进行取样试验，结果见表6，各项性能指标均符合要求。

表6 焊接工艺评定试验数据

焊接工艺评定合格标准：①拉伸试验（屈服、抗拉、伸长率）不低于母材标准值为合格；②弯曲试验，受拉面上的裂纹总长度不大于试样宽度的15%且单个裂纹长度不大于3 mm为合格；③冲击试验（对接焊缝和熔透角焊缝）要求Q345qENH不小于34 J，Q370qENH不小于41 J，Q420qENH不小于47 J。此外，当板厚为不大于20 mm的薄板，接头冲击功规定值为27 J。