車平，李軍平，朱新華

中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

高強(qiáng)度橋梁鋼為橋梁工程師提供了設(shè)計更加輕盈、跨度更大的橋梁的可能[1]，與低強(qiáng)度鋼相比，高強(qiáng)度鋼焊接性和熱加工性較差，限制了其應(yīng)用，因此，研發(fā)強(qiáng)度高、焊接性和熱加工性好的高性能橋梁鋼一直是鋼橋材料的研發(fā)方向。從2000年開始，國外發(fā)達(dá)國家已將屈服強(qiáng)度690MPa級的高性能鋼應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，例如：美國研發(fā)了系列高性能鋼HPS70W和HPS100W，于2003年將HPS100W用于Nebraska橋；日本研發(fā)了BHS500W和BHS700W高強(qiáng)鋼，于1998年將BHS700W鋼應(yīng)用于明石海峽橋[2]；歐洲致力于建立高強(qiáng)鋼橋梁的設(shè)計準(zhǔn)則和規(guī)范體系，研發(fā)了S460QL鋼和S690QL鋼，德國因戈爾施塔特組合橋梁的半剛性連接采用了S690QL鋼，以及韓國于2009年將HSB800W鋼應(yīng)用于Lee-Sunshine橋。然而，除了日本明石海峽大橋外，國外使用690MPa級高強(qiáng)鋼的橋梁規(guī)模都不是很大。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了交通運(yùn)輸業(yè)和橋梁建設(shè)的快速提升，各種跨江、河、湖、海的橋梁在我國大規(guī)模建設(shè)。與國外相比，我國鋼橋梁建設(shè)用鋼還存在強(qiáng)度級別偏低的情況，主要以Q355q、Q370q、Q420q、Q500q等橋梁鋼為主，更高強(qiáng)度級別鋼種的工程應(yīng)用實例較少，尚不能適應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)輕量化、耐久性等的發(fā)展要求，亟待在690MPa級高強(qiáng)度橋梁鋼應(yīng)用上取得突破。2017年，國家重點研發(fā)計劃“高性能橋梁用鋼”項目開展了高性能690MPa級橋梁鋼開發(fā)試驗，通過對國內(nèi)外高性能橋梁鋼使用和標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)對比分析，針對國外690MPa級高強(qiáng)鋼合金成分偏高、屈強(qiáng)比不做要求、低溫沖擊性能指標(biāo)低，以及調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨焊接性差的特點，開展了冶金質(zhì)量、基本力學(xué)性能、焊接材料與焊接工藝、微觀組織機(jī)理、典型厚度鋼板防斷與疲勞性能等系統(tǒng)研究，形成了“690MPa高強(qiáng)度橋梁鋼-配套焊接材料-橋梁設(shè)計-工程應(yīng)用”的一體化解決方案。

在此基礎(chǔ)上，依托澳氹第四跨海大橋的建造，以提升高強(qiáng)度橋梁鋼的焊接性為目標(biāo)，采用低碳、微合金化鋼板成分設(shè)計，獲取低CEV、低Pcm值，減小了鋼材的淬硬傾向；采用熱機(jī)械軋制（TMCP）＋回火工藝，降低鋼材的殘余應(yīng)力，提高了鋼材的焊接性；同時，基于橋梁結(jié)構(gòu)安全考慮，嚴(yán)格控制鋼材的屈強(qiáng)比≤0.88，并適當(dāng)降低屈服強(qiáng)度驗收指標(biāo)為≥650MPa（GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定板厚≤50mm的鋼板，其屈服強(qiáng)度≥690MPa）。

本文通過一系列應(yīng)用性試驗研究，形成了高性能Q690qD高強(qiáng)度橋梁鋼及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系，并將研究成果成功應(yīng)用于澳氹第四跨海大橋，為我國高性能690MPa級高強(qiáng)度橋梁鋼的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

2 母材復(fù)驗

2.1 鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能試驗

試驗用Q690q D鋼，板厚為24m m、28m m、44mm，鋼板交貨狀態(tài)為“TMCP＋回火”。鋼板化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2。

表1 Q690qD鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Q690qD鋼板力學(xué)性能試驗結(jié)果

由表1、表2可知，試驗用Q690qD鋼wC≤0.09%，通過采用碳當(dāng)量法評定鋼材的裂紋敏感指數(shù)和鋼材的焊接性，計算得出試驗用24m m、28m m和44mm厚的Q690qD鋼板碳當(dāng)量CEV、冷裂敏感指數(shù)Pcm分別為0.50%和0.20%。S、P等有害元素的含量均控制在較低水平，wP＝0.0084%～0.011%，wS≤0.002%。鋼中加入Ni、Cr、Cu等主要元素，還添加了Ti、Nb、V等微合金元素，可產(chǎn)生晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化等作用，以改善組織性能，提高鋼的強(qiáng)度[3]。不同板厚間化學(xué)成分試驗結(jié)果差異很小，說明鋼材成分的均勻性好。該鋼種采用低碳、低雜質(zhì)元素含量成分設(shè)計方案，有效控制了鋼板的碳當(dāng)量和冷裂紋敏感指數(shù)，鋼的冷裂紋敏感性有所減弱，極大地改善了鋼板的焊接性。

Q690qD鋼板屈服強(qiáng)度為657～711MPa、抗拉強(qiáng)度為789～825MPa、斷后伸長率為14%～18.5%，符合鋼材技術(shù)條件要求（屈服強(qiáng)度≥650MPa、抗拉強(qiáng)度為770～880MPa、斷后伸長率≥14%）。不同厚度的鋼板力學(xué)性能試驗結(jié)果存在差異，同一厚度的鋼板頭部和尾部力學(xué)性能也有一定差異，但差別不大。24mm、28mm及44mm鋼板的屈強(qiáng)比分別為0.88、0.83和0.88，滿足技術(shù)條件要求，具有良好的塑性；鋼板彎曲試驗結(jié)果良好，說明鋼板具有良好冷彎成形能力?？傊?，Q690qD鋼不同規(guī)格鋼板的力學(xué)性能差異性較小，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、低溫韌性均符合“澳氹第四跨海大橋Q690qD鋼技術(shù)要求”的相關(guān)要求。

2.2 鋼板系列溫度沖擊試驗

韌脆轉(zhuǎn)變溫度作為衡量鋼板韌脆轉(zhuǎn)變特性的標(biāo)準(zhǔn)，用于評定結(jié)構(gòu)在使用溫度下的脆性破壞傾向。為此，選取厚28mm、44mm的Q690qD鋼板，按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用10mm×10mm×55mm夏比V型缺口沖擊試樣，在SANA擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)上進(jìn)行系列溫度（20℃、0℃、-20℃、-40℃、-50℃、-60℃）下的沖擊試驗，確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍，冷卻介質(zhì)采用酒精和液氮的混合液體，在保溫箱中將試樣冷卻。系列溫度沖擊結(jié)果見表3，Boltzmann函數(shù)擬合曲線分布如圖1所示。

圖1 Q690qD鋼板系列低溫沖擊曲線

表3 Q690qD鋼板系列低溫沖擊結(jié)果

由圖1可知，在整個試驗溫度范圍內(nèi)，隨著溫度降低，沖擊吸收能量呈現(xiàn)出規(guī)律性下降趨勢，但鋼板在-60℃時的沖擊吸收能量仍保持在275J和311J，沒有出現(xiàn)明顯的下屈服平臺，可以推測韌脆轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)該在-60℃以下，因此，其具有良好的低溫沖擊性能，能夠滿足工程使用要求。

3 熱矯形試驗

3.1 試驗方法

試驗采用長500mm（軋向）、寬300mm的試板，模擬了構(gòu)件矯形時采用火焰帶狀加熱的狀況，借鑒以往試驗相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)最高熱矯正溫度設(shè)定為900℃時，該溫度已經(jīng)超過了Q690q鋼的Ac3線，改變了鋼板原始晶粒度和組織形態(tài)，確定熱矯形最高加熱溫度依次為600℃、700℃和800℃，加熱方法為帶狀火焰單面加熱，燃?xì)鉃椤氨椋鯕狻?，采用紅外線測溫儀測量加熱溫度（見圖2）。加熱范圍為80～100mm，加熱溫度精度控制在±20℃，自然空冷至室溫。

圖2 鋼板熱矯正試驗

3.2 試驗結(jié)果

被加熱的鋼板自然空冷至室溫后，對不同矯正溫度的鋼板試件分別進(jìn)行力學(xué)性能檢測、微觀組織分析。熱矯形試驗力學(xué)性能結(jié)果見表4，微觀金相組織如圖3所示。

圖3 鋼板熱矯形后的微觀金相組織

表4 鋼板熱矯正試驗結(jié)果

3.3 試驗結(jié)果

Q690qD鋼板微觀金相組織主要為貝氏體，分別在600℃、700℃和800℃熱矯正后，母材微觀金相組織均為“鐵素體＋貝氏體”。從鋼板力學(xué)性能復(fù)驗結(jié)果來看，28mm和44mm鋼板加熱600℃后，屈服強(qiáng)度分別為682MPa和675MPa、抗拉強(qiáng)度分別為785MPa和796MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求下限值；但隨著火焰加熱溫度升高到700℃、800℃后，兩種板厚的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。因此，確定Q690qD鋼板熱矯形溫度不超過650℃。

4 焊接性試驗

4.1 焊接熱影響區(qū)最高硬度法

對28mm、44mm鋼板進(jìn)行焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗，試驗溫度分別為室溫（20℃）和預(yù)熱75℃，焊條均選用E7815-G（φ4.0mm）。熱影響區(qū)最高硬度試驗結(jié)果見表5。由表5可見，在室溫和預(yù)熱75℃焊接時，板厚28mm、44mm的Q690qD鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度為272～314HV10，均低于350HV10。說明Q690qD鋼在不預(yù)熱和預(yù)熱75℃情況下焊接均未產(chǎn)生淬硬組織，鋼板冷裂紋傾向不大。

表5 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗結(jié)果

4.2 斜Y形坡口試驗

對28mm、44mm鋼板進(jìn)行斜Y形坡口焊接裂紋試驗，采用焊條電弧焊E7815-G（φ4.0mm）、埋弧焊絲SUN5M3（φ4.0mm）配焊劑S78A4UFB分別在室溫、75℃、100℃進(jìn)行試驗，焊后試件經(jīng)48h冷卻后，對試件進(jìn)行外觀檢查和解剖，用放大鏡檢查焊接接頭表面和斷面，并進(jìn)行宏觀斷面金相分析，試驗結(jié)果見表6、表7。

表6 斜Y形坡口焊接裂紋（小鐵研）試驗結(jié)果

表7 斜Y形坡口焊接裂紋（大鐵研）試驗結(jié)果

從表6、表7可看出，在不預(yù)熱情況下，采用焊條電弧焊和埋弧焊的試件均產(chǎn)生裂紋，在預(yù)熱75℃和100℃后，采用焊條電弧焊和埋弧焊焊接均未產(chǎn)生裂紋。因此，當(dāng)板厚為28mm、44mm時，預(yù)熱溫度為75～100℃，可防止冷裂紋產(chǎn)生。

5 不同熱輸入下的埋弧焊試驗

焊接熱輸入的大小將會影響到焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的峰值溫度和冷卻速度，從而直接影響到焊接接頭中組織的形成及力學(xué)性能。選取板厚為28mm和44mm的Q690qD鋼板進(jìn)行試驗，采用埋弧焊的焊接工藝，焊接過程中選取25kJ/cm、30kJ/cm、35kJ/cm、40kJ/cm、45kJ/cm不同熱輸入的焊接工藝，焊后測試焊接接頭抗拉強(qiáng)度，以及焊縫金屬屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率及彎曲性能，探尋其變化規(guī)律。不同熱輸入焊接接頭表力學(xué)性能結(jié)果見表8。

表8 不同熱輸入焊接接頭力學(xué)性能結(jié)果

不同熱輸入下焊縫中心及熱影響區(qū)低溫沖擊性能如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，當(dāng)焊接熱輸入從25kJ/cm增加到45kJ/cm時，焊縫低溫沖擊吸收能量從75J增大到179J；熱影響區(qū)低溫沖擊吸收能量先隨熱輸入增大而增大，當(dāng)?shù)揭粋€峰值時，低溫沖擊值又會隨著熱輸入增加而降低，但仍然保持在176J以上。從拉伸試驗結(jié)果來看，對于28mm厚鋼板，焊接熱輸入增加到45kJ/cm時，接頭抗拉強(qiáng)度為731MPa、焊縫屈服強(qiáng)度632MPa，均低于標(biāo)準(zhǔn)值；對于44mm厚鋼板，焊接熱輸入增加到45kJ/cm時，接頭拉伸強(qiáng)度為749MPa，均低于標(biāo)準(zhǔn)值。綜上所述，Q690qD鋼板采用埋弧焊時的熱輸入為25～40kJ/cm。

圖4 不同熱輸入焊縫中心低溫沖擊性能

圖5 不同熱輸入熱影響區(qū)低溫沖擊性能

6 典型接頭的焊接工藝評定試驗

選取28m m、44m m的Q690q D鋼板，采用埋弧焊、氣體保護(hù)焊進(jìn)行典型接頭的焊接工藝評定試驗，按照焊接接頭性能指標(biāo)ReL≥650M P a、Rm≥770MPa，-20℃KV≥47J及冷彎合格（D=3a，180°）要求，根據(jù)焊接性試驗結(jié)果和不同熱輸入試驗結(jié)果，確定埋弧焊工藝的熱輸入控制在25～40kJ/cm。Q690qD鋼板典型接頭焊接參數(shù)見表9，典型接頭力學(xué)性能和最高硬度試驗結(jié)果見表10，接頭宏觀斷面金相如圖6所示。

圖6 Q690qD鋼典型接頭宏觀金相

表9 Q690qD鋼典型接頭焊接參數(shù)

表10 Q690qD鋼典型接頭力學(xué)性能和最高硬度試驗結(jié)果

由表9、圖6可見，焊接接頭的焊縫強(qiáng)度滿足要求，焊接接頭-20℃沖擊吸收能量均＞47J，滿足相關(guān)規(guī)范要求，并且有較大的富裕量；各焊接接頭焊縫及熱影響區(qū)最高硬度值均＜380HV10，表明在焊接過程中均未產(chǎn)生淬硬組織，接頭無淬硬傾向。

7 結(jié)束語

1）高性能Q690qD鋼為超低碳、低硫磷、高純凈度、微合金化高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，碳含量、焊接裂紋敏感指數(shù)（Pcm）均控制較低，交貨狀態(tài)采用“TMCP＋回火”，微觀金相組織為低碳貝氏體組織，具有良好的力學(xué)性能。

2）通過系統(tǒng)地開展Q690qD鋼應(yīng)用性試驗研究，證實該鋼材具有良好的焊接性和熱加工性能，滿足澳氹第四跨海大橋的應(yīng)用要求，推動了我國高性能高強(qiáng)度橋梁鋼的發(fā)展。