摘要：

   橋梁鋼作為鋼橋的主體材料對(duì)鋼橋的安全及耐久性至關(guān)重要，目前，一些設(shè)計(jì)者對(duì)橋梁鋼的供貨狀態(tài)要求認(rèn)識(shí)不足，提出不合理的供貨狀態(tài)要求，還有個(gè)別鋼廠在橋梁鋼生產(chǎn)方面技術(shù)不成熟，給下游鋼橋制造企業(yè)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(duì)鋼橋生產(chǎn)中遇到的可焊性問題進(jìn)行闡述并舉例說明，期望能夠引起各方關(guān)注。

關(guān)鍵詞：橋梁鋼；可焊性；思考

0 前言

   縱觀世界橋梁建設(shè)史，上世紀(jì)70年代前要看歐美，90年代看日本，而到了21世紀(jì)則要看中國(guó)。如今，“中國(guó)橋梁”已經(jīng)成了中國(guó)的一張靚麗的名片及彰顯綜合國(guó)力的象征。然而，在相當(dāng)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(dāng)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(rèn)為這僅僅是對(duì)鋼可焊性的片面評(píng)價(jià)，要獲得質(zhì)量高、可靠性強(qiáng)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(duì)焊接加工的影響；三是供貨狀態(tài)對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響。

1 橋梁鋼可焊性的影響因素

   鋼鐵行業(yè)內(nèi)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(tài)將決定鋼板的成分設(shè)計(jì)及軋制工藝。然而，化學(xué)成分設(shè)計(jì)不合理會(huì)直接導(dǎo)致鋼板冷裂傾向增大，鋼板成分偏析嚴(yán)重及焊接熱輸入范圍狹窄等問題。因此，鋼板的化學(xué)成分、供貨狀態(tài)是影響橋梁鋼可焊性的重要因素。

2 化學(xué)成分對(duì)鋼可焊性的影響

2.1 焊接冷裂敏感度

   評(píng)判橋梁結(jié)構(gòu)鋼的冷裂敏感度可用碳當(dāng)量CEV或冷裂敏感指數(shù)Pcm進(jìn)行初步判定。某些鋼廠為了降低生產(chǎn)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(guī)力學(xué)性能檢驗(yàn)全部滿足要求，但在實(shí)際生產(chǎn)中仍然會(huì)出現(xiàn)問題。

   國(guó)內(nèi)某鋼桁梁項(xiàng)目弦桿使用Q370qE鋼板，正火狀態(tài)交貨，其化學(xué)成分如表1所示。生產(chǎn)過程中該項(xiàng)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(xiàn)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(qū)），直至貫穿焊縫，形成橫向裂紋，一些裂紋需經(jīng)3～4次返修，返修過程中裂紋呈現(xiàn)出多發(fā)性、再現(xiàn)性的特點(diǎn)，如圖1所示。

表1 某項(xiàng)目正火Q370qE鋼化學(xué)成分

   經(jīng)過分析，該項(xiàng)目所使用鋼板Q370qE正火狀態(tài)鋼板，化學(xué)成分中C含量為0.17%，采用碳當(dāng)量公式：CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，計(jì)算鋼板碳當(dāng)量為0.42，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定0.43的要求，分析認(rèn)為該鋼板化學(xué)成分雖滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但碳當(dāng)量明顯偏上限，鋼板淬硬傾向稍大；另外，該項(xiàng)目弦桿焊接施工剛好在南方春節(jié)前后，天氣陰冷、潮濕，焊接接頭冷速較快，在焊接收縮應(yīng)力的作用下，裂紋起裂于焊縫熱影響區(qū)的脆硬組織并逐步擴(kuò)展延伸。

2.2 鋼板成分偏析的危害

   根據(jù)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(yán)重，鋼的焊接加工能力不足，可焊性越差。由于板芯偏析對(duì)于橋梁鋼來說不可避免，但偏析較為嚴(yán)重的將改變鋼板的厚度方向性能，對(duì)其后期焊接加工性能影響甚大。

2.2.1 影響項(xiàng)目鋼材進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收

   國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目使用材質(zhì)為Q370qE鋼板，鋼板進(jìn)場(chǎng)后進(jìn)行常規(guī)超聲波抽檢探傷及超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行板厚測(cè)厚，發(fā)現(xiàn)鋼板板厚1/2處存在片帶狀不連續(xù)缺陷，嚴(yán)重的超聲波測(cè)厚儀測(cè)厚讀數(shù)僅為鋼板實(shí)際厚度的一半，檢測(cè)結(jié)果表明鋼板厚度方向缺陷分級(jí)低于GB/T2970中的Ⅱ級(jí)要求，最后判定板芯偏析導(dǎo)致分層而不合格，進(jìn)場(chǎng)鋼板降級(jí)用作工裝，嚴(yán)重影響項(xiàng)目進(jìn)展。

2.2.2 影響對(duì)接接頭的焊接質(zhì)量

   國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目鋼板材質(zhì)為Q345qD，鋼板進(jìn)場(chǎng)超聲波檢驗(yàn)合格，對(duì)接焊后進(jìn)行焊縫及熱影響區(qū)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，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(cè)，返修后焊接缺陷深度并未發(fā)生變化，由于返修造成焊縫寬度變寬，缺陷橫向位置向兩側(cè)發(fā)生了移動(dòng)，再次返修檢測(cè)依然如此。因此，判定該缺陷不具備可修復(fù)性，鋼板不具備可焊性。

2.2.3 影響T型焊接接頭焊接質(zhì)量

   某鋼桁梁箱型桿件隅角全熔透接頭，鋼板材質(zhì)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(cè)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(zhì)元素含量的鋼板材料，優(yōu)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(dāng)工藝措施以保證其焊接質(zhì)量。

3 供貨狀態(tài)對(duì)鋼可焊性的影響

3.1對(duì)焊后力學(xué)性能的影響

   橋梁鋼的供貨狀態(tài)有熱軋、控軋、正火或熱機(jī)械軋制（TMCP）等種類，以常用的Q370qE為例，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)多數(shù)設(shè)計(jì)院參考舊的《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.2-2005）附錄A的要求的正火狀態(tài)供貨，新規(guī)范則沒有限定供貨狀態(tài)。Q370qE鋼板可正火狀態(tài)供貨也可TMCP狀態(tài)供貨，《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T714-2015）根據(jù)供貨狀態(tài)不同分別要求鋼板化學(xué)成分。如，國(guó)內(nèi)某兩個(gè)項(xiàng)目Q370qE鋼板化學(xué)成分對(duì)比，見表2。

表2  Q370qE鋼板化學(xué)成分對(duì)比

   由于鋼板正火熱處理后晶粒長(zhǎng)大（圖7），強(qiáng)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(qiáng)制快冷工藝，鋼板組織細(xì)致（圖8），利用的是細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理，C、Mn及合金元素含量較低。鋼板強(qiáng)化機(jī)理不同決定了兩種供貨狀態(tài)不同的化學(xué)成分設(shè)計(jì)，其中，碳含量和碳當(dāng)量將會(huì)影響鋼板的可焊性。

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

   可以看出，正火Q370qE對(duì)熱輸入敏感，焊接接頭熱影響區(qū)低溫韌性損失嚴(yán)重，這也是正火鋼普遍存在的問題。值得注意的是，相關(guān)資料表明正火狀態(tài)供貨的鋼板在經(jīng)歷焊接或熱矯正后，屈服強(qiáng)度及低溫韌性存在不同程度的降低，一些強(qiáng)度及韌性儲(chǔ)備不足導(dǎo)致鋼板存在結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)。

然而，以TMCP狀態(tài)供貨的Q370qE鋼板相對(duì)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(tài)。

3.2 鋼板內(nèi)應(yīng)力對(duì)可焊性的影響

   與正火鋼板相比，TMCP狀態(tài)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(nèi)應(yīng)力，特別是30mm以上中厚板采用TMCP供貨，其內(nèi)應(yīng)力極有可能在焊接加工過程中，發(fā)生不可預(yù)見的熱變形甚至焊縫開裂。

某項(xiàng)目鋼板Q370qE、板厚50mm、TMCP狀態(tài)供貨，裂紋敏感性試驗(yàn)時(shí)在預(yù)熱80℃后焊接仍在焊縫根部產(chǎn)生開裂，如圖11。鋼板進(jìn)行回火處理后預(yù)熱80℃后焊接未產(chǎn)生開裂，如圖12所示。

   因此，對(duì)于以TMCP狀態(tài)供貨的鋼板，需要對(duì)厚板（板厚大于等于32mm）增加回火消應(yīng)力處理，以降低鋼板內(nèi)應(yīng)力。特別是隨著橋梁鋼使用級(jí)別的不斷提高，對(duì)高性能橋梁鋼供貨狀態(tài)的要求應(yīng)更為嚴(yán)格謹(jǐn)慎。

4 結(jié)語

   現(xiàn)階段是鋼橋梁建設(shè)的高峰期，鋼橋制造用鋼板原材對(duì)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(zhì)量穩(wěn)定，焊接接頭可靠性更高。因此，橋梁設(shè)計(jì)階段對(duì)橋梁鋼供貨技術(shù)條件制定非常重要，應(yīng)加快TMCP高性能橋梁鋼的推廣應(yīng)用，充分考慮其焊接加工過程的可焊性并在使用過程進(jìn)行跟蹤反饋，推動(dòng)我國(guó)橋梁整體制造水平。

作者：吳江波 李彥國(guó) 張海濤

作者簡(jiǎn)介：吳江波，1982年出生，2007年畢業(yè)于西安工業(yè)大學(xué)焊接專業(yè)，高級(jí)工程師，中鐵寶橋焊接專家，主要從事鋼橋梁焊接技術(shù)開發(fā)工作。 

來源：寶橋橋梁技術(shù)交流