低合金高强度钢Q500MD焊接工艺研究_高祥楼.pdf

2023年 第5期 热加工53焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g图1安罗高速黄河特大桥示意低合金高强度钢Q500MD焊接工艺研究高祥楼，杜高峰，黄泽银南通振华重型装备制造有限公司 江苏南通 226000摘要：采用药芯焊丝CO2气体保护焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊，进行Q500MD对接焊缝、熔透角焊缝和部分熔透角焊缝焊接工艺评定试验。结果表明：焊接材料选择合理，焊接接头内部质量和力学性能满足技术要求，评定试验结果可作为安罗高速黄河特大桥南副桥Q500MD钢焊接工艺编制的依据。关键词：Q500MD钢；焊接工艺；焊接材料1 序言安罗高速黄河特大桥（见图1）是安罗高速原阳至郑州段项目关键性工程，全长15.2km，包括北引桥、北副桥、主桥及索塔、南副桥及南引桥等，钢结构总重约24万t。南副桥为箱形组合梁，项目总长3.4km，钢结构总重约3.2万t，主要结构材质为Q500MD钢。为保证Q500MD钢的焊接质量，进而确保钢梁焊接质量，开展了Q500MD钢焊接工艺评定试验研究。根据设计图样，制定焊接工艺评定试验方案，按JTG/T 36502020公路桥涵施工技术规范要求进行焊接工艺评定试验。通过选取相匹配的气体保护焊、埋弧焊焊接材料，研究Q500MD钢焊接工艺和焊接接头的力学性能，获得了合理可行的焊接工艺，为该项目Q500MD钢焊接提供了技术支持。2 Q500MD钢焊接性分析试验用Q500MD钢1板厚规格分别为26mm、40mm，钢板交货状态为热机械轧制（TMCP），钢中加入Ni、Cr、Cu等主要元素；同时添加了V等微合金元素，可产生晶粒细化和沉淀强化等作用，以改善组织性能，提高钢的强度。钢板屈服强度和抗拉强度满足设计要求，具有良好的低温韧性，弯曲试验结果良好。化学成分和力学性能试验结果见表1。IIW碳当量计算公式为 MnCrMoVCuNiCEC+6515+=+根据该钢材的主要化学成分，结合IIW碳当量计算公式，得出26mm和40mm厚Q500MD钢板碳当量2分别为0.42%、0.41%，由此结果可知该钢板较难焊接。表1Q500MD钢化学成分和力学性能规格/mm化学成分（质量分数，%）力学性能CSiMnPSCuNiCrMoVReH/MPaRm/MPaA（%）（-30）KV2/J260.150.371.500.0140.00200.030.020.030.0010.03552566422196、213、198400.070.191.620.0110.0110.120.130.180.0870.00255668021274、295、2882023年 第5期 热加工54焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g焊前预热有助于焊缝扩散氢的去除，同时进一步延缓马氏体的转变和焊缝的冷却速度，使抗裂性能增强、焊接应力梯度适当减小。根据BS EN1011-2：2001金属焊接材料建议，按照预热温度图解，估算出Q500MD钢预热温度为100。3 焊接材料的选择桥梁行业常用的焊接方法有药芯焊丝CO2气体保护焊（FCAW）、熔化极气体保护焊（GMAW）、埋弧焊（SAW）。根据等强度、等韧性匹配原则3，选择实芯焊丝、药芯焊丝、埋弧焊丝和焊剂作为Q500MD钢的焊接材料。焊接材料要求P、S、H、O、N等杂质含量低，同时扩散氢含量均5mL/100g。这样不仅可提高焊缝及热影响区的韧性，还能控制焊缝金属中氢含量，降低冷裂纹倾向，抑制延迟裂纹的产生。试验用焊接材料熔敷金属的化学成分和力学性能见表2。4 焊接工艺评定试验针对大生产用Q500MD钢板，结合安罗高速黄表2焊接材料熔敷金属的化学成分和力学性能品名型号化学成分（质量分数，%）力学性能数据来源CSiMnPSReL/MPaRm/MPaA（%）KV2/J实芯焊丝TM-60G55A3C1S4M31T0.120.400.801.201.900.0250.0254905707701730，27标准0.080.651.620.0110.0045446182793复验药芯焊丝TWE-91K2T662T1-1C1A-N3M10.150.800.51.750.0300.0305306208201520；27标准0.0500.2801.6800.0100.00862767122151复验埋弧焊丝TWE-E41S62A 4 FB-SUN2M330.180.301.702.00.0250.0255006808201540，27标准0.1100.081.740.0070.0035527012672复验埋弧焊剂TF560SA FB 1 73 AC0.0600.050标准0.0260.032复验河特大桥槽形梁结构特点，选择典型对接焊缝、熔透角焊缝、部分熔透角焊缝4进行焊接工艺评定试验。焊接试验的坡口形式如图2所示，焊接位置、焊接材料、焊接方法及焊接参数等评定试验相关参数见表3。评定试验用母材为Q500MD钢板，试板厚度覆盖现场产品厚度，开展焊接工艺评定工作前对母材进行理化试验，其化学成分和力学性能均符合GB/T 15912018低合金高强度结构钢的规定。5 力学性能试验和宏观断面腐蚀试验焊接完成24h后进行焊缝外观质量检查，合格后进行无损检测。试板焊缝进行全长超声波检测，质量等级符合GB/T 113452013焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定和JTG/T 36502020公路桥涵施工技术规范的规定。无损检测完成后按要求取样、试验，接头力学性能试验项目及试样数量按该标准规定执行，具体要求见表4。接头力学性能试验结果见表5。a）ALB-1 b）ALB-2 c）ALB-3 d）ALB-4 e）ALP-5 f）ALC-7 g）ALC-9 图2焊接试验的坡口形式2023年 第5期 热加工55焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g由表5可看出，各种接头的焊缝强度均高于母材标准值；对接接头弯曲 180后受拉面均完好未裂；所有焊缝金属的伸长率均满足母材标准要求，表明焊接接头的塑性良好；Q500MD钢焊缝及热影表3Q500MD钢焊接工艺评定试验相关参数序号编号板厚组合/mm焊接位置焊接方法及焊接材料代表焊缝及板厚t/mm熔敷简图焊道道间温度/焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/（cm/min）1ALB-12626平位FCAWSAWTWE-91K2（1.2mm）TSW-E41（4.0mm）/TF-560梁段腹/顶/底板拼板对接缝19.5t39打底1051092502831填充1101605003040盖面10615060030402ALB-24040平位SAWTSW-E41（4.0mm）/TF-560梁段腹/顶/底板拼板对接缝30t60打底1051265002940填充1101606003050盖面10615055030453ALB-32626平位GMAWFCAWTM-60（1.2mm）TWE-91K2（1.2mm）梁段顶/底板工地对接缝19.5t39打底1061072352528填充1101302602830盖面13015025027334ALB-42626立位FCAWTWE-91K2（1.2mm）梁段腹板工地连接焊缝19.5t39打底1061221952316填充1031302302513盖面11015022025165 ALP-52626横角焊GMAWTM-60（1.2mm）+FCAWmmTWE-91K2（1.2mm）梁段底板与底板纵肋部分熔透焊缝19.5t39打底1061222432432填充1031302682833盖面11015025526366ALC-72640横角焊GMAWTM-60（1.2mm）FCAWTWE-91K2（1.2mm）梁段腹板与底板熔透角焊缝等19.5t39打底1001152302528填充1051302802833盖面11015026027287ALC-92640仰角焊FCAW（CO2）TWE-91K2（1.2mm）梁段腹板与底板熔透角焊缝等19.5t39打底1001052352628填充11613527527.534盖面1251562652729响区的20冲击吸收能量均54J5，满足设计要求，且有一定韧性储备；各接头宏观断面酸蚀检测未发现裂纹等缺陷，接头熔合良好；接头各区的硬度均380HV10，在焊接过程中未产生脆硬组织。2023年 第5期 热加工56焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g表4焊接接头力学性能试验内容、试样数量试件形式金相宏观试验项目试样数量/个试验方法对接接头试件1接头拉伸1GB/T 26512008焊接接头拉伸试验方法焊缝金属拉伸1GB/T 26522022金属材料焊缝破坏性试验 熔化焊接头焊缝金属纵向拉伸试验接头弯曲1GB 26532008焊接接头弯曲试验方法冲击试验焊缝金属3GB/T 26502022金属材料焊缝破坏性试验 冲击试验熔合线1.0mm 或熔合线0.5mm3接头硬度1GB/T 26542008焊接接头硬度试验方法T 形接头和角接接头熔透角焊缝试件1焊缝金属拉伸1GB/T 26522022金属材料焊缝破坏性试验 熔化焊接头焊缝金属纵向拉伸试验冲击试验焊缝金属3GB/T 26502022金属材料焊缝破坏性试验 冲击试验熔合线1.0mm 3接头硬度1GB/T 26542008焊接接头硬度试验方法 注：1.接头弯曲试验的弯曲角为180，弯心直径应符合母材标准规定。2.板厚12mm的对接焊缝、焊缝有效厚度8mm的角焊缝不进行焊缝金属拉伸试验。3.冲击试验缺口开在焊缝中心、热影响区（熔合线1mm）处各3个；接头为异种材质组合时，熔合线1mm处分别取样。表5力学性能试验结果序号编号焊缝金属拉伸接头拉伸弯曲 180接头硬度HV10KV2/J结果ReH/MPaRm/MPaA（%）Rm/MPa断口位置焊缝金属热影响区母材焊缝中心熔合线+1mm标准49061017610d3a38038038020，54J1ALB-152665026.5656母材OK245245211136、128、132（132）265、256、277（266）合格2ALB-257165825.0694母材OK236228200132、140、139（137）238、243、291（257）合格3ALB-356867823.0654母材OK280331207137、114、112（121）231、226、228（228）合格4ALB-456066223.5681母材OK28930322795、97、105（99）176、178、191（182）合格5ALC-158068323.5310338217103、97、115（105）179、162、116（152）合格6ALC-259170022.5225319216109、102、126（112）96、156、160（137）合格7ALP-158965222.5263306256合格 注：括号中数值为平均值。6 结束语Q500MD钢典型接头焊接工艺评定试验结果表明，对接焊缝、熔透角焊缝、坡口角焊缝接头力学性能全部满足技术要求，焊接材料与Q500MD钢板相匹配，焊接参数适当合理，可作为本项目Q500MD钢焊接工艺编制的依据。参考文献：1 李恒坤，崔强，邓伟，等500MPa级高性能桥梁结构用钢的研发J宽厚板，2016，22（1）：5-10.2 邹德辉，郭爱民我国铁路桥梁用钢的现状和发展J钢结构，2009，24（9）：1-5，56.3 田越500MPa级高性能钢在铁路钢桥中的应用研究D北京：中国铁道科学研究院，2010.4 间志刚，赵欣欣，徐向军沪通长江大桥 Q500qE钢的适用性研究J中国铁道科学，2017，38（3）：40-45.5 徐向军，贝玉成，常国光新型高性能桥梁用Q500q钢板焊接试验研究（二）J金属加工（热加工），2015（16）：64-65.20230216