桥梁钢可焊性问题思考：从加工制造角度探讨钢桥生产难题

概括：

桥梁钢材作为钢桥的主要材料，对钢桥的安全性和耐久性至关重要。目前，一些设计人员对桥梁钢材的供货状态要求认识不足，提出了不合理的供货状态要求。部分钢厂在桥梁钢材生产工艺上还不够成熟，给下游钢桥制造企业在焊接加工上带来很大的施工困难。本文从桥梁钢材加工制造的角度对钢桥生产中遇到的焊接性问题进行阐述和说明，希望引起各方重视。

关键词：桥梁钢；焊接性；思考

0 简介

纵观世界桥梁建设史，20世纪70年代以前是欧美领先，90年代是日本领先，21世纪是中国领先。如今，“中国桥梁”已经成为中国一张靓丽的名片，是中国综合国力的象征。然而，在很多钢桥的制造过程中，都会遇到桥梁钢材的一些加工问题。其中，桥梁钢材的焊接性是最重要的问题，困扰了桥梁焊接工程师多年。

说到钢材的焊接性，大多数工程师想到的是钢材在焊接过程中的裂纹敏感性和焊接接头的硬化倾向。笔者认为，这只是对钢材焊接性的片面评价。要获得优质可靠的焊接接头，应从以下三个方面综合评价钢材的焊接性：钢板的冷裂纹敏感性；钢板心部偏析层对焊接过程的影响；供货状态对焊接接头力学性能的影响。

1 影响桥梁钢焊接性的因素

钢铁行业常说“成分和工艺决定组织，组织决定性能”，也就是说桥梁钢的供应状态将决定钢板的成分设计和轧制工艺。然而化学成分设计不合理会直接导致钢板冷裂倾向增大、钢板成分偏析严重、焊接热输入范围窄等问题。因此，钢板的化学成分和供应状态是影响桥梁钢焊接性的重要因素。

2 化学成分对钢焊接性的影响

2.1焊接冷裂纹敏感性

桥梁结构钢的冷裂敏感性可用碳当量CEV或冷裂敏感性指数Pcm初步判断。有些钢厂为了降低生产成本，采取碳含量上限，降低合金元素含量，虽然成分、常规力学性能试验均符合要求，但在实际生产中仍会出现问题。

国内某钢桁架项目弦杆采用Q370qE钢板，以正火状态交货，其化学成分见表1。该项目在生产过程中，弦杆顶板24mm加劲肋与16mm桥面梁连接板角焊缝处出现大量横向裂纹，裂纹从焊缝与板材交界处（热影响区）开始，直至穿透焊缝形成横向裂纹，部分裂纹需修复3～4次，修复过程中裂纹呈现多次出现、再现性的特点，如图1所示。

表1 某工程正火Q370qE钢化学成分

a.横向裂纹 b.修复后再现

图1 角焊缝横向裂纹

经分析，该项目所用钢板Q370qE为正火状态，化学成分中C含量为0.17%，利用碳当量公式：CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15计算该钢板碳当量为0.42，低于标准要求的0.43。分析可知，该钢板化学成分虽符合标准要求，但碳当量明显偏高，钢板淬硬倾向稍大。加之该项目弦焊施工恰逢南方春节前后，天气寒冷潮湿，焊接接头冷却速度相对较快，在焊接收缩应力作用下，焊缝热影响区脆硬组织中开始出现裂纹，并逐渐扩展延伸。

2.2钢板成分偏析的危害

根据钢板轧制的连铸原理，轧制坯料的外表面最先冷却凝固，从而在坯料心部形成非金属夹杂层，即成分偏析层。在后期的钢板轧制过程中，钢板心部始终存在非金属夹杂层，如图2、图3所示。

图2 钢板心部偏析层（宏观）

a.x500 b.x600

图3 钢板心部偏析层

钢中C、Mn、P、S等均属于易偏析元素，这些元素含量越高，板心成分偏析越严重，钢材的焊接加工能力不足，焊接性越差。由于板心偏析对于桥梁钢来说是不可避免的，但较为严重的偏析会改变钢板的厚度方向性能，对其后期的焊接加工性能影响很大。

2.2.1对钢材进场验收的影响

国内某项目采用Q370qE钢板，钢板运抵现场后，例行超声波抽检，并用超声波测厚仪测量厚度，发现钢板厚度1/2处存在片状不连续缺陷，严重的超声波测厚仪读数仅为钢板实际厚度的一半。检测结果显示钢板厚度方向缺陷等级低于GB/T2970中的Ⅱ级要求。最终判定为芯部偏析造成分层，不合格，出厂钢板降级作工装使用，严重影响工程进度。

2.2.2影响对接接头焊接质量的因素

国内某项目钢板材质为Q345qD，钢板到货超声波检测合格，对接焊后对焊缝及热影响区进行超声波检测发现，缺陷深度位于板厚1/2处，即偏析层，横向位置位于焊缝中心两侧。返工后焊接缺陷深度无变化，由于返工造成焊缝宽度加宽，缺陷横向位置向两侧移动，返工检测后情况依然如此。因此判定该缺陷不可修复，钢板不具备焊接性。

图4 心偏析钢板对接接头

2.2.3影响T型焊接接头焊接质量的因素

钢桁架箱型构件角部全焊透接头，钢板材质为Q370qD，板厚36~50mm，如图5a所示。为防止厚板层状撕裂，在腹板及盖板两侧均加工有坡口。焊后缺陷位置如图5b所示。

a. 接头图 b. 焊接缺陷标记

图5 T型接头芯缺陷

分析表明：杆件角部坡口较深，焊接填充量较大，焊缝横向收缩应力较大，杆件为厚板材质，箱体刚度较大，由于焊接过程是在强约束应力下完成的，在横向收缩应力和强约束作用下，箱型腹板中心偏析层发生撕裂。

类似地，当典型的钢桁架构件缺口十字接头在强约束下焊接时，焊缝的横向收缩应力会垂直于力的方向撕裂板芯，如图6a和6b所示。

图 6a 钢桁梁缺口十字接头

图 6b 十字接头芯部开裂

因此承受此类应力的钢板必须采用低碳、极低杂质元素含量钢板，优先考虑具有厚度方向性能的钢板(又称Z向钢)，并在焊接过程中采取适当的工艺措施，保证焊接质量。

3 供应状态对钢材焊接性的影响

3.1对焊接后力学性能的影响

桥梁钢的供货状态有热轧、控轧、正火或热机械轧制（TMCP）。以常用的Q370qE为例，在设计桥梁时，多数设计院参考旧《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）附录A要求的正火状态，而新规范对供货状态没有限制，Q370qE钢板可以正火状态或TMCP状态供货。《桥梁结构钢》（GB/T714-2015）根据不同的供货状态，对钢板的化学成分要求也不同。如国内两个项目Q370qE钢板的化学成分对比见表2。

表2 Q370qE钢板化学成分对比

由于钢板经正火热处理后晶粒长大（图7），强度损失较大，因此其成分中C、Mn及合金元素含量较高。而TMCP钢板轧制过程中采用强制快速冷却工艺，钢板组织细密（图8），采用细晶粒强化机制，C、Mn及合金元素含量较低。钢板强化机制不同，决定了两种供应状态化学成分设计不同。其中碳含量、碳当量会影响钢板的焊接性。

图7 Q370qE钢板正火后组织

图8：TMCP供货的Q370qE钢板的显微组织

Q370qE钢板两种供应状态的组织均为铁素体+珠光体，但组织尺寸不同，这也决定了两种供应状态钢板的焊接性存在较大差异。两种供应状态钢板的原材料在检验中低温冲击性能优异，低温韧性均可达到120J以上，但在经历焊接热循环后表现出很大差异，如图9、图10所示。

图9 正火Q370qE热输入-HAZ冲击功曲线

图10 TMCP Q370qE热输入-HAZ冲击功曲线

可见正火Q370qE对热输入较为敏感，焊缝热影响区低温韧性损失严重，这也是正火钢的通病。值得注意的是，相关数据显示，正火状态供货的钢板在焊接或热校正后，屈服强度和低温韧性均有不同程度的降低。强度和韧性储备不足导致钢板存在结构安全风险。

但以TMCP状态供应的Q370qE钢板工艺窗口相对较宽，焊接热输入范围更宽，工程师可选择的焊接方法范围更广，焊接性能更佳，建议采用TMCP供应状态。

3.2钢板内应力对焊接性的影响

相对于正火钢板，以TMCP状态供货的钢板由于其特殊的轧制工艺，存在不同程度的内应力，特别是30mm以上的中厚板均以TMCP状态供货，在焊接过程中，内应力极易引起不可预见的热变形，甚至导致焊缝开裂。

某项目供货钢板Q370qE，厚度50mm，TMCP状态，在裂纹敏感性试验时，预热到80℃后焊缝根部仍然出现裂纹，如图11所示。钢板回火预热到80℃后未出现裂纹，如图12所示。

图 11：有裂纹的焊缝 图 12：无裂纹的焊缝

因此，对于以TMCP状态供应的钢板，对于厚板（厚度大于或等于32mm）需增加回火去应力处理，以降低钢板的内应力。特别是随着桥梁钢使用水平的不断提高，对高性能桥梁钢的供应状态的要求应更加严格和谨慎。

4。结论

现阶段是钢桥建设的高峰期，钢桥制造用钢板原材料对桥梁加工制造的重要性不言而喻。焊接性好的钢板可以使焊接过程的质量稳定，焊接接头的可靠性更高。因此，在桥梁设计阶段制定桥梁钢材供应技术条件非常重要。应加快TMCP高性能桥梁钢的推广应用，充分考虑其在焊接过程中的焊接性并在使用过程中进行跟踪反馈，促进我国桥梁整体制造水平的提高。