高强度耐候桥梁钢焊接工艺研究

徐向军，刘洪武，常国光，高建忠，范军旗，胡广瑞

1.中铁高新工业股份有限公司 北京 100039

2.中铁山桥集团有限公司 河北秦皇岛 066205

1 序言

帕特洛大桥位于加拿大不列颠哥伦比亚省弗雷泽河上，为主跨332m的单塔结合梁斜拉桥，横断面如图1所示，桥面全宽39.8m，两侧挑臂非机动车道宽5.4m。全桥主梁结构除了塔根位置横梁为箱形结构外，其余均为工形钢板梁，包括长530.13m的主桥、长241.07m的北引桥和长463.7m的南引桥索塔，总重量约1.3万t，采用符合美标ASTM A709/A709M：2011《桥梁用结构钢》的耐候钢，大部分钢板为HPS485W高强度耐候钢，强度等级为屈服强度≥485MPa，最大板厚为100mm。制造标准符合加拿大标准CSA W47.1：2019《钢熔焊公司认证》和CSA W59：2018《焊接钢结构》。

图1 帕特洛大桥横断面

美标ASTM A709/A709M：2011中HPS485W高强度耐候钢对应国标GB/T 714—2015《桥梁用结构钢》中的Q500qENH耐候钢。Q500qENH与HPS485W耐候钢化学成分见表1，力学性能要求见表2[1]。因为Q500qENH耐候钢在国内还没有广泛应用，所以为了保证焊接质量，与国内某钢厂联合进行了Q500qENH耐候钢开发试验研究。

表1 HPS485W与Q500qENH耐候钢化学成分（质量分数） （%）

表2 HPS485W与Q500qENH耐候钢力学性能

2 Q500qENH钢板母材试验结果

某钢厂采用TMCP＋回火工艺生产了Q500qENH/H P S485W钢板（以下简称Q500q E N H），对板厚16m m、25m m、51m m、60m m和100m m的Q500qENH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3、表4。

表3 Q500qENH钢板

表4 Q500qENH钢板力学性能

从表3可看出，钢板均符合美标ASTM A709/A709M：2011中高强度耐候钢H P S485W和国标GB/T 714—2015中的Q500qENH耐候钢规定，其中wC＝0.06%～0.08%，wP＝0.008%～0.018%，wS＝0.001%～0.003%，裂纹敏感系数Pcm＝0.20%～0.22%。从钢板的化学成分看，C、S、P的含量、裂纹敏感系数均较小，有益于提高钢板的焊接性。钢板的耐大气腐蚀指数I为6.6～6.8，化学成分和耐候性满足ASTM A709/A709M：2011和GB/T 714—2015的要求。

从表4可看出，耐候桥梁钢的力学性能均满足美标ASTM A709/A709M：2011中HPS485W高强度耐候钢和国标GB/T 714—2015中Q500qENH耐候钢规定[2]，屈强比均≤0.86，－40℃低温冲击吸收能量均＞190J，断口纤维率≥85%，具有较高的韧性储备。厚度方向性能均满足GB/T 5313—2010《厚度方向性能钢板》中最高标准Z35级的要求，抗层状撕裂性能良好。

3 Q500qENH钢板系列温度冲击试验

对板厚为16mm、25mm、60mm和100mm的Q500qENH耐候桥梁钢进行室温、0℃、－20℃、－40℃、－60℃、－80℃的系列温度冲击试验，结果见表5，并绘制了韧脆转变曲线，典型韧脆转变曲线如图2～图5所示。

表5 Q500qENH钢板系列温度冲击试验结果

图2 板厚16mm的Q500qENH钢板系列温度冲击韧脆转曲线

图3 板厚25mm的Q500qENH钢板系列温度冲击韧脆转曲线

图4 板厚60mm的Q500qENH钢板系列温度冲击韧脆转曲线

图5 板厚100mm的Q500qENH钢板系列温度冲击韧脆转曲线

由表5 和图2 ～图5 可得出，板厚1 6 m m、25mm、60mm的Q500qENH钢板低温韧脆转变温度ETT50为－70℃。板厚100mm的Q500qENH钢板低温韧脆转变温度ETT50为－60℃。

4 Q500qENH钢板焊接性试验

（1）Q500qENH钢板焊接热影响区最高硬度试验 对板厚16mm、25mm、51mm、60mm和100mm的Q500qENH钢板分别进行焊接热影响区最高硬度试验，采用J607NiCrCu焊条焊接，焊条直径4mm。焊接热影响区硬度试验结果见表6。

表6 Q500qENH钢板焊接热影响区硬度试验结果

由表6可知，板厚16m m、25m m、51m m、60mm和100mm的Q500qENH钢板焊接热影响区最高硬度分别为288HV10、306HV10、318HV10、320H V10、325H V10，均低于350H V10，表明Q500qENH钢板的焊接性良好。

（2）Q500q E N H钢板斜Y形坡口焊接裂纹试验 对板厚25mm、51mm、60mm、100mm的Q500qENH钢板分别进行斜Y形坡口焊接裂纹试验，采用焊条电弧焊方法焊接，焊接材料为直径4mm的J607NiCrCu焊条。对板厚25mm的钢板不预热，板厚51mm的钢板预热80℃，板厚60mm的钢板预热100℃，板厚100mm的钢板预热120℃，均没有产生裂纹，焊接参数见表7，焊接裂纹试件如图6所示。

图6 典型斜Y形坡口焊接裂纹试件

由斜Y 形坡口焊接裂纹试验结果可以确定Q500qENH钢板焊接预热温度（当环境温度≥5℃，环境湿度≤80%时）：板厚≤25mm时不需要预热，板厚＞25～51mm时预热80℃，板厚＞51～60mm时预热100℃，板厚＞60～100mm时预热120℃。

（3）Q500qENH钢板对接焊缝系列温度冲击试验 对板厚组合25mm＋25mm、60mm＋60mm的Q500qENH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Q500qENH钢板对接接头的低温韧脆转变温度ETT50。对接焊缝采用气体保护焊打底和埋弧焊填充的方法焊接，气体保护焊采用直径1.2mm的HTW-62GNH实芯焊丝焊接，埋弧焊采用直径5mm的JQ.MH62NH焊丝＋JQ.SJ105NH焊剂焊接，焊接材料、焊接位置和焊缝坡口尺寸见表8，焊接参数见表9。

表8 对接焊缝系列冲击试板和焊缝坡口尺寸

表9 对接焊缝施焊状况及焊接参数

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《铁路钢桥制造规范》I级要求。之后进行焊缝金属和热影响区常温至－80℃系列温度冲击试验，结果见表10，系列温度冲击韧脆转变曲线如图7～图10所示。

表10 Q500qENH钢板对接接头系列温度冲击试验结果

图7 板厚25mm＋25mm对接接头焊缝金属系列温度冲击韧脆转变曲线

图8 板厚25mm＋25mm对接接头热影响区系列温度冲击韧脆转变曲线

图10 板厚60mm＋60mm对接接头热影响区系列温度冲击韧脆转变曲线

由表10和图7～图10可得，板厚25mm＋25mm的焊缝金属和热影响区的韧脆转变温度ETT50为－50℃；板厚60mm＋60mm的焊缝金属韧脆转变温度ETT50为－55℃，热影响区的韧脆转变温度ETT50为－45℃[3，4]。

5 焊接工艺评定试验

针对加拿大帕特洛大桥钢结构典型焊缝，采用Q500qENH高强度耐候桥梁钢进行焊接工艺评定试验，实芯焊丝气体保护焊采用直径1.2mm的HTW-62GNH焊丝焊接，药芯焊丝气体保护焊采用直径1.2mm的JQ.YJ621NiCrCu-1焊丝焊接，埋弧焊采用直径5mm的JQ.MH62NH焊丝＋JQ.SJ105NH焊剂焊接，试板材质、接头板厚组合、坡口尺寸、焊接参数见表11[5]。

表11 试板板厚组合、坡口尺寸、焊接参数

试件焊接24h后进行焊缝外观检查，焊缝外观质量符合Q/CR 9211—2015规定。焊接48h后进行超声波检测，对接焊缝和全熔透角焊缝符合Q/CR 9211—2015规定I级合格，T形角焊缝符合Q/CR 9211—2015 规定Ⅱ级合格。之后进行接头力学性能、接头硬度和焊缝金属成分分析试验，结果见表12[6，7]。

表12 接头力学性能、接头硬度和焊缝金属成分分析试验

按照Q/CR 9211—2015和CSA W47.1：2019、CSA W59：2018的规定进行接头性能评定。由表12可看出，各种接头的焊缝强度和塑性均高于母材标准值，对接接头的弯曲试验结果均为合格，表明焊接接头的塑性良好；对接焊缝和熔透角焊缝的－40℃低温冲击试验结果均大于Q/CR 9211—2015的规定（≥54J）和CSA W47.1：2019的规定（≥27J）；接头各区的硬度均低于380HV10。通过焊缝金属化学成分计算耐候指数为6.94～7.43，均大于母材耐候指数（6.6～6.8），满足技术要求。

6 结束语

1）新开发的Q500qENH/HPS485W高强度耐候桥梁钢板化学成分和力学性能均符合美标ASTM A709/A709M：2011中HPS485W高强度耐候钢和国标GB/T 714—2015中Q500qENH耐候钢规定，耐大气腐蚀指数I为6.6～6.8，C、S、P含量与碳当量较低，裂纹敏感系数Pcm较小，有益于提高钢板的焊接性。钢板的抗拉强度、塑性均满足设计要求，屈强比≤0.86，－40℃冲击吸收能量均＞190J，韧脆转变温度低于－60℃，低温冲击韧度优良。厚度方向性能满足Z35级的要求，抗层状撕裂性能良好。采用TMCP＋回火工艺生产的Q500qENH高强度耐候桥梁钢板的综合力学性能优良。

2）Q500qENH/HPS485W钢板焊接热影响区最高硬度≤350HV10；板厚≤25mm的钢板不预热，板厚≥25～51mm时预热80℃，板厚≥51～60mm时预热100℃，板厚＞60～100mm时预热120℃，能够防止焊接裂纹的产生；埋弧焊对接接头的低温韧脆转变温度＜－40℃。

3）Q500qENH/HPS485W钢板典型接头焊接工艺评定试验结果表明，接头力学性能及焊缝金属的耐腐蚀指数全部满足Q/CR 9211—2015、CSA W47.1：2019和CSA W59：2018的规定，焊接材料与母材相匹配，焊接参数合适，可作为编制加拿大帕特洛大桥焊接工艺的依据。