耐候鋼Q345qENH、Q420qENH的焊接工藝試驗(yàn)

潘光清

（中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，樂山 614100）

1 工程概況

藏木雅魯藏布江特大橋?yàn)?30 m跨中承式鋼管拱橋，海拔3 100 m。全橋質(zhì)量為12 800 t，材質(zhì)為Q420qENH和Q345qENH，板厚為24～52 mm。其中，主拱圈為全焊接結(jié)構(gòu)，上下拱圈通過腹桿高栓連接。全橋免涂裝，建成后尚屬國內(nèi)最大跨徑的鋼管拱橋，且在國內(nèi)首次采用了免涂裝工藝。拱橋焊接接頭主要有對(duì)接接頭、全熔透角接接頭、坡口角接接頭和T形角焊縫等。

2 耐候鋼的主要性能

耐候鋼主要通過添加少量的合金元素如Cu、P、Cr、Ni等，使其在金屬基本表面上形成保護(hù)層，以提高耐大氣腐蝕性[1]。但是，隨著P含量的提高，P與Fe易形成低熔點(diǎn)共晶體Fe3P，減弱了晶粒間的結(jié)合力，增加了焊縫金屬的冷脆性，即沖擊韌度降低，焊接時(shí)易出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

耐大氣腐蝕指數(shù)。根據(jù)《耐候結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 4171—2008）標(biāo)準(zhǔn)附錄D“評(píng)估低合金鋼鋼耐大氣腐蝕性指南”：耐大氣腐蝕指數(shù)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指數(shù)越大，耐候性能越好；②耐候鋼橋一般按普通I≥6.0或高性能I≥6.5兩個(gè)等級(jí)選材。

對(duì)Q345qENH和Q420qENH兩種材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)數(shù)值見表1和表2。表2中：d為彎心直徑，mm；a為試樣厚度，mm。根據(jù)復(fù)驗(yàn)結(jié)果可知，這兩種材質(zhì)的耐大氣腐蝕指數(shù)I均大于6.0，滿足耐大氣腐蝕的條件。

表1 Q345qENH和Q420qENH的母材化學(xué)成分 單位：%

表2 Q345qENH和Q420qENH的力學(xué)性能

3 焊接材料的選用

藏木雅魯藏布江特大橋焊接結(jié)構(gòu)為全橋免涂裝。除母材本體具有耐大氣腐蝕性能外，焊接材料的熔敷金屬也應(yīng)具有耐大氣腐蝕性能。因此，選擇焊接材料時(shí)，除應(yīng)保證焊縫金屬的力學(xué)性能高于或等于母材規(guī)定的限值外，還應(yīng)保證其耐大氣腐蝕指數(shù)I≥6.0。

為減少焊接過程中Cu、Cr、Ni等合金元素的燒損，熔化極氣體保護(hù)焊的氣體選用富氬混合氣體，體積比為80%Ar+20%CO2。

承受一定拉應(yīng)力的橋梁結(jié)構(gòu)，尤其在低溫和溫差變化較大的工作環(huán)境下，為防止脆性斷裂，材料應(yīng)具有較高的低溫沖擊韌性。為改善焊縫的韌性，提高焊縫的韌強(qiáng)比，選擇S、P、C質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的焊接材料。

Q345qENH、Q420qENH焊接材料按照《熔化極氣體保護(hù)電弧焊用非合金鋼及細(xì)晶粒鋼實(shí)心焊絲》（GB/T 8110—2020）、《埋弧焊用非合金鋼及細(xì)晶粒鋼實(shí)心焊絲、藥性焊絲和焊絲-焊劑組合分類要求》（GB/T 5293—2018）進(jìn)行選擇，擬選用焊接材料見表3。

表3 Q345qENH、Q420qENH焊接擬選用焊接材料

4 焊接材料入廠復(fù)驗(yàn)

根據(jù)公司對(duì)特殊材料入廠前均需復(fù)驗(yàn)的要求，擬選的焊接材料均需按《熔化極氣體保護(hù)電弧焊用非合金鋼及細(xì)晶粒鋼實(shí)心焊絲》（GB/T 8110—2020）、《埋弧焊用非合金鋼及細(xì)晶粒鋼實(shí)心焊絲、藥性焊絲和焊絲-焊劑組合分類要求》（GB/T 5293—2018）、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，先對(duì)E55 A 3 U M21 S6、S 55 A 2 FB-SU34兩種焊絲進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，數(shù)值見表4和表5。

表4 焊縫熔敷金屬化學(xué)成分 單位：%

表5 熔敷金屬的力學(xué)性能

5 焊接工藝評(píng)定

該工程鋼管拱橋焊接接頭主要有對(duì)接接頭、全熔透角接接頭、坡口角接接頭和T形角焊縫。為保證各種焊接接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)到設(shè)計(jì)圖和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]，依據(jù)《鐵路鋼橋制作規(guī)范——附錄C》（Q/CR 9211—2015）進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

焊接工藝評(píng)定過程控制如下。

（1）施焊環(huán)境溫度不應(yīng)低于5 ℃，空氣相對(duì)濕度不應(yīng)高于80%。當(dāng)相對(duì)濕度高于80%時(shí)，焊前應(yīng)用烤槍對(duì)焊區(qū)進(jìn)行烘烤除濕[3]。

（2）試板板厚不小于30 mm時(shí)，焊前預(yù)熱80～120 ℃。在整個(gè)焊接過程中，道間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度，預(yù)熱范圍為3倍板厚且不小于100 mm。測溫點(diǎn)的位置為距離焊縫4倍板厚且不大于50 mm。

（3）焊劑、焊條必須按產(chǎn)品說明書烘干使用，焊劑中的臟物、焊絲上的油銹等必須清除干凈，焊條、焊劑在空氣中暴露時(shí)間不宜超過2 h。

（4）焊接前清除焊接區(qū)的銹塵。多道焊時(shí)應(yīng)將前道熔渣清除干凈，并經(jīng)檢查確認(rèn)無裂紋等缺陷后再繼續(xù)施焊。

（5）采用多層多道焊。每層的焊接厚度一般為3～4 mm，蓋面時(shí)多道蓋面。

（6）焊縫清根采用碳弧氣刨，但需用砂輪修磨坡口表面的滲碳層。

（7）試板焊接變形的矯正方法采用火焰矯正，加熱溫度為700～800 ℃。矯正方式主要為點(diǎn)狀矯正，冷卻方式為自然冷卻，嚴(yán)禁澆水快速冷卻[4]。

該橋梁耐候鋼材料的板厚范圍為24～52 mm。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，先擬定以下焊接工藝評(píng)定，試板按《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》（GB/T 2650—2008）[5]、《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》（GB/T 2654—2008）[6]進(jìn)行取樣試驗(yàn)，結(jié)果見表6，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求。

表6 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

焊接工藝評(píng)定合格標(biāo)準(zhǔn)：①拉伸試驗(yàn)（屈服、抗拉、伸長率）不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值為合格；②彎曲試驗(yàn)，受拉面上的裂紋總長度不大于試樣寬度的15%且單個(gè)裂紋長度不大于3 mm為合格；③沖擊試驗(yàn)（對(duì)接焊縫和熔透角焊縫）要求Q345qENH不小于34 J，Q370qENH不小于41 J，Q420qENH不小于47 J。此外，當(dāng)板厚為不大于20 mm的薄板，接頭沖擊功規(guī)定值為27 J。

6 結(jié)語

選用TH550-NQ-Ⅱ和TH550-NQ-Ⅲ焊絲焊接耐候鋼Q420qENH，焊接接頭的力學(xué)性能（拉伸、彎曲、沖擊）均符合相應(yīng)的技術(shù)要求，且具有良好的焊接工藝性。試驗(yàn)表明，兩種焊接材料具有較好的抗裂性能，焊縫未出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。