Q500qENH高性能耐候鋼在高架橋工程焊接技術(shù)與應(yīng)用

周磊, 吳小燕 , 馬軍偉 , 孫彬強(qiáng) , 舒羅生

(1.甘肅省建設(shè)投資(控股)集團(tuán)有限公司 ,蘭州 730050；2.甘肅建投科技研發(fā)有限公司，蘭州 730050；3.甘肅一安建設(shè)科技集團(tuán)有限公司，蘭州 730060)

0 前言

高性能耐候鋼作為一種兼顧強(qiáng)度、可焊性和耐腐蝕性的新型結(jié)構(gòu)鋼，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究工作，并應(yīng)用于工程建設(shè)中。高性能耐候鋼中添加的合金元素，可使鋼材表面與空氣接觸形成致密銹層，顯著降低鋼的腐蝕速率及鋼材腐蝕造成的損失；在橋梁領(lǐng)域使用高性能耐候鋼，可取消或部分取消涂裝作業(yè)，顯著減少橋梁結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)和維修費(fèi)用，能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

G109線改擴(kuò)建工程鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目，其管翼緣組合橋梁(51 m+61 m+51 m)下翼緣板首次采用了Q500qENH高性能耐候鋼，其余部位采用Q345qENH耐候鋼。由于高性能耐候鋼碳當(dāng)量相對較高，可焊性較差，工程又已進(jìn)入冬期施工，使高性能耐候鋼現(xiàn)場焊接難度進(jìn)一步加大，文中基于G109線改擴(kuò)建工程鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目，對高性能耐候鋼在高架橋鋼結(jié)構(gòu)工程中焊接技術(shù)進(jìn)行了研究和總結(jié)，以期為類似項(xiàng)目的焊接施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 高性能耐候鋼橋梁的工程應(yīng)用

G109線(忠和傅家窯立交至八里灣)改擴(kuò)建工程K9+895～K10+058高架橋?yàn)槿?51 m+61 m+51 m)管翼緣組合梁橋，橋長163 m。為了不影響連霍高速橋梁凈空和正常通行要求，首次采用Q500qENH高性能耐候鋼來降低梁高；高架橋下部結(jié)構(gòu)采用鋼箱門式框架，主墩蓋梁跨徑為30 m；主橋上部采用6片焊接方管翼緣組合梁作為主梁，管翼緣組合梁結(jié)構(gòu)通過減小腹板的高度，從而避免了腹板長細(xì)比過大在設(shè)計(jì)中引起的失穩(wěn)問題，提高了組合梁的剛度和穩(wěn)定性[3]。工程工期緊、任務(wù)重，質(zhì)量等級要求高，為了確保施工的安全、質(zhì)量和工期要求，順利地完成此項(xiàng)施工任務(wù),對高性能耐候鋼的焊接性能研究意義重大。近年來，對耐候鋼橋梁的技術(shù)研發(fā)已逐漸成為熱點(diǎn)，國內(nèi)已有多座耐候鋼建造的橋梁，如表1所示[4-6]。

表1 中國耐候鋼橋梁匯總

2 高性能耐候鋼焊接技術(shù)

G109線鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目，門式鋼框架及焊接方管翼緣組合梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜多樣，構(gòu)件之間的連接角度及精度要求高，橋墩、主橋梁連接板、加筋板多，焊接要求高，焊接變形控制難度大；管翼緣組合梁下翼緣Q500qENH高性能耐候鋼碳當(dāng)量較高，且室外焊接溫度低，焊接難度大大提升。因此在焊接前需完成Q500qENH高性能耐候鋼的焊接性能檢驗(yàn)及不同厚度焊接工藝評定試驗(yàn)，保證本工程項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)施工的安全和質(zhì)量。

2.1 Q500qENH鋼性能分析

Q500qENH高性能耐候鋼采用由河南某鋼鐵公司生產(chǎn)的調(diào)質(zhì)鋼板，交貨狀態(tài)為淬火+回火，鋼板厚度為36 mm。對鋼材進(jìn)行性能試驗(yàn)，充分掌握其力學(xué)性能，化學(xué)成分、耐候指數(shù)等，為了解母材焊接性、選擇匹配的焊接材料，制定合理焊接工藝方案提供依據(jù)。鋼板的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表2和表3。

表2 Q500qENH高性能耐候鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 Q500qENH高性能耐候鋼力學(xué)性能

由表2可得，Q500qENH高性能耐候鋼耐大氣腐蝕系數(shù)(I)根據(jù)I=26.01(Cu)+3.88(Ni)+1.20(Cr)+1.49(Si)+17.28(P)-7.29(CuNi)-9.10(NiP)-33.39(Cu)2計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為6.855，大于6，滿足耐腐蝕性要求；根據(jù)碳當(dāng)量的計(jì)算公式CE(IIW)(%)=[C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Ni+Cu)/15]×100%，碳當(dāng)量計(jì)算結(jié)果為45.6%，大于40%，可焊性較差，焊接時(shí)應(yīng)采用預(yù)熱和焊后熱處理。由表3可知，工程采用的厚度為36 mm的Q500qENH高性能耐候鋼，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均超過了600 MPa，同時(shí)斷后伸長率達(dá)到18%，說明鋼材的強(qiáng)度高、塑性好，符合項(xiàng)目對高性能鋼材的要求。

2.2 焊材化學(xué)成分分析

采用昆山某焊材公司生產(chǎn)的電弧焊焊條、埋弧焊絲，對鋼材、焊絲和熔敷金屬進(jìn)行性能試驗(yàn)，充分掌握其力學(xué)性能、化學(xué)成分、耐候指數(shù)等，為Q500qENH高性能耐候鋼選擇匹配的焊接材料，制定合理焊接工藝方案提供依據(jù)。焊條電弧焊和埋弧焊焊材的化學(xué)成分及熔敷金屬力學(xué)性能見表4和表5。

表4 焊材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

通過對兩種焊材的耐大氣腐蝕系數(shù)(I)進(jìn)行計(jì)算，分別是6.388和6.01，計(jì)算結(jié)果滿足I≥6(I不應(yīng)小于6，數(shù)值越大耐腐蝕性能越好)的要求，兩種焊材均滿足耐腐蝕性要求。由表5可知，兩種焊材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均大于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值，滿足高性能耐候鋼的焊接要求。

表5 熔敷金屬力學(xué)性能

2.3 Q500qENH焊接工藝參數(shù)選擇

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T3650—2020)、《鋼結(jié)構(gòu)工程施工工藝流程》(J10741—2018)、《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB50661—2011)，對Q500qENH鋼進(jìn)行焊接工藝評定，擬采用焊條電弧焊和埋弧焊方法，其鋼板厚度、坡口形式、焊層及焊道布置形式如圖1所示，適用母材厚度27～54 mm。焊接工藝參數(shù)如表6所示，采用統(tǒng)一的焊接技術(shù)措施，背面清根均采用碳弧氣刨、角磨機(jī)打磨和毛刷清理的方式，施焊環(huán)境溫度和相對濕度均滿足規(guī)范要求。

表6 焊接工藝參數(shù)

圖1 焊接工藝評定坡口形式

2.4 焊接工藝評定試驗(yàn)

試件焊接完成后，根據(jù)工藝要求對焊縫進(jìn)行外觀評定檢查、超聲檢測、力學(xué)性能試驗(yàn)及宏觀金相試驗(yàn)等焊接工藝評定檢驗(yàn)。

2.4.1外觀檢查

試件焊縫余高差0.7 mm，坡口每側(cè)增寬0.5 mm，寬度差0.9 mm，焊縫邊緣直線度0.8，無裂紋、夾渣、咬邊、氣孔、焊瘤、未焊透和未熔合現(xiàn)象，外觀成形良好，與母材圓滑過渡，外觀檢查合格。

2.4.2超聲檢測

超聲檢測按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11345—2013等級B級，驗(yàn)收等級2級的要求[7]，檢測時(shí)間為焊后24 h，采用CTS-9006PIUS超聲檢測儀，探頭前沿13/9，實(shí)測K值(探頭折射角度)1.98/2.36，檢測方法為橫波直射及一次波反射法，試件焊縫經(jīng)檢測符合驗(yàn)收2級的要求。

2.4.3焊接接頭力學(xué)性能

焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)及試樣數(shù)量按照國家標(biāo)準(zhǔn)《焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定[8-12]，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。試件的屈服強(qiáng)度628 MPa，抗拉強(qiáng)度701 MPa，斷后伸長率為22%，斷裂位置出現(xiàn)在熱影響區(qū)，滿足規(guī)范要求；彎曲試驗(yàn)在壓頭直徑D=108 mm下進(jìn)行，面彎未出現(xiàn)裂紋；沖擊試驗(yàn)在-40 ℃下進(jìn)行，分別對焊縫和熱影響區(qū)沖擊3次，焊縫區(qū)沖擊吸收能量平均值為135 J，熔合線外 1 mm處沖擊吸收能量平均值為123 J，滿足規(guī)范要求。

表7 焊接接頭力學(xué)性能

2.4.4宏觀金相試驗(yàn)

宏觀金相試驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 226—2015進(jìn)行，用70 ℃ HCL水溶液(1∶1)浸蝕20 min后觀察，焊縫根部未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊滿、未熔合、氣孔、夾渣等超標(biāo)缺陷，焊縫成形系數(shù)為1.3，滿足工藝規(guī)范要求，如圖2所示。

圖2 焊縫金相組織形貌

3 結(jié)論

(1)對所使用的的高性能耐候鋼和焊接材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，耐大氣腐蝕系數(shù)(I)均大于臨界值6，說明母材和焊縫均能滿足耐腐蝕性能要求。

(2)由Q500qENH焊接工藝評定試驗(yàn)可知，焊縫的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，采用的焊接方法和工藝參數(shù)可以滿足焊接施工的質(zhì)量和安全，可為類似工程提供參考和借鑒。