CN108057940A - 一种极寒地区用高性能耐候桥梁钢的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对极寒地区用Q420qFNH高性能耐候桥梁钢特定的化学成分、适用的技术条件及不同板厚，提供了该桥梁钢的焊接方法，解决了该耐候钢的焊接工艺问题。焊接接头形式采用对接或T型角接，焊接方法采用埋弧焊和实心焊丝富氩气气体保护焊，并根据不同板厚确定焊前预热温度，根据不同的焊接方法和焊接位置确定焊接工艺参数。本发明较全面地涵盖了桥梁结构的接头形式和厚度规格，技术方案简便、适用性强，实施效果均符合现行桥梁钢及桥梁结构建造相关标准的技术要求，可实际运用于Q420qFNH耐候钢桥梁结构的焊接。

Description

一种极寒地区用高性能耐候桥梁钢的焊接方法

技术领域

本发明属于钢铁材料焊接技术领域，尤其是一种极寒地区用高性能耐候桥梁钢的焊接方法。

背景技术

根据气象专业制定的“寒冷程度等级表”，-40℃以下的天气即为“极寒”。我国东北北部、内蒙古东北部及新疆北部最低温度都在-50℃以下，都会出现极寒天气。为了适应这种苛刻的气候环境，特别研究开发了Q420qFNH高性能耐候桥梁钢。极寒天气对钢材提出了更高的要求，要求-60℃低温冲击功KV2≥47J，同时要保证耐大气腐蚀性指数I≥6.0并具有较好的焊接性。为了提高Q420qFNH钢的耐候性和低温冲击韧性，钢中加入了适量的铜、镍、铬、钼、钛等合金元素，使其具有优质钢的强韧、塑延、耐腐蚀等特性，可以在极寒地区免涂装裸露使用。由于合金元素的添加，钢板的强度得到提高，碳含量也随之增加，焊接性能变差，焊接热影响区冲击韧性降低，因此对Q420qFNH高性能耐候桥梁钢的焊接预热温度、焊接保护气体、焊接工艺参数要求也更加严格。

钢材性能的升级对焊接工艺提出了更高的要求，为了满足Q420qFNH高性能耐候桥梁钢在桥梁实际建造过程中的焊接需求，在焊接方法、焊接工艺上需要进一步探索。Q420qFNH钢在《桥梁用结构钢》GB/T 714-2015中首次提出，国内没有相关的焊材选配、焊接工艺选择方面的资料可供参考，国内外现有的桥梁钢焊接方法对极寒地区用Q420qFNH高性能耐候桥梁钢的焊接也没有涉及。如果采用常用的焊接材料和工艺参数，此种钢材焊接接头的耐候性和低温韧性往往和母材不匹配，所涉及到的焊接材料和焊接工艺参数是确保极寒地区桥梁建造质量的关键技术，需要进行新的研究和探索，选择合适的焊接材料、工艺参数、焊前预热温度及焊接工艺参数，从而得到低温韧性和耐大气腐蚀性能良好焊接接头。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种极寒地区用高性能耐候桥梁钢的焊接方法，低温韧性良好、耐候性良好，同时焊接效率较高。

一种极寒地区用高性能耐候桥梁钢的焊接方法，最低温度为-60℃的极寒地区用，Q420qFNH高性能耐候桥梁钢的化学成分百分比为：C：≤0.11，Si：0.15～0.50，Mn：1.00～1.50，S：≤0.006，P：≤0.015，Cr：0.40～0.70，Ni：0.30～0.40，Cu：0.25～0.50，Mo：0.05～0.15，Nb：0.010～0.100，V：0.010～0.100，Ti：0.006～0.030，Al：≥0.020，余量为Fe及附带的杂质；焊接接头形式采用对接或T型角接，焊接方法采用埋弧焊、实心焊丝富氩气气体保护半自动焊，针对Q420qFNH高性能耐候桥梁钢不同的板厚B，确定焊前预热温度。

当板厚B≤20mm的板对接接料焊缝时，焊前不需要预热；坡口形式采用V型坡口，钝边尺寸为2mm，坡口角度为60°；采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊进行打底焊接，工艺参数包括焊接电流200～240A、电弧电压28～30V、焊速15～25m/h、热输入8～20KJ/cm；采用埋弧焊进行填充和盖面焊接，工艺参数包括焊接电流520～600A、电弧电压28～34V、焊速22～30m/h、热输入20～35KJ/cm、道间温度≤200℃；反面焊接前进行清根处理。

当板厚B为20～40mm的板对接接料焊缝时，焊前预热80～120℃；坡口形式采用X型坡口，钝边尺寸为2mm，坡口角度为60°；采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊进行打底焊接，工艺参数包括焊接电流200～240A、电弧电压28～30V、焊速15～25m/h、热输入8～20KJ/cm；采用埋弧焊进行填充和盖面焊接，工艺参数包括焊接电流520～600A、电弧电压28～34V、焊速22～30m/h、热输入20～35KJ/cm、道间温度均控制在80～200℃；反面焊接前进行清根处理。

当板厚B为20～40mm的板单元对接焊缝时，焊前预热80～120℃；坡口形式采用V型坡口，坡口角度为40°，间隙6mm，背面衬陶瓷衬垫；采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊，平位焊接时工艺参数包括焊接电流220～260A、电弧电压28～32V、焊速9～25m/h、热输入13～25KJ/cm、道间温度80～200℃，立位焊接时工艺参数包括焊接电流120～160A、电弧电压22～25V、焊速4～6m/h、热输入15.8～36KJ/cm、道间温度80～200℃。

优选的， T型角焊缝船位埋弧焊，不开坡口，工艺参数包括焊接电流540～660A、电弧电压30～33V、焊速20～26m/h、热输入25～40KJ/cm、道间温度80～200℃。

优选的，采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊焊接T型角焊缝，平位焊接时的工艺参数包括焊接电流220～260A、电弧电压28～32V、焊速9～25m/h、热输入13～25KJ/cm、道间温度80～200℃，立位焊接时的工艺参数包括焊接电流120～160A、电弧电压22～25V、焊速4～6m/h、热输入15.8～36KJ/cm、道间温度80～200℃。

优选的，使用的焊接材料为：埋弧焊，采用牌号为CHW-55NHQ3、直径为Ф4.0mm的焊丝，配牌号为CHF105NHQ的焊剂；实心焊丝富氩气气体保护半自动焊，采用牌号为CHW-55NHQ1、直径为Φ1.2mm的实心焊丝。

本发明针对极寒地区用Q420qFNH高性能耐候桥梁钢特定的成分范围和技术条件，提供了一种极寒地区用高性能耐候桥梁钢的焊接方法，解决了该耐候钢的焊接工艺问题，具体包括如下几个方面：1.确定焊前预热温度，以避免接头部位产生冷裂纹；2.焊缝强度和塑性不低于母材标准值，焊缝金属和热影响区（熔合线外1mm）-60℃夏比冲击功KV2≥41J，焊缝金属耐腐蚀指数I≥6.2；3.对该耐候钢的接头形式和板厚，提出合理的坡口形式和焊接方法；4.针对该耐候钢及其接头形式、坡口形式和焊接方法，选用合适的焊接材料；5.针对该耐候钢及其接头形式、坡口形式、焊接方法和焊接材料，提出合适的焊接工艺参数。

本发明具有如下优点：

1.焊前预热温度

本发明按照GB4675.5-84《焊接热影响区最高硬度试验方法》规定的条件，对板厚分别为20、32和40mm的极寒地区用Q420qFNH高性能耐候桥梁钢板分别进行焊接热影响区的最高硬度试验，结果分别为342、332和336HV10，接近350HV10,表明该钢有焊接冷裂纹倾向。

本发明按照GB4675.1-84《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》的规定，选用板厚为20、32、40mm的极寒地区用Q420qFNH高性能耐候桥梁钢作为试验材料，手工电弧焊作为焊接方法，牌号为CHE557FNHQ、直径为Ф4mm的焊条作为焊接材料，研究了该耐候钢在环境温度5℃、焊前不同预热温度、严格拘束等焊接条件下接头部位表面和断面的开裂倾向，结果表明，规格20mm的钢板在焊前不预热、规格32mm和40mm的钢板在预热温度为80℃条件下，接头部位的表面裂纹率和断面裂纹率均为零。试验结果证明在板厚≦20mm时，焊前不需要预热；在板厚在20～40mm时，焊前预热80～120℃即可避免焊接冷裂纹的产生。

2.焊接热输入

本发明将极寒地区用Q420qFNH高性能耐候桥梁钢板加工成尺寸为10×10×80（mm）的试件，先采用Gleeble3500试验机模拟焊接粗晶热影响区组织，相应的热循环参数包括焊前不预热，最高加热温度1350℃，焊接热输入分别为20、30、40和50KJ/cm，中止冷却温度100℃；然后按照GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》规定测试各模拟焊接粗晶热影响区-60℃夏比冲击功，对应的测试结果分别是124J、82J、52J和23J，表明当焊接热输入超过40KJ/cm时，所述耐候钢焊接热影响区的局部粗晶脆化倾向急剧增加，符合焊接热影响区（熔合线外1mm处）-60℃夏比冲击功≧47J的焊接热输入控制范围是≦40kJ/cm。

3.坡口形式、焊接方法和焊接参数

本发明针对极寒地区用Q420qFNH高性能耐候桥梁钢不同接头形式和板厚所采用的坡口形式、焊接方法和焊接参数，是为了兼顾接头的低温冲击韧性、耐候性和焊接效率。如钢板对接接料时，考虑焊接工艺性能和高效性，采用了实心焊丝富氩气气体保护半自动焊进行打底焊接加埋弧焊进行填充和盖面焊接的方法，采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊进行打底焊接可以有效地防止直接采用埋弧焊可能发生焊漏的情况，填充盖面焊接采用了埋弧焊方法以提高熔敷效率。当板厚B≤20mm时，坡口形式采用V型坡口，钝边尺寸为2mm，坡口角度为60°，采用这样的坡口设计，2mm钝边既可以保证打底焊时不会发生焊漏的情况，同时减轻了背面清根的工作量；板厚B为20～40mm时，坡口形式采用X型坡口，坡口角度为60°，钝边尺寸为2mm，采用这样的坡口设计，2mm钝边既可以保证打底焊时不会发生焊漏的情况，同时减轻了背面清根的工作量，双边对称坡口使得两面的焊接量接近，可以有效的控制焊接变形；板厚B为20～40mm的板单元对接焊缝时，坡口形式采用V型坡口，坡口角度为40°，间隙6mm，背面衬陶瓷衬垫，采用这种单面焊双面成型焊接技术，在保证焊缝成型的同时能有效的保证焊接质量；平位焊接采用实心焊丝富氩气气体保护，这种焊接方法焊接飞溅少成型好，能减轻焊后清理的工作量，富氩气保护较CO2气保护合金元素烧损少，能有效的提高焊缝的低温冲击韧性和耐大气腐蚀的性能。T型角接一般都是连续焊缝，不要求熔透，考虑耐候性、焊接效率和焊缝外观成型等，因此采用了较高热输入（25～40KJ/cm）的埋弧焊和方便灵活的实心焊丝气体保护焊等技术方案。

4.焊接材料

本发明针对极寒地区用Q420qFNH高性能耐候桥梁钢，在选用焊接材料时，首先考虑的是焊缝金属的强度、-60℃夏比冲击功、耐候性与母材尽可能匹配，选用CHW-55NHQ3埋弧焊丝配碱性的CHF105NHQ焊剂、以及CHW-55NHQ1实心焊丝作为焊接材料，形成的焊缝金属含有镍、铬、铜、钼等提高焊缝耐候性能的元素，要保证焊缝金属与母材化学成分相近，耐腐蚀指数I≥6.2，耐候性能不低于母材，且纯净度较高，焊缝组织以细小的针状铁素铁为主，强韧性兼备，是所述对极寒地区用Q420qFNH高性能耐候桥梁钢较为理想的焊接材料。

总之，本发明技术方案的制订依据都是建立在较为系统完整的焊接工艺评定试验和研究结果的基础之上，具有较充分的客观性和合理性。本发明在实施过程中，可以达到良好的接头力学性能、耐候性和焊接效率较高兼顾的效果，实用性强。因此，本发明对促进极寒地区免涂装钢桥的发展具有较重要的作用，本发明除了运用于桥梁结构的建造以外，还可以移置到其它耐候钢的焊接，适用性强。

附图说明

图1是本发明第一实施例的接头和坡口形式示意图；

图2是本发明第一实施例的焊道布置示意图；

图3是本发明第二实施例的接头和坡口形式示意图；

图4是本发明第二实施例的焊道布置示意图；

图5是本发明第三实施例的接头和坡口形式示意图；

图6是本发明第三实施例的平位焊接焊道布置示意图；

图7是本发明第三实施例的立位焊接焊道布置示意图；

图8是本发明第四至五实施例的接头形式示意图；

图9是本发明第四实施例的焊道布置示意图；

图10是本发明第五实施例的平位焊接焊道布置示意图；

图11是本发明第五实施例的立位焊接焊道布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及的极寒地区用Q420qFNH高性能耐候桥梁钢的化学成分列于表1，力学性能列于表2。

表1 钢板的化学成分

表2 钢板的力学性能

焊前预热温度：当板厚B≤20mm时，焊前不需要预热；当板厚B为20～40mm时，焊前预热80～120℃。

焊接热输入：接头及焊缝拉伸的性能Rel≥420MPa、Rm≥540MPa、A≥19%；接头的冲击性能-60℃KV2≥47J的焊接热输入控制范围是≤40kJ/cm。

焊接接头形式、坡口形式和焊接方法：

当板厚B≤20mm的板对接接料焊缝时，坡口形式采用V型坡口，钝边尺寸为2mm，坡口角度为60°；采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊进行打底焊接加埋弧焊进行填充和盖面焊接的方法，反面焊接前进行清根处理。

当板厚B为20～40mm的板对接接料焊缝时，坡口形式是：采用X型坡口，坡口角度为60°，钝边尺寸为2mm；采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊进行打底焊接加埋弧焊进行填充和盖面焊接的方法，反面焊接前进行清根处理。

当板厚B为20～40mm的板单元对接焊缝时，坡口形式是：采用V型坡口，坡口角度为40°，间隙6mm，背面衬陶瓷衬垫；平位、立位焊接均采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊。

T型角接采用船位埋弧焊、实心焊丝富氩气气体保护半自动焊，均不开坡口；其中埋弧焊船位焊接，实心焊丝富氩气气体保护半自动焊采用平位或立位焊接。

本发明根据桥梁结构常用的接头形式，即对接、T型角接，安排不同板厚的钢板进行组焊，作为实施例，具体组焊方式如下。

第一实施例为板厚20mm＋20mm的对接接料焊缝，采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊进行打底焊接加埋弧焊进行填充和盖面焊接的方法，反面焊接前进行清根处理，两板尺寸均为20×250×700mm，具体接头和坡口形式示意图以及焊道布置示意图分别如图1、图2所示。

第二实施例为板厚40mm＋40mm的对接接料焊缝，采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊进行打底焊接加埋弧焊进行填充和盖面焊接的方法，反面焊接前进行清根处理，两板尺寸均为40×250×700mm，具体接头和坡口形式示意图以及焊道布置示意图分别如图3、图4所示。

第三实施例为板厚32mm＋32mm的对接焊缝，采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊，背面衬陶质衬垫，焊接位置为平位和立位，两板尺寸均为32×250×700mm，具体接头和坡口形式示意图如图5所示，平位、立位焊接焊道布置示意图分别如图6、图7所示。

第四实施例为板厚20mm＋40mm的T型角焊缝船位埋弧焊，两板尺寸为20×400×600mm和40×400×600mm，其接头示意图及焊道布置示意图分别如图8、图9所示。

第五实施例为板厚20mm＋40mm 的T型角焊缝实心焊丝富氩气气保护焊，焊接位置为平位和立位，两板尺寸为20×400×600mm和40×400×600mm，其接头示意图如图8所示，平位、立位焊接焊道布置示意图分别如图10、图11所示。

针对上述不同板厚、接头形式和焊接方法所构成的组焊方式，按本发明的焊接技术方案进行施焊，其中，接头形式、坡口形式、焊道布置和顺序分别见图1～图11。采用的焊接工艺参数，包括预热温度、热输入、道间温度、焊接电流、电弧电压和焊速等，均列于表3。

表3 按本发明方法实施的技术方案和结果

本发明涉及的焊接材料包括牌号为CHW-55NHQ3、直径为Φ4.0mm的埋弧焊丝，配牌号为CHF105NHQ的焊剂；牌号为CHW-55NHQ1、直径为Φ1.2mm的实心焊丝；涉及的焊接设备包括ZD5（D）-1250型埋弧焊设备配 A2型焊车，KR500型气体保护焊设备，极性为直流反接。

其它施焊条件为:1.焊剂使用前经350℃烘干，保温2小时；2.施焊环境温度为10～20℃，环境湿度为20～50%；3.对接接料焊缝反面焊接前清根并打磨干净。

本发明的实施效果如下：

第一至第五实施例的焊缝，经外观检查，确认外部质量均符合Q/CR 9211-2015《铁路钢桥制造规范》标准中条款4.9.12的要求，对接焊缝全长超声波探伤检验，确认内部质量均达到Q/CR 9211-2015中I级的要求；T型角焊缝全长进行磁粉探伤检验，确认内部质量均达到JB/T6061中2X级的要求。另外，对接头的拉伸性能、焊缝的拉伸性能、焊缝和热影响区（熔合线外1mm）-60℃夏比冲击功、接头的弯曲性能、接头的最高硬度和焊缝金属的耐腐蚀指数进行了测试，第一至第五实施例焊接接头的各项力学性能均达到以下技术条件：接头及焊缝拉伸的性能Rel≥420MPa、Rm≥540MPa、A≥19%；焊缝及热影响区（熔合线外1mm）-60℃冲击韧性KV2≥47J；接头的冷弯性能：侧弯α=180º，完好；接头的最高硬度：HV10≤380，符合现行GB/T714-2015标准对Q420qFNH耐候钢力学性能的规定；焊缝的耐腐蚀指数I≥6.2，耐候性能不低于母材。

第一至第五实施例涉及到20mm、32mm和40mm三种规格钢板不同形式的组焊，根据工程经验，有关焊接技术方案和相应的检验结果，其代表性和适用性，可以分别覆盖15～30mm、24～41mm和30～52mm厚度规格的Q420qFNH耐候钢板。由此可见，本发明的焊接方法，较全面地覆盖了桥梁结构的接头形式和厚度规格，且实施效果均符合现行相关标准的技术条件，可以实际运用于Q420qFNH耐候钢桥梁结构的焊接。

最后，还需要注意的是，以上列举仅是本发明一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种极寒地区用高性能耐候桥梁钢的焊接方法，其特征在于，最低温度为-60℃的极寒地区用，Q420qFNH高性能耐候桥梁钢的化学成分百分比为：C：≤0.11，Si：0.15～0.50，Mn：1.00～1.50，S：≤0.006，P：≤0.015，Cr：0.40～0.70，Ni：0.30～0.40，Cu：0.25～0.50，Mo：0.05～0.15，Nb：0.010～0.100，V：0.010～0.100，Ti：0.006～0.030，Al：≥0.020，余量为Fe及附带的杂质；

焊接接头形式采用对接或T型角接，焊接方法采用埋弧焊、实心焊丝富氩气气体保护半自动焊，针对Q420qFNH高性能耐候桥梁钢不同的板厚B，确定焊前预热温度；

当板厚B≤20mm的板对接接料焊缝时，焊前不需要预热；坡口形式采用V型坡口，钝边尺寸为2mm，坡口角度为60°；采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊进行打底焊接，工艺参数包括焊接电流200～240A、电弧电压28～30V、焊速15～25m/h、热输入8～20KJ/cm；采用埋弧焊进行填充和盖面焊接，工艺参数包括焊接电流520～600A、电弧电压28～34V、焊速22～30m/h、热输入20～35KJ/cm、道间温度≤200℃；反面焊接前进行清根处理；

当板厚B为20～40mm的板对接接料焊缝时，焊前预热80～120℃；坡口形式采用X型坡口，钝边尺寸为2mm，坡口角度为60°；采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊进行打底焊接，工艺参数包括焊接电流200～240A、电弧电压28～30V、焊速15～25m/h、热输入8～20KJ/cm；采用埋弧焊进行填充和盖面焊接，工艺参数包括焊接电流520～600A、电弧电压28～34V、焊速22～30m/h、热输入20～35KJ/cm、道间温度均控制在80～200℃；反面焊接前进行清根处理；

当板厚B为20～40mm的板单元对接焊缝时，焊前预热80～120℃；坡口形式采用V型坡口，坡口角度为40°，间隙6mm，背面衬陶瓷衬垫；采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊，平位焊接时工艺参数包括焊接电流220～260A、电弧电压28～32V、焊速9～25m/h、热输入13～25KJ/cm、道间温度80～200℃，立位焊接时工艺参数包括焊接电流120～160A、电弧电压22～25V、焊速4～6m/h、热输入15.8～36KJ/cm、道间温度80～200℃。

2.根据权利要求1所述的极寒地区用高性能耐候桥梁钢的焊接方法，其特征在于，T型角焊缝船位埋弧焊，不开坡口，工艺参数包括焊接电流540～660A、电弧电压30～33V、焊速20～26m/h、热输入25～40KJ/cm、道间温度80～200℃。

3.根据权利要求1所述的极寒地区用高性能耐候桥梁钢的焊接方法，其特征在于,采用实心焊丝富氩气气体保护半自动焊焊接T型角焊缝，平位焊接时的工艺参数包括焊接电流220～260A、电弧电压28～32V、焊速9～25m/h、热输入13～25KJ/cm、道间温度80～200℃，立位焊接时的工艺参数包括焊接电流120～160A、电弧电压22～25V、焊速4～6m/h、热输入15.8～36KJ/cm、道间温度80～200℃。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的极寒地区用高性能耐候桥梁钢的焊接方法，其特征在于，使用的焊接材料为：

埋弧焊，采用牌号为CHW-55NHQ3、直径为Ф4.0mm的焊丝，配牌号为CHF105NHQ的焊剂；

实心焊丝富氩气气体保护半自动焊，采用牌号为CHW-55NHQ1、直径为Φ1.2mm的实心焊丝。