刘洪武，徐向军，范军旗，顾晓勇

中铁山桥集团有限公司 河北秦皇岛 066200

1 序言

目前，我国钢结构桥梁建设发展迅速，随着桥梁跨度的增大，桥梁钢结构越来越多地采用厚板。近年来，我国桥梁钢结构的焊接制造主要采用气体保护焊、单丝埋弧焊等焊接方法。若采用传统的气体保护焊、单丝埋弧焊方法进行厚板焊接，则焊接道次多、道间修磨多、焊接效率较低。

我国建筑、船舶和管道等行业已采用大热输入焊接，而建筑钢结构一般常用B/C/D级钢，船舶和管道一般用薄中板（厚度≤30mm），船舶行业大热输入接头一般要求-20℃冲击性能，桥梁钢结构大多需满足-40℃冲击性能要求，且冲击吸收能量标准值较高，桥梁钢在大热输入下粗晶热影响区高温停留时间长、冷却速度慢，晶粒易粗化，接头冲击性能达到标准要求相对较难[1，2]。

为了提高生产效率，解决大热输入焊接接头冲击性能差的难题，为大热输入焊接在桥梁上的应用做好技术储备，针对Q370qEHW钢进行系列大热输入焊接试验，解决大热输入焊接下组织粗化、力学性能下降的问题。

2 试验材料及方法

试验用钢为新研发的Q370qEHW桥梁钢，钢板状态为TMCP＋回火，钢板中复合添加了Nb、V、Ti及B等细化晶粒的元素，可抑制热影响区晶粒粗化，提高冲击性能。钢板化学成分见表1，力学性能见表2。钢板显微组织如图1所示。由图1可知，钢板由铁素体＋粒状贝氏体和少量珠光体组成。气体保护焊的焊接材料为实芯焊丝HTW-58（φ1.2mm），埋弧焊的焊接材料为YN50qHW（φ5mm）焊丝＋高效烧结焊剂。CO2气体保护焊采用KRII500型直流电源（反极性接法），埋弧焊采用ZD5-1600E型直流电源（反极性接法）＋BXL5-1250型交流电源。

图1 试验用钢板显微组织

表1 试验用Q370qEHW钢板化学成分（质量分数） （%）

表2 试验用Q370qEHW钢板力学性能

3 焊接工艺

针对大热输入焊接热量大、易焊穿的特点，研发了对接焊缝大热输入组合焊接工艺，以提升焊接工艺的稳定性。对接焊缝先采用气体保护焊进行打底焊，然后采用双丝埋弧焊机的前丝进行单丝埋弧焊焊接1～2道，以防止焊穿，打底完成后采用双丝埋弧焊进行大热输入焊接，前丝采用大电流、小电压工艺，后丝采用小电流、大电压工艺。对接焊缝采用双面V形坡口，中间留2mm钝边，坡口部分熔透角焊缝采用单V形坡口，如图2所示。根据斜Y形坡口焊接裂纹试验结果，考虑到大生产中环境温度、湿度、长大构件拘束度大等因素，确定焊接预热温度和道间温度按表3执行。

表3 Q370qEHW钢焊接预热和道间温度

对接焊缝选用小钝边可以减少背面清根的工作量，采用气体保护焊打底将存在间隙的部位进行连接，以防止直接单丝埋弧焊焊穿，采用单丝埋弧焊增加焊缝厚度，防止大热输入焊接时焊穿。前丝采用直流反极性接法、大电流进行焊接，以获得较大熔深；后丝采用交流电流、大电压进行焊接，以使焊缝均匀铺开保证熔池宽度，并改善焊缝表面成形效果。

一般坡口采用火焰切割方法获得，厚板焊接可采用U形坡口以减少填充量，但U形坡口需采用机加工方法进行制作，坡口加工效率低、费用高。采用火焰切割坡口的钢板，坡口加工精度低，若直接采用大热输入焊接，则可能出现焊穿的情况，采用研发的大热输入组合焊接工艺进行焊接，可避免焊穿的现象，解决了因火焰切割坡口精度低而无法进行大热输入焊接的问题，可提高生产效率。

4 焊接试验与结果分析

（1）焊接试验 对接焊缝采用组合焊接工艺进行焊接，坡口角焊缝直接采用双丝埋弧焊进行大热输入焊接试验，气体保护焊的焊接材料为HTW-58（φ1.2mm）焊丝，埋弧焊的焊接材料为YN50qHW（φ5mm）焊丝＋高效烧结焊剂，接头施焊状况见表4，试验过程如图3所示。

图3 大热输入焊接试验过程

表4 接头施焊状况

（2）焊缝质量检测 焊后对试件进行焊缝外观检查，表面质量符合Q/CR 9211—2015《铁路钢桥制造规范》要求。焊后24h对试件进行超声波检测，如图4所示。结果显示，对接焊缝内部质量满足Q/CR 9211—2015规定的I级要求，坡口角焊缝内部质量满足Q/CR 9211—2015规定的II级要求。

图4 焊缝超声波检测

（3）焊接接头力学性能 接头力学性能试验结果见表5。由表5可知，Q370qEHW钢焊缝屈服强度、抗拉强度和伸长率均满足不低于母材最低标准值的要求。其中低温冲击吸收能量关键性能指标满足-40℃不低于41J的技术要求，具有足够的冲击性能储备裕量。

表5 接头力学性能试验结果

（4）接头宏观断面 接头宏观断面照片如图5所示。由图5可看出，焊缝熔合完好，无裂纹及其他焊接缺陷。

图5 接头宏观断面照片

（5）接头硬度 接头硬度试验结果见表6，最高硬度为241HV10，远小于Q/CR 9211—2015要求的380HV10，由于焊接热输入较大，焊接产生的热量大，接头冷却速度较慢，且母材的碳当量和Pcm较低，淬硬倾向低，所以焊后接头硬度较低，有利于提高接头的抗裂性能。

表6 接头硬度试验结果 （HV10）

（6）接头显微组织及断口分析 采用金相显微镜对焊接接头进行显微组织分析，100kJ/cm热输入下Q370qEHW钢板接头焊缝金属显微组织如图6所示。由图6可看出，焊缝组织类型主要包括沿晶界分布块状铁素体和晶界内交叉分布的大量针状铁素体，以及少量的粒状贝氏体。在100kJ/cm热输入下，针状铁素体的比例仍能达到80%以上。大量针状铁素体的存在可以细化焊缝金属晶粒组织，同时柱状晶内交叉分布的针状铁素体晶界角度为大角度晶界，对微裂纹解理断裂和扩展具有较高的阻碍作用。

图7所示为100kJ/cm热输入下Q370qEHW钢板接头热影响区显微组织。由图7可看出，热影响区的组织主要为板条贝氏体＋粒状贝氏体和少量块状铁素体，组织未发生明显粗化，说明Nb、V、Ti及B合金元素的复合添加对抑制热影响区组织晶粒长大作用明显，块状铁素体含量较少，有利于提高热影响区的韧性[3]。

图7 100kJ/cm热输入热影响区显微组织

采用扫描电镜对接头冲击试样断口形貌进行观察，在100kJ/cm热输入下Q370qEHW钢板接头冲击断口形貌如图8所示。由图8可看出，冲击断口纤维区占比较高，纤维区以韧窝为主，韧窝尺寸较小，深度较深，在冲击过程中消耗的塑性功较大，冲击性能较好。

图8 100kJ/cm热输入下接头冲击断口形貌

5 结束语

针对Q370qEHW钢板进行大热输入焊接试验，结论如下。

1）采用大热输入组合焊接工艺进行焊接试验，无焊穿现象，焊缝外观成形良好，当焊接热输入＞50～100kJ/cm时，焊接接头仍具有较高的冲击性能，该焊接工艺稳定可靠，可以大幅提高生产效率。

2）焊缝无损检测全部合格，宏观断面显示接头熔合完好，无裂纹、未熔合等焊接缺陷，焊接接头的组织未发生明显粗化，接头力学性能良好，符合Q/CR 9211—2015的要求，可以在生产中进行推广应用。