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      關于橋梁鋼可焊性的幾點思考?
      發布時間:2020-03-02 16:25:43 | 瀏覽次數:


      摘要:

         橋梁鋼作為鋼橋的主體材料對鋼橋的安全及耐久性至關重要,目前,一些設計者對橋梁鋼的供貨狀態要求認識不足,提出不合理的供貨狀態要求,還有個別鋼廠在橋梁鋼生產方面技術不成熟,給下游鋼橋制造企業焊接加工帶來較大的施工難度。本文從橋梁鋼加工制造的角度,針對鋼橋生產中遇到的可焊性問題進行闡述并舉例說明,期望能夠引起各方關注。

      關鍵詞:橋梁鋼;可焊性;思考

      0 前言

         縱觀世界橋梁建設史,上世紀70年代前要看歐美,90年代看日本,而到了21世紀則要看中國。如今,中國橋梁已經成了中國的一張靚麗的名片及彰顯綜合國力的象征。然而,在相當多的鋼橋制造過程中遇到了一些橋梁鋼的加工難題,其中,首當其沖的就是橋梁鋼的可焊性問題,也是困擾橋梁焊接工程師多年的難題。

         提及鋼的可焊性,工程師們大多想到的是鋼在焊接加工過程中的裂紋敏感程度及焊接接頭的淬硬傾向,筆者認為這僅僅是對鋼可焊性的片面評價,要獲得質量高、可靠性強的焊接接頭,要從以下三方面全面考核鋼的可焊性。一是鋼板冷裂敏感度;二是鋼板板芯偏析層對焊接加工的影響;三是供貨狀態對焊接接頭力學性能的影響。

      1 橋梁鋼可焊性的影響因素

         鋼鐵行業內常講成分、工藝決定組織,組織決定性能,也就是橋梁鋼供貨狀態將決定鋼板的成分設計及軋制工藝。然而,化學成分設計不合理會直接導致鋼板冷裂傾向增大,鋼板成分偏析嚴重及焊接熱輸入范圍狹窄等問題。因此,鋼板的化學成分、供貨狀態是影響橋梁鋼可焊性的重要因素。

      2 化學成分對鋼可焊性的影響

      2.1 焊接冷裂敏感度

         評判橋梁結構鋼的冷裂敏感度可用碳當量CEV或冷裂敏感指數Pcm進行初步判定。某些鋼廠為了降低生產成本,碳含量取上限,并減少合金元素的含量,雖然成分和常規力學性能檢驗全部滿足要求,但在實際生產中仍然會出現問題。

         國內某鋼桁梁項目弦桿使用Q370qE鋼板,正火狀態交貨,其化學成分如表1所示。生產過程中該項目弦桿頂板24mm的加勁肋及16mm的橋面橫梁接頭板角焊縫上出現了批量橫向裂紋,該裂紋起裂于焊縫與板材交界處(熱影響區),直至貫穿焊縫,形成橫向裂紋,一些裂紋需經34次返修,返修過程中裂紋呈現出多發性、再現性的特點,如圖1所示。

      1 某項目正火Q370qE鋼化學成分


      1 角焊縫焊縫橫向裂


         經過分析,該項目所使用鋼板Q370qE正火狀態鋼板,化學成分中C含量為0.17%,采用碳當量公式:CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15,計算鋼板碳當量為0.42,低于標準規定0.43的要求,分析認為該鋼板化學成分雖滿足標準要求,但碳當量明顯偏上限,鋼板淬硬傾向稍大;另外,該項目弦桿焊接施工剛好在南方春節前后,天氣陰冷、潮濕,焊接接頭冷速較快,在焊接收縮應力的作用下,裂紋起裂于焊縫熱影響區的脆硬組織并逐步擴展延伸。

      2.2 鋼板成分偏析的危害

         根據鋼板軋坯連鑄原理,軋坯外表面是最先冷卻凝固的,這樣就在鑄坯芯部形成非金屬夾雜物層,也就是成分偏析層,在后期鋼板軋制過程中,該非金屬夾雜物層始終存在于鋼板板芯,如圖2、圖3。


         鋼的成分中C、Mn、P、S都是易偏析元素,這些元素含量越高,板芯成分偏析越嚴重,鋼的焊接加工能力不足,可焊性越差。由于板芯偏析對于橋梁鋼來說不可避免,但偏析較為嚴重的將改變鋼板的厚度方向性能,對其后期焊接加工性能影響甚大。

      2.2.1 影響項目鋼材進場驗收

         國內某項目使用材質為Q370qE鋼板,鋼板進場后進行常規超聲波抽檢探傷及超聲波測厚儀進行板厚測厚,發現鋼板板厚1/2處存在片帶狀不連續缺陷,嚴重的超聲波測厚儀測厚讀數僅為鋼板實際厚度的一半,檢測結果表明鋼板厚度方向缺陷分級低于GB/T2970中的Ⅱ級要求,最后判定板芯偏析導致分層而不合格,進場鋼板降級用作工裝,嚴重影響項目進展。

      2.2.2 影響對接接頭的焊接質量

         國內某項目鋼板材質為Q345qD,鋼板進場超聲波檢驗合格,對接焊后進行焊縫及熱影響區超聲波檢測發現,缺陷深度存在于板厚1/2處,也就是偏析層,橫向位置位于焊縫中心兩側,返修后焊接缺陷深度并未發生變化,由于返修造成焊縫寬度變寬,缺陷橫向位置向兩側發生了移動,再次返修檢測依然如此。因此,判定該缺陷不具備可修復性,鋼板不具備可焊性。



      2.2.3 影響T型焊接接頭焊接質量

         某鋼桁梁箱型桿件隅角全熔透接頭,鋼板材質Q370qD,板厚36-50mm,如圖5a所示。為防止厚板層狀撕裂,腹板與蓋板兩側均加工坡口,焊接后缺陷位置如圖5b所示。



         因此,該類受力方式的鋼板須采用低碳超低雜質元素含量的鋼板材料,優先選擇具有厚度方向性能的鋼板(也稱Z向鋼),并在焊接過程中采取適當工藝措施以保證其焊接質量。

      3 供貨狀態對鋼可焊性的影響

      3.1對焊后力學性能的影響

         橋梁鋼的供貨狀態有熱軋、控軋、正火或熱機械軋制(TMCP)等種類,以常用的Q370qE為例,在橋梁設計時多數設計院參考舊的《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2-2005)附錄A的要求的正火狀態供貨,新規范則沒有限定供貨狀態。Q370qE鋼板可正火狀態供貨也可TMCP狀態供貨,《橋梁用結構鋼》(GB/T714-2015)根據供貨狀態不同分別要求鋼板化學成分。如,國內某兩個項目Q370qE鋼板化學成分對比,見表2。

      2  Q370qE鋼板化學成分對比



         由于鋼板正火熱處理后晶粒長大(圖7),強度損失較多,因此其成分中C、Mn及合金元素含量較高。而TMCP鋼板軋制過程中使用強制快冷工藝,鋼板組織細致(圖8),利用的是細晶強化機理,C、Mn及合金元素含量較低。鋼板強化機理不同決定了兩種供貨狀態不同的化學成分設計,其中,碳含量和碳當量將會影響鋼板的可焊性。


            Q370qE兩種供貨狀態鋼板具有相同的組織(鐵素體+珠光體),但組織形態大小卻不同,這也決定了兩種供貨狀態鋼板的可焊性差別較大。兩種供貨狀態鋼板原材檢驗時低溫沖擊均有優異的表現,低溫韌性都能達到120J以上,但經歷焊接熱循環后卻表現出較大差別,如圖9、圖10。

         可以看出,正火Q370qE對熱輸入敏感,焊接接頭熱影響區低溫韌性損失嚴重,這也是正火鋼普遍存在的問題。值得注意的是,相關資料表明正火狀態供貨的鋼板在經歷焊接或熱矯正后,屈服強度及低溫韌性存在不同程度的降低,一些強度及韌性儲備不足導致鋼板存在結構安全風險。

      然而,以TMCP狀態供貨的Q370qE鋼板相對具備較寬的工藝窗口,焊接熱輸入范圍較廣,工程師選擇焊接方法的范圍更寬泛,可焊性更好,建議采用TMCP供貨狀態。

      3.2 鋼板內應力對可焊性的影響

         與正火鋼板相比,TMCP狀態供貨的鋼板由于其特殊的軋制工藝,鋼板中存在不同程度的內應力,特別是30mm以上中厚板采用TMCP供貨,其內應力極有可能在焊接加工過程中,發生不可預見的熱變形甚至焊縫開裂。

      某項目鋼板Q370qE、板厚50mm、TMCP狀態供貨,裂紋敏感性試驗時在預熱80后焊接仍在焊縫根部產生開裂,如圖11。鋼板進行回火處理后預熱80后焊接未產生開裂,如圖12所示。

         因此,對于以TMCP狀態供貨的鋼板,需要對厚板(板厚大于等于32mm)增加回火消應力處理,以降低鋼板內應力。特別是隨著橋梁鋼使用級別的不斷提高,對高性能橋梁鋼供貨狀態的要求應更為嚴格謹慎。

      4 結語

         現階段是鋼橋梁建設的高峰期,鋼橋制造用鋼板原材對橋梁加工制造的重要性可見一斑,具有良好可焊性的鋼板可使焊接加工過程質量穩定,焊接接頭可靠性更高。因此,橋梁設計階段對橋梁鋼供貨技術條件制定非常重要,應加快TMCP高性能橋梁鋼的推廣應用,充分考慮其焊接加工過程的可焊性并在使用過程進行跟蹤反饋,推動我國橋梁整體制造水平。

      作者:吳江波 李彥國 張海濤

      作者簡介:吳江波,1982年出生,2007年畢業于西安工業大學焊接專業,高級工程師,中鐵寶橋焊接專家,主要從事鋼橋梁焊接技術開發工作。 

      來源:寶橋橋梁技術交流




       
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