500 MPa級高性能橋梁鋼板的焊接性研究

周蘭聚，侯東華，賈慧領，王福同

（山鋼股份濟南分公司，山東濟南 250101）

試驗研究

500 MPa級高性能橋梁鋼板的焊接性研究

周蘭聚，侯東華，賈慧領，王福同

（山鋼股份濟南分公司，山東濟南 250101）

結合焊接性理論分析，對500 MPa級高性能橋梁鋼板開展了焊接熱影響區最高硬度、斜Y坡口焊接裂紋和對接接頭系列溫度沖擊試驗研究。試驗結果表明，試驗鋼的碳當量CEV為0.44%，Pcm為18%，在室溫下焊接熱影響區最高硬度為274 HV10，淬硬傾向??；采用焊條電弧焊和氣體保護焊時，板厚≤32 mm時不需要預熱；板厚＞32～60 mm時需要預熱80℃；焊接熱影響區的ETT50達到-60℃，具有良好的低溫沖擊韌性。試驗鋼板焊接性良好，可應用于高性能橋梁的建設。

高性能鋼；焊接性；裂紋敏感指數；淬硬性

1 前言

為滿足大型橋梁鋼結構輕量化、安全、長壽要求，國內外材料工作者提出高性能鋼（High Performance Steel—HPS）的概念。高性能鋼材主要是指材料的某項或幾項性能較傳統鋼材得到明顯改善的鋼材，除了具備較高強度外，鋼材的焊接性能、低溫韌性，尤其是耐腐蝕性能有較大幅度提高。近年來，橋梁用高性能鋼已成為國際鋼鐵材料研究開發的熱點，如美國ASTM709中的HPS-70W鋼、HPS-100W和日本新日鐵公司BHS500、BHS700W系列高強度鋼等在國際上得到了較為廣泛的應用［1］。京滬高鐵南京大勝關長江大橋采用420 MPa級橋梁鋼，屈服強度500 MPa級橋梁鋼設計應用的前期工作還在進行中，其焊接性是業界關注的焦點［2］。本研究對該級別材料的焊接性進行了系統分析。

2 試驗材料與試驗方案

以GB 417—2008《橋梁用結構鋼》為基礎，結合工程技術要求，低碳成分設計，添加Cu、Ni、Cr、Mo等提高耐候性和淬透性合金元素，采用Nb、Ti微合金化，配合TMCP軋制工藝，試制Q500q鋼板的化學成分見表1。試驗用鋼板厚度分別為32 mm、60 mm，TMCP狀態，金相組織為針狀鐵素體。常規力學性能見表2。

表1 Q500q鋼化學成分（質量分數）%

根據橋梁工程設計和鋼板加工焊接要求，對厚度32 mm、60 mm的Q500q鋼板進行CO2氣體保護焊（MAG）和手工電弧焊（MAW）兩種方法的焊接熱影響區最高硬度試驗、斜Y坡口CO2氣體保護焊和埋弧自動焊焊接裂紋試驗、埋弧自動焊對接接頭系列溫度沖擊試驗，利用經驗公式對該鋼板的焊接性進行理論分析，以指導工程設計和實際焊接工藝。CO2氣體保護焊采用藥芯焊絲YCJ601Ni-QL（Φ 1.2），手工電弧焊采用CJ607Q（Φ4）焊條，埋弧自動焊采用MCJ-60QL（Φ4）+SJ105q。

表2 Q500q鋼板力學性能

3 試驗結果及分析

3.1 鋼板焊接性的理論計算

3.1.1 碳當量計算

為確保按ASTM G101-4計算的耐腐蝕指數I≥6.0，該鋼采用了耐候性成分設計。通常用碳當量來評價鋼的淬硬性傾向及焊接性，橋梁界廣泛應用國家焊接學會(IIW)推薦的公式，計算的試驗鋼板CEV為0.44%，一般認為CEV≤0.45%，鋼板焊接性良好。其中：

3.1.2 焊接裂紋敏感組分

對于碳含量＜0.15%的鋼種，采用日本依藤(IIO)冷裂紋敏感性指數Pcm來評價鋼的抗冷裂紋能力更為準確，其計算公式如下：

試驗鋼按上式計算的Pcm為0.18%。按日本焊接協會標準W ES3009《低焊接裂紋敏感性高強度》規定，當Pcm≤0.20%時，焊前不預熱或低預熱即可防止根部裂紋，鋼板的抗冷裂紋能力優異，焊接性良好。

3.2 焊接熱影響區最高硬度試驗

分別采用手工電弧焊、CO2氣體保護焊兩種焊接工藝，對厚度32 mm和60 mm的Q500q鋼板按照《焊接熱影響區最高硬度試驗方法》（GB4 675.5—1984）的規定進行焊接熱影響區（HAZ）最高硬度試驗，試驗結果見圖1、圖2。

圖1 32mm厚鋼板HAZ最高硬度曲線

圖2 60mm厚鋼板HAZ最高硬度曲線

在室溫條件下，板厚32 mm和60 mm的Q500q鋼板采用氣體保護焊熱影響區最高硬度分別為260 HV10和274 HV10；采用焊條電弧焊熱影響區最高硬度分別為267 HV10和246 HV10，均低于350 HV10，鋼板淬硬傾向小。

3.3 斜Y坡口焊接裂紋試驗

按照《焊接性試驗斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》（GB 4675.1—1984），對板厚32 mm的鋼板不預熱，對板厚60 mm的鋼板不預熱和預熱80℃分別進行焊接試驗，試驗結果見表3。

表3 斜Y坡口焊接裂紋試驗結果

試驗結果表明，板厚32 mm的鋼板不預熱，采用藥芯氣體保護焊和采用焊條電弧焊均無裂紋；板厚60 mm的鋼板不預熱，兩種焊接方法試樣都發現斷面裂紋；預熱80℃兩種焊接方法均無裂紋?？梢?，當采用焊條電弧焊和氣體保護焊時，板厚≤32 mm時不需要預熱；板厚＞32～60 mm時需要預熱80℃。

3.4 對接接頭系列沖擊試驗

對接焊縫采用氣體保護焊打底和埋弧自動焊填充的方法焊接，32 mm+32 mm鋼板焊接熱輸入量在27 kJ/cm左右，60 mm＋60 mm鋼板焊接熱輸入在40 kJ/cm左右。對對接接頭的焊縫金屬和熱影響區（熔合線外1 mm處）進行系列溫度沖擊試驗，每套沖擊3個試樣，取平均值，獲得對接接頭系列溫度沖擊值，具體見圖3、圖4。

圖3 32mm＋32 mm對接接頭系列溫度沖擊趨勢

圖4 60mm＋60 mm對接接頭系列溫度沖擊趨勢

采用沖擊吸收功上下平臺區間50%所對應的溫度ETT50作為韌脆轉變溫度，板厚32 mm、60 mm的Q500q鋼板對接接頭的焊縫金屬ETT50為-45℃，熱影響區ETT50為-60℃。

3.5 結果分析

試驗結果表明，試驗鋼板不但具有良好強塑韌性，還具有良好的焊接性，實物Pcm值僅為18%、CEV值僅為0.44%，焊接裂紋敏感性較低。在室溫條件下，板厚32 mm和60 mm的Q500q鋼板MAG、MAW工藝下焊熱影響區最高硬度為274 HV10，遠低于350 HV10，鋼板淬硬傾向小。斜Y坡口試驗結果進一步證明鋼板冷裂紋敏感性低，板厚≤32 mm時不需要預熱焊接，板厚＞32～60 mm時預熱80℃即可完全避免冷裂紋的產生。

圖5、圖6為鋼板對接接頭熔合線附近金相組織，左側部分為粗晶區組織，右側部分為焊縫組織。無論32 mm還是60 mm厚鋼板粗晶區組織均以未過分長大的貝氏體為主，從而保證了熱影響區良好的韌性，而焊縫金屬主要為細小的針狀鐵素體組織，先共析鐵素體組織較少從而使焊縫具有優良的低溫沖擊韌性。試驗用500 MPa級鋼板組織是致密的針狀鐵素體組織，由于采用了較低的碳含量和碳當量的成分，并具有合理的Cr、Mo、Ni等淬透性元素的合理調配，在焊接熱循環過程中，鋼中一些微合金化元素的析出物可以釘扎晶界抑制組織長大［3］，可以在較寬泛的熱數量范圍內獲得相對細小的貝氏體組織，從而獲得了較為理想的沖擊韌性，熱影響區的ETT50可達到-60℃。

圖5 32mm厚鋼板對接接頭熔合線附近組織

圖6 60mm厚鋼板對接接頭熔合線附近組織

4 結論

4.1 試驗鋼的碳當量CEV為0.44%、冷裂紋敏感性指數Pcm為18%，在室溫下焊接熱影響區最高硬度為274 HV10，淬硬傾向小，焊接性能優良。

4.2 當采用焊條電弧焊和氣體保護焊時，板厚≤32 mm時不需要預熱；板厚＞32～60 mm時預熱80℃，即可完全防止冷裂紋的產生。

4.3 焊接熱影響區韌脆轉變溫度ETT50達到-60℃，具有良好的低溫沖擊韌性。這是因為試驗鋼所具有的低碳成分設計和針狀鐵素體組織，能夠保證較寬泛的熱輸入量范圍內可獲得相對細小的貝氏體組織。

［1］NISHIMURA Kimihiro,MATSUI kazuyuki,TSUMURA Naoyoshi.High Performance Steel Plates for Bridge Construction-High Strength Steel Plates with Excellent Weldability Realizing Advanced Design for Rationalized Fabrication of Bridges［J］.JFE TECHNICAL REPORT，2005，5：30.

［2］胡曉萍，溫東輝，李自剛.高性能橋梁用鋼的發展［J］.材料熱處理技術，2008，37（22）：92.

［3］亓效剛，陳茂愛，陳俊華，等.Ti-Nb微合金鋼種第二相粒子對CGHAZ組織及韌性的影響［J］.機械工程學報，2005，41（6）：86-92.

Study on the Weldability of Grade 500 MPa High Performance
Steel Plate for Bridges

ZHOU Lanju,HOU Donghua,JIA Huiling,WANG Futong

（The Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

Based on the weldability theoretical analyzing，the maximum hardness of welding heat-affected zone(HAZ)，small Y type cracking and butt welded joint series temperature impact of 500 MPa high performance steel were tested.The results showed,when the carbon equivalent CEV and Pcm of test steel are 0.44 and 0.18 percent,the maximum hardness of HAZ under room temperature is 274 HV10,when the thickness of steel plate is less than or equal to 32 mm,no preheating process is needed,else when more than 32 mm but less than 60 mm,the preheating process is necessary and preheating temperature is 80℃.The ductility brittleness transition temperature ETT50 of HAZ achieve at-60℃，which shows the toughness is very well.By mentioned above,that weldability of test steel plate perform well，the test steel can be used in construction of high performance bridges.

high performance steel;weldability;crack sensitive index;hardenability

TG457.11

A

1004-4620（2015）01-0026-03

2014-06-20

周蘭聚，男，1968年生，1989年畢業于華東冶金學院鋼鐵冶金專業；2006年畢業于山東大學材料工程專業，工程碩士?，F為山鋼股份濟南分公司用戶應用技術中心高級工程師，從事煉鋼工藝技術和新產品開發工作。