徐向軍，高建忠，劉振剛，范軍旗

中鐵山橋集團有限公司 河北秦皇島 066205

1 序言

官廳水庫公路特大橋為主跨720m的雙塔單跨懸索橋，效果圖如圖1所示。由于大橋跨越北京市飲用水源地——官廳水庫，考慮到環(huán)保要求，通過技術(shù)論證確定本橋鋼結(jié)構(gòu)采用免涂裝Q345qENH耐候鋼。以往耐候橋梁鋼都是在中小跨度橋上應(yīng)用，本項目是我國首次在大跨度懸索橋上采用免涂裝耐候鋼，且為全焊接連接，為此需要對新開發(fā)的Q345qENH耐候鋼進行應(yīng)用試驗研究，為官廳水庫公路特大橋制造提供技術(shù)支持。

圖1 官廳水庫特大橋效果圖

2 Q345qENH鋼板技術(shù)指標

根據(jù)設(shè)計需要，官廳水庫公路特大橋?qū)345qENH鋼板的性能指標要求見表1，鋼板成分和力學性能符合GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的要求[1]，－40℃低溫沖擊吸收能量≥120J，屈強比≤0.85，耐大氣腐蝕指數(shù)I≥6.0。

3 Q345qENH鋼板母材試驗結(jié)果

某鋼廠采用T M C P工藝生產(chǎn)了Q345q E N H鋼板，對板厚8mm、16mm、24mm、36mm、44mm、60mm的Q345qENH鋼板進行母材復驗。試驗內(nèi)容包括母材的化學成分、冷裂紋敏感系數(shù)Pcm、耐大氣腐蝕指數(shù)I以及拉伸、彎曲、－40℃低溫沖擊、厚度方向性能等力學性能，試驗結(jié)果見表2、表3。

從表2的化學成分分析可以看出，鋼板的C、S、P含量與裂紋敏感系數(shù)較小，有益于提高鋼板的焊接性。鋼板的耐大氣腐蝕指數(shù)I為6.5～6.6，耐候性滿足設(shè)計要求。從表3的力學性能可以看出，試驗結(jié)果均滿足表1的規(guī)定，鋼板的抗拉強度、塑性均滿足技術(shù)要求，屈強比為0.67～0.85，－40℃沖擊吸收能量均＞180J，低溫沖擊性能優(yōu)良。厚度方向性能均滿足GB/T 5313—2010中最高標準Z35級的要求。

表1 高性能橋梁用Q345qENH鋼技術(shù)條件

表2 Q345qENH鋼板化學成分

表3 Q345qENH鋼板力學性能

4 Q345qENH鋼板系列溫度沖擊試驗

對板厚24mm、44mm的Q345qENH鋼板進行常溫、0℃、－20℃、－40℃、－60℃的系列溫度沖擊試驗，韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖2、圖3所示。由圖2和圖3可以看出：板厚24mm、44mm鋼板的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50均低于－60℃。

圖2 板厚20mm的Q345qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)曲線

圖3 板厚44mm的Q345qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)曲線

5 Q345qENH鋼板熱加工工藝性能試驗

（1）Q345qENH鋼板切割工藝性能試驗 在鋼橋制造過程中，對鋼板需要進行切割下料和焊接變形火焰修整，為了檢測Q345qENH鋼板切割面質(zhì)量和火焰矯正對鋼板性能的影響，需要對鋼板進行熱加工工藝性能試驗。

對板厚8mm、16mm、24mm、36mm、44mm和60mm的Q345qENH鋼板進行切割面粗糙度檢測，切割面光滑、齊整，切割面粗糙度值≤25μm。通過磁粉檢測，切割面沒有裂紋或其他危害性缺陷，鋼板切割面硬度試驗結(jié)果見表4。

表4的切割面硬度試驗結(jié)果表明，Q345qENH鋼板火焰切割面最大硬度為297HV10，等離子切割面最大硬度為333HV10，均低于標準值350HV10，表明Q345qENH鋼板切割工藝性良好。

（2）Q345qENH鋼板熱矯形工藝性能試驗 針對板厚16mm、24mm、36mm、44mm的Q345qENH鋼板進行了熱矯形工藝試驗，加熱方法為超能氣（炳烷+添加劑）＋氧氣火焰加熱，加熱區(qū)的最高溫度分別按700℃、800℃和900℃控制，測試了加熱區(qū)的拉伸、彎曲、低溫沖擊力學性能，試驗結(jié)果見表5。

由表5的試驗結(jié)果可以看出，16mm、24mm、36mm、44mm的Q345qENH鋼板加熱700℃、800℃后，力學性能全部合格；加熱9 0 0℃后，板厚16mm的Q345qENH鋼板屈服強度不合格。因此，Q345qENH鋼板的熱矯形加熱溫度應(yīng)不超過800℃。

表4 Q345qENH鋼板切割面硬度

6 Q345qENH鋼板配套焊接材料試驗

由于沒有現(xiàn)成的Q345q E N H耐候鋼板配套焊材，我們根據(jù)鋼板成分和焊接接頭力學性能要求，確定了Q345qENH耐候鋼用焊材技術(shù)要求，見表6。

為了選擇與Q345q E N H鋼板相匹配的焊接材料，與有關(guān)焊材廠聯(lián)合開發(fā)了耐候鋼焊材，如C H E507N H Q焊條、C H W-55N H Q3埋弧焊絲、C H F105N H Q埋弧焊劑、C H W-55N H Q1和TH550-NQ-II實芯氣體保護焊絲、CHT71NHQ和JQ.YJ501NiCrCu-1藥芯氣體保護焊絲。對耐候鋼焊材分別進行了熔敷金屬化學成分分析和力學性能試驗，結(jié)果見表7和表8，化學成分分析和力學性能均滿足技術(shù)條件要求。其中實芯氣體保護焊絲保護氣體為富氬混合氣（80%Ar+20%CO2），藥芯氣體保護焊絲保護氣為CO2。

表6 Q345qENH耐候鋼用焊材技術(shù)要求

表7 焊接材料熔敷金屬化學成分

表8 焊接材料熔敷金屬力學性能

7 Q345qENH鋼板焊接性試驗

（1）Q345q E N H鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗 對板厚8mm、24mm、36mm、44mm的Q345qENH鋼板分別進行焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗，試驗按照《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法》的規(guī)定進行，采用CHE507NHQ焊條焊接，焊條直徑4mm。焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線如圖4～圖7所示。

圖4 板厚8mm的Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線

圖5 板厚24mm的Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線

圖6 板厚36mm的Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線

圖7 板厚44mm的Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線

由圖4～圖7可知，板厚8mm、24mm、36mm和44mm的Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為250HV10、266HV10、260HV10和263HV10，遠低于350HV10，表明Q345qENH鋼板的焊接性良好。

（2）Q345q E N H鋼板斜Y坡口焊接裂紋試驗 對板厚24m m、36m m、44m m、60m m的Q345qENH鋼板分別進行斜Y坡口焊接裂紋試驗，參照《焊接性試驗 斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》進行，采用氣體保護焊方法焊接，焊接材料為φ1.2mm的CHT71NHQ藥芯焊絲。對板厚24mm的鋼板不預熱，對板厚36mm、44mm和60mm的鋼板分別預熱80℃、100℃和120℃后進行焊接試驗，均沒有產(chǎn)生裂紋，焊接參數(shù)和試驗結(jié)果見表9，斜Y坡口焊接裂紋試件如圖8所示。

由斜Y坡口焊接裂紋試驗結(jié)果可以確定Q345qENH鋼板防止產(chǎn)生冷裂紋的預熱溫度（當環(huán)境溫度≥5℃，環(huán)境濕度≤80%時）：板厚≤24mm時不需要預熱，板厚＞24～36mm時預熱80℃，板厚＞36～44mm時預熱100℃，板厚＞44～60mm時預熱120℃。

（3）Q345qENH鋼板對接焊縫系列溫度沖擊試驗 對板厚組合（36+24）mm、（44+44）mm的Q345qENH鋼板對接接頭的焊縫金屬和熱影響區(qū)（熔合線外1mm處）進行常溫至－60℃系列溫度沖擊試驗，確定Q345qENH鋼板對接接頭的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50。

表9 Q345qENH鋼板斜Y坡口焊接裂紋試驗結(jié)果

圖8 斜Y坡口焊接裂紋試件照片

圖9 試板和焊縫坡口尺寸

對接焊縫采用氣體保護焊打底和埋弧焊填充的方法焊接，氣體保護焊采用C H W-55N H Q1（φ1.2m m）實芯焊絲焊接，埋弧焊采用C H W-55NHQ3（φ4.0mm）焊絲+CHF105NHQ焊劑焊接，對接焊縫焊接參數(shù)見表10。

焊接后進行焊縫外觀檢查，焊縫外觀質(zhì)量滿足Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》要求。24h后對焊縫進行超聲波檢測，焊縫內(nèi)部質(zhì)量達到Q/CR 9211—2015 I級要求。之后進行焊縫金屬和熱影響區(qū)常溫至－60℃系列溫度沖擊試驗，試驗結(jié)果見表11，系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖10～圖13所示。

由表11和圖10～圖13可以看出，板厚（36+24）mm的焊縫金屬韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－45℃，熱影響區(qū)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度E T T50低于－60℃；板厚（44+44）mm的焊縫金屬和熱影響區(qū)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50均為－50℃。

表10 對接焊縫焊接參數(shù)

表11 Q345qENH鋼板對接接頭系列溫度沖擊試驗結(jié)果

圖10 板厚（24+36）mm對接接頭焊縫金屬系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖11 板厚（24+36）mm對接接頭熱影響區(qū)（24mm板側(cè)）系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖12 板厚（44+44）mm對接接頭焊縫金屬系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖13 板厚（44+44）mm對接接頭熱影響區(qū)系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

8 結(jié)束語

1）高性能耐候橋梁用Q345qENH鋼板化學成分符合GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，力學性能滿足設(shè)計要求。C、S、P含量和裂紋敏感系數(shù)較小，有益于提高鋼板的焊接性，耐大氣腐蝕指數(shù)I≥6.5；鋼板的屈強比為0.67～0.85，－40℃沖擊吸收能量均＞180J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于－60℃，低溫沖擊性能優(yōu)良。厚度方向性能滿足GB 5313—2010中最高標準Z35級的要求，抗層狀撕裂性能良好。

2）Q345qENH鋼板的切割面質(zhì)量和熱矯形溫度≤800℃的力學性能合格。

3）Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度低于350H V10；板厚≤24m m時不需要預熱，板厚＞24～36m m時預熱80℃，板厚＞36～44m m時預熱100℃，板厚＞44～60mm時預熱120℃，能夠防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生；埋弧焊對接接頭焊縫金屬的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－45～－60℃，熱影響區(qū)的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－50℃。

4）Q345qENH鋼板的綜合力學性能、熱加工性能和焊接性能優(yōu)良。