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(guān)重要，目前，一些設計者對橋梁鋼的供貨狀態(tài)要求認識不足，提出不合理的供貨狀態(tài)要求，還有個(gè)別鋼廠(chǎng)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(lái)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(chǎn)中遇到的可焊性問(wèn)題進(jìn)行闡述并舉例說(shuō)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(guān)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(jīng)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(guò)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(wèn)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(guò)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(jià)，要獲得質(zhì)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(tài)對焊接接頭力學(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計及軋制工藝。然而，化學(xué)成分設計不合理會(huì )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(wèn)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(jìn)行初步判定。某些鋼廠(chǎng)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，雖然成分和常規力學(xué)性能檢驗全部滿(mǎn)足要求，但在實(shí)際生產(chǎn)中仍然會(huì )出現問(wèn)題。

   國內某鋼桁梁項目弦桿使用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(guò)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(jīng)3～4次返修，返修過(guò)程中裂紋呈現出多發(fā)性、再現性的特點(diǎn)，如圖1所示。

表1 某項目正火Q370qE鋼化學(xué)成分

   經(jīng)過(guò)分析，該項目所使用鋼板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(xué)成分雖滿(mǎn)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(guò)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(lái)說(shuō)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(jìn)場(chǎng)驗收

   國內某項目使用材質(zhì)為Q370qE鋼板，鋼板進(jìn)場(chǎng)后進(jìn)行常規超聲波抽檢探傷及超聲波測厚儀進(jìn)行板厚測厚，發(fā)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(shí)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(jìn)場(chǎng)鋼板降級用作工裝，嚴重影響項目進(jìn)展。

2.2.2 影響對接接頭的焊接質(zhì)量

   國內某項目鋼板材質(zhì)為Q345qD，鋼板進(jìn)場(chǎng)超聲波檢驗合格，對接焊后進(jìn)行焊縫及熱影響區超聲波檢測發(fā)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(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發(fā)生了移動(dòng)，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(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，腹板與蓋板兩側均加工坡口，焊接后缺陷位置如圖5b所示。

   因此，該類(lèi)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(chēng)Z向鋼），并在焊接過(guò)程中采取適當工藝措施以保證其焊接質(zhì)量。

3 供貨狀態(tài)對鋼可焊性的影響

3.1對焊后力學(xué)性能的影響

   橋梁鋼的供貨狀態(tài)有熱軋、控軋、正火或熱機械軋制（TMCP）等種類(lèi)，以常用的Q370qE為例，在橋梁設計時(shí)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(tài)供貨，新規范則沒(méi)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，《橋梁用結構鋼》（GB/T714-2015）根據供貨狀態(tài)不同分別要求鋼板化學(xué)成分。如，國內某兩個(gè)項目Q370qE鋼板化學(xué)成分對比，見(jiàn)表2。

表2  Q370qE鋼板化學(xué)成分對比

   由于鋼板正火熱處理后晶粒長(cháng)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(guò)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(tài)不同的化學(xué)成分設計，其中，碳含量和碳當量將會(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)鋼板原材檢驗時(shí)低溫沖擊均有優(yōu)異的表現，低溫韌性都能達到120J以上，但經(jīng)歷焊接熱循環(huán)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(wèn)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，屈服強度及低溫韌性存在不同程度的降低，一些強度及韌性?xún)洳蛔銓е落摪宕嬖诮Y構安全風(fēng)險。

然而，以TMCP狀態(tài)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(tài)。

3.2 鋼板內應力對可焊性的影響

   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(guò)程中，發(fā)生不可預見(jiàn)的熱變形甚至焊縫開(kāi)裂。

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

   因此，對于以TMCP狀態(tài)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(zhù)橋梁鋼使用級別的不斷提高，對高性能橋梁鋼供貨狀態(tài)的要求應更為嚴格謹慎。

4 結語(yǔ)

   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(jiàn)一斑，具有良好可焊性的鋼板可使焊接加工過(guò)程質(zhì)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(shù)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(guò)程的可焊性并在使用過(guò)程進(jìn)行跟蹤反饋，推動(dòng)我國橋梁整體制造水平。

作者：吳江波 李彥國 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(zhuān)業(yè)，高級工程師，中鐵寶橋焊接專(zhuān)家，主要從事鋼橋梁焊接技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。 

來(lái)源：寶橋橋梁技術(shù)交流