CN108723627B - 一种抗拉强度≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种抗拉强度≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法：基材力学性能：R_eL≥690MPa，R_m≥810MPa，A≥14%，‑40℃KV₂冲击功≥120J；32mm等厚桥梁钢焊接；坡口为：双面V型对称，角度为60°，钝边1.5mm；焊丝：手工焊条及气保护焊丝；焊接工艺：先气保焊打底，再手工焊盖面。本发明接头性能：焊缝R_m≥879MPa，20℃KV₂≥148J；熔合线20℃KV₂≥172J，热影响区（1mm）20℃KV₂≥219J；焊缝‑20℃KV₂≥116J，熔合线‑20℃KV₂≥177J，热影响区（1mm）‑20℃KV₂≥215J；焊缝‑40℃KV₂≥82J，熔合线‑40℃KV₂≥117J，热影响区（1mm）‑40℃KV₂≥160J。接头三区有较高的冲击韧性储备及安全裕度。

Description

一种抗拉强度≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法

技术领域

本发明涉及一种大跨度桥梁钢厚板的焊接方法，具体属于一种抗拉强度≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法，其适用于焊接抗拉强度R_m≥810MPa高强度桥梁结构用钢32mm等厚板接头的焊接。

背景技术

随着我国铁路、公路交通运输能力的大幅度提升,铁路和公路桥梁的建设规模不断扩大，技术水平不断提高，桥梁的功能、结构和建造技术向适应高速、重载、大跨度、整体性好、安全性高、采用全焊接节点钢结构的方向发展。因此，对桥梁用钢的强度、低温韧性、腐蚀等使用性能和焊接性能的要求越来越高。如我国拟建的江汉七桥是一座双向6车道公路桥梁，主桥远期拓宽为双向8车道条件，其主桥采用跨度为408米的重载公路桥。

为适应我国公路桥梁建设向高强、大跨、重载、高速方面发展的要求，宝武集团为该桥开发研制了我国新一代高强度、高韧性、高耐候性桥梁用钢Q690qE（抗拉强度大于810MPa）。其在提高强度的同时低温冲击韧性、耐候性也有较大的提高。

但是，随着基材性能的提高，其对与之相匹配的焊接材料及焊接工艺也提出了迫切的要求。如不及时有效地解决高强度、高韧性、高耐候性桥梁钢种的焊接性及配套焊接材料和焊接工艺问题，将会直接阻碍我国桥梁钢的发展及新钢种的推广应用。因此，加快开展大跨度桥梁用钢焊接工艺及配套焊接材料研究，对我国桥梁用钢在大跨、重载、高速厚板桥梁结构制造技术的推广应用具有重大经济效益及社会效益，也为我国桥梁事业走出国门打下坚实的基础。

众所周知，随着建桥基材强度的增加，尤其从目前的以屈服强度级别为牌号的Q420qE、Q500qE提高到Q690qE，在焊接过程中容易产生开裂问题，对于高强钢，焊前预热是防止焊接冷裂纹产生的重要工艺措施；而焊后缓冷或热处理可以使扩散的氢充分逸出，降低焊接残余应力，减少淬硬性，从而降低焊接冷裂纹倾向。宝武集团新研究的抗拉强度大于810MPa，屈服强度大于690MPa的桥梁钢，如果焊前不预热、焊后不进行缓冷或热处理，则难以保证焊接后结构不变形、无裂纹产生、焊接接头难以获得优良的力学性能，这是要解决的首要关键技术。然而大型钢结构制造过程进行焊前预热、焊后缓冷或热处理意味着施工条件恶化、制造成本增加及制造周期的困难，无法满足施工的技术要求。

开发研究的我国新一代高强度、高韧性、高耐候性桥梁用钢，其抗拉强度大于810MPa，屈服强度大于690MPa。这对焊接接头的性能提出了更高的要求，焊接接头必须具有与基材相当的强韧性匹配及耐候性能。采用目前国内现有810MPa级焊接材料与焊接工艺匹配，熔敷金属冲击功与实际焊接接头韧性以及接头耐候性能远不能满足新一代大跨度、重载荷桥梁结构制造的焊接技术要求；采用单一的手工焊，在抗拉强度大于810 MPa高强度桥梁钢厚板对接多层焊接情况下，焊前不预热无法满足施工防裂的技术要求。

经检索：中国专利申请号为CN201210279121.5的文献，其公开了《80毫米厚高强度桥梁钢对接手工焊接的方法》。采用抗拉强度R_m为≥570MPa、屈服强度R_eL≥420MPa，延伸率：A≥18%，-40℃KV₂冲击功≥120J的高强度桥梁钢，其厚度为80 mm，并为相同板厚组合对接手工焊接；匹配的焊条抗拉强度大于600 MPa，焊条直径Ф4.0mm；手工焊坡口采用X型对称坡口，坡口角度为60°，钝边为1mm；焊接线能量16~17kJ/cm条件下、采用连续施焊，以使焊缝填满为止，层间温度控制在135~145℃。中国专利申请号为CN201410137774.9的文献，其公开了《一种高强度级别Q500qE桥梁钢手工焊接方法》，其适用的基板力学性能：屈服强度R_eL≥500MPa、抗拉强度R_m≥650MPa，延伸率：A≥18％，-40℃KV2冲击功≥120J；厚板组合为50mm及60mm等厚焊接，且焊前不预热，焊后不进行热处理；坡口为双面V型对称坡口，坡口角度为60°，钝边2mm；焊接材料匹配：焊条抗拉强度≥650MPa，直径Ф5.0mm；焊接工艺：电流175A，电压~27V，速度~16cm/min，线能量18kJ/cm；多层多道连续施焊，层间温度170~210℃。

上述公开的二个文献不足主要是钢材强度级别低、焊接配套材料强度低、耐腐蚀性能无法满足工程大跨度、重载荷桥梁结构服役的技术要求。仅使用手工焊接抗拉强度大于810 MPa高强度桥梁钢厚板，焊前不预热无法满足施工防裂的技术要求。随着建桥基材强度提高到Q690qE，在焊前不预热，焊后不热处理的情况下，保证焊接过程中大型钢结构防裂、防断成为制造过程的首要关键技术。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的不足，提出一种抗拉强度≥810MPa桥梁钢厚板手工复合焊接方法，以解决双向8车道，主桥采用跨度为408米的重载公路桥接头在焊缝焊前不预热、焊后不进行热处理，在保证安全服役的前提下，焊接后结构不变形、无裂纹产生，接头具有优良的综合力学性能及耐候性能的抗拉强度≥810MPa桥梁钢厚板手工复合焊接方法。

本发明的另一个目的是手工复合焊接对接接头力学性能，焊缝抗拉强度R_m≥810MPa，接头冷弯d=3a，180°合格，焊缝冲击功20℃KV₂≥145J，熔合线冲击功20℃KV₂≥170J，热影响区（1mm）20℃KV₂≥215J；焊缝-20℃KV₂≥116J，熔合线冲击功-20℃KV₂≥170J，热影响区（1mm）-20℃KV₂≥215J；焊缝-40℃KV₂≥80J，熔合线冲击功-40℃KV₂≥117J，热影响区（1mm）-40℃KV₂≥160J，接头三区平均冲击功远高于标准值要求，且缝耐腐蚀指数I值≥8.4。

实现上述目的的措施

一种抗拉强度≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法，其步骤：

1）基材力学性能：力学性能特征为：屈服强度R_eL≥690MPa，抗拉强度R_m≥810MPa，延伸率A≥14%，-40℃KV₂冲击功≥120J；厚度为32mm等厚桥梁钢；

2）坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为60°，钝边1.5mm；

3）匹配的两种焊材：手工焊条采用强度≥810MPa，焊条直径Ф4.0mm；焊条烘烤制度为380℃×1h；气保护焊丝采用强度≥810MPa，焊丝直径Ф为1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先采用气保焊接打底焊1道次，其焊接电流为260~270A、焊接电压在26~27V、焊接速度29~30cm/min、焊接线能量~15kJ/cm，并采用体积百分比为20%CO₂加上80%Ar的富氩作保护气体，在其流量为22~25 L/min的条件下进行施焊；

b）盖面进行手工焊，其采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，其焊接电流为170~180A，焊接电压26~27V，焊接速度16~17cm/min，焊接线能量17kJ/cm，层间温度控制在150~170℃，焊条烘烤制度为380℃×1h。

其在于：所述气保护焊丝的熔敷金属的力学性能：抗拉强度R_m为880MPa，延伸率A为17%，断面收缩率Z为65%，-40℃KV₂冲击功为102J。

其在于：所述手工焊条的熔敷金属的力学性能：抗拉强度R_m为872MPa，延伸率A为18%，断面收缩率Z为64%，-40℃KV₂冲击功为108J。

本发明钢种从目前的Q420qE、Q500qE提高到Q690qE，且接头采用焊前不预热，焊后不进行热处理工艺，经采用大量试验选择的焊接工艺参数，并进行探伤检测，未发现有裂纹产生的现象，焊接接头具有优良低温性能及抗裂性能，接头三区的-40℃KV₂冲击功达到82~163J，远高于桥梁钢对接接头三区-40℃KV₂≥47J焊接性能标准，接头具有较高的冲击韧性储备及安全裕度，且焊缝耐腐蚀指数I不低于8.4，完全能满足大跨度、重载荷桥梁桥结构制造的关键技术要求。

本发明公开具有如下优点：

(1) 本发明提出的一种高强度高韧性高耐候性桥梁钢手工焊接工艺方法，其复合焊接对接接头力学性能，焊缝抗拉强度R_m≥879MPa，接头冷弯d=3a，180°合格，焊缝冲击功20℃KV₂≥148J，熔合线冲击功20℃KV₂≥172J，热影响区（1mm）20℃KV₂≥219J；焊缝-20℃KV₂≥116J，熔合线冲击功-20℃KV₂≥177J，热影响区（1mm）-20℃KV₂≥215J；焊缝-40℃KV₂≥82J，熔合线冲击功-40℃KV₂≥117J，热影响区（1mm）-40℃KV₂≥160J，接头具有优良的低温韧性，耐腐蚀性能，接头三区具有较高的冲击韧性储备及安全裕度。完全满足了我国拟建的江汉七桥厚板结构手工焊接工艺关键制造技术。

(2) 采用本发明焊接工艺技术，手工焊接头过热区主要为贝氏体组织，焊缝金属主要为细小的针状铁素体组织，从而使焊缝具有优良的低温冲击韧性，接头具有优良的抗裂性、耐蚀性及优良的综合力学性能。

(3) 采用本发明气保护焊打底+手工焊盖面复合焊接工艺技术实现了高强度桥梁钢厚板结构制造过程焊前不预热、焊后不进行热处理的焊接工艺，采用多层多道连续施焊工艺时接头具有优良的抗裂性、耐蚀性及优良的综合力学性能。接头具有优良的高强、高韧、高耐候性匹配，接头三区具有较高的冲击韧性储备及安全裕度。

且本发明焊接工艺操作简便、适用方便、高效、节能、能使工厂大批量制造大跨度、重载荷桥梁钢厚板。

附图说明

附图1为本发明32mm厚双V型接头坡口示意图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

实施例1

试板尺寸为600mm×400mm×32mm；

一种抗拉强度≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法，其步骤：

1）基材力学性能：力学性能特征为：屈服强度R_eL705MPa，抗拉强度R_m874MPa，延伸率A16%，-40℃KV₂冲击功210J；厚度为32mm等厚桥梁钢；

2）坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为60°，钝边1.5mm；

3）匹配的两种焊材：手工焊条采用抗拉强度872MPa，焊条直径Ф4.0mm；焊条烘烤制度为380℃×1h；气保护焊丝采用抗拉强度880MPa，焊丝直径Ф为1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先采用气保焊接打底焊1道次，其焊接电流为262~266A、焊接电压26V、焊接速度29cm/min、焊接线能量15kJ/cm，并采用体积百分比为20%CO₂加上80%Ar的富氩作保护气体，在其流量为22 L/min的条件下进行施焊；

b）盖面进行手工焊，其采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，其焊接电流为170~175A，焊接电压26V，焊接速度16cm/min，焊接线能量17kJ/cm，层间温度控制在150~159℃，焊条烘烤制度为380℃×1h。

经对其焊接的复合接头进行力学性能检测：接头抗拉强度R_m=888MPa，接头冷弯d=3a，180°合格，接头三区冲击功焊缝20℃KV₂=148J，熔合线冲击功20℃KV₂=186J，热影响区（1mm）20℃KV₂= 231J，焊缝-20℃KV₂=116J，熔合线冲击功-20℃KV₂=177J，热影响区（1mm）-20℃KV₂= 229J，焊缝-40℃KV₂=96J，熔合线冲击功-40℃KV₂=117J，热影响区（1mm）-40℃KV₂= 160J，焊缝耐腐蚀指数I=8.4，其远高于标准值大于6的技术要求，完全满足我国新一代高强、高韧、高耐候性桥梁钢种的配套焊接技术要求。

实施例2

试板尺寸为600mm×400mm×32mm；

一种抗拉强度≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法，其步骤：

1）基材力学性能：力学性能特征为：屈服强度R_eL705MPa，抗拉强度R_m874MPa，延伸率A16%，-40℃KV₂冲击功210J；厚度为32mm等厚桥梁钢；

2）坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为60°，钝边1.5mm；

3）匹配的两种焊材：手工焊条采用抗拉强度872MPa，焊条直径Ф4.0mm；焊条烘烤制度为380℃×1h；气保护焊丝采用抗拉强度880MPa，焊丝直径Ф为1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先采用气保焊接打底焊1道次，其焊接电流为265~270A、焊接电压27V、焊接速度29cm/min、焊接线能量15kJ/cm，并采用体积百分比为20%CO₂加上80%Ar的富氩作保护气体，在其流量为23 L/min的条件下进行施焊；

b）盖面进行手工焊，其采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，其焊接电流为176~180A，焊接电压27V，焊接速度17cm/min，焊接线能量17kJ/cm，层间温度控制在160~170℃，焊条烘烤制度为380℃×1h。

经对其焊接的复合接头进行力学性能检测：接头抗拉强度R_m =879MPa，接头冷弯d=3a，180°合格，接头三区冲击功焊缝冲击功20℃KV₂=201J，熔合线冲击功20℃KV₂=172J，热影响区（1mm）20℃KV₂= 219J，焊缝-20℃KV₂=125J，熔合线冲击功-20℃KV₂=177J，热影响区（1mm）-20℃KV₂= 215J，焊缝-40℃KV₂=82J，熔合线冲击功-40℃KV₂=120J，热影响区（1mm）-40℃KV₂=163J，焊缝耐腐蚀指数I=9.48，远高于标准值大于6的技术要求。其完全满足我国新一代高强、高韧、高耐候性桥梁钢种的配套焊接技术要求。

实施例3

试板尺寸为600mm×400mm×32mm；

一种抗拉强度≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法，其步骤：

1）基材力学性能：力学性能特征为：屈服强度R_eL711MPa，抗拉强度R_m862MPa，延伸率A16%，-40℃KV₂冲击功220J；厚度为32mm等厚桥梁钢；

2）坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为60°，钝边1.5mm；

3）匹配的两种焊材：手工焊条采用抗拉强度872MPa，焊条直径Ф4.0mm；焊条烘烤制度为380℃×1h；气保护焊丝采用抗拉强度880MPa，焊丝直径Ф为1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先采用气保焊接打底焊1道次，其焊接电流为265~270A、焊接电压27V、焊接速度30cm/min、焊接线能量15kJ/cm，并采用体积百分比为20%CO₂加上80%Ar的富氩作保护气体，在其流量为23 L/min的条件下进行施焊；

b）盖面进行手工焊，其采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，其焊接电流为176~180A，焊接电压27V，焊接速度17cm/min，焊接线能量~17kJ/cm，层间温度控制在160~165℃，焊条烘烤制度为380℃×1h。

经对其焊接的复合接头进行力学性能检测：接头抗拉强度R_m=880MPa，接头冷弯d=3a，180°合格，接头三区冲击功焊缝冲击功20℃KV₂=165J，熔合线冲击功20℃KV₂=175J，热影响区（1mm）20℃KV₂=222J，焊缝-20℃KV₂=120J，熔合线冲击功-20℃KV₂=173J，热影响区（1mm）-20℃KV₂=218J，焊缝-40℃KV₂=91J，熔合线冲击功-40℃KV₂=118J，热影响区（1mm）-40℃KV₂=161J，焊缝耐腐蚀指数I=8.9，远高于标准值大于6的技术要求。其完全满足我国新一代高强、高韧、高耐候性桥梁钢种的配套焊接技术要求。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (3)

1.一种抗拉强度≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法，其步骤：

1）基材力学性能：力学性能特征为：屈服强度R_eL≥690MPa，抗拉强度R_m≥810MPa，延伸率A≥14%，-40℃KV₂冲击功≥120J；厚度为32mm等厚桥梁钢；

2）坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为60°，钝边1.5mm；

3）匹配的两种焊材：手工焊条采用抗拉强度≥810MPa，焊条直径Ф4.0mm；焊条烘烤制度为380℃×1h；气保护焊丝采用抗拉强度≥810MPa，焊丝直径Ф为1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先采用气保焊接打底焊1道次，其焊接电流为260~270A、焊接电压在26V、焊接速度29~30cm/min、焊接线能量15kJ/cm，并采用体积百分比为20%CO₂加上80%Ar的富氩作保护气体，在其流量为22~25 L/min的条件下进行施焊；

b）盖面进行手工焊，其采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，其焊接电流为175~180A，焊接电压26~27V，焊接速度16~17cm/min，焊接线能量17kJ/cm，层间温度控制在150~ 170℃，焊条烘烤制度为380℃×1h。

2.如权利要求1所述的一种抗拉强度R_m≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法，其特征在于：所述气保护焊丝的熔敷金属的力学性能：抗拉强度R_m为880MPa，延伸率A为17%，断面收缩率Z为65%，-40℃KV₂冲击功为102J。

3.如权利要求1所述的一种抗拉强度R_m≥810MPa桥梁钢手工复合焊接方法，其特征在于：所述手工焊条的熔敷金属的力学性能：抗拉强度R_m为872MPa，延伸率A为18%，断面收缩率Z为64%，-40℃KV₂冲击功为108J。

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