曾志斌

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081)

焊接對鋼板Z向性能的影響

曾志斌

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081)

以上海閔浦大橋下弦桿整體節(jié)點(diǎn)板與斜撐桿翼緣板之間的T形接頭為工程背景，分別采用埋弧自動焊、實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊和手工電弧焊三種方法各焊接2組十字全熔透焊接接頭，按照有關(guān)規(guī)范進(jìn)行Z向拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明，鋼板的Z向抗拉強(qiáng)度與軋制方向的抗拉強(qiáng)度基本相當(dāng);焊接能使鋼板的Z向抗拉強(qiáng)度提高1% ～3%;分別采用埋弧自動焊、CO2氣體保護(hù)焊和手工電弧焊時(shí)，鋼板的Z向斷面收縮率均小于母材，且減小的幅度依次增大;在計(jì)算層狀撕裂敏感性指數(shù)時(shí)，可不考慮焊接方法的影響;推薦采用埋弧自動焊或CO2氣體保護(hù)焊。

焊接 鋼板 Z向(板厚方向)性能 試驗(yàn)

自20世紀(jì)90年代以來，我國交通領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)突飛猛進(jìn)，在各類橋梁建設(shè)中鋼橋以自重輕、跨越能力大等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。為了滿足承載功能和美學(xué)等方面的需要，在鋼橋設(shè)計(jì)中難免會采用一些特殊構(gòu)造細(xì)節(jié)，除了要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和疲勞外，還要求鋼板自身具有較好的Z向(板厚方向)性能，保證鋼板不至于在Z向受力時(shí)產(chǎn)生層狀撕裂。這樣的案例很多，例如美國肯塔基州 Kenton縣的Ⅰ—275號公路橋，其縱梁翼緣與箱形墩帽的腹板組成框架結(jié)構(gòu)，在制造時(shí)由于高拘束度而在腹板中產(chǎn)生了層狀撕裂，并延伸到焊趾附近的腹板表面[1]。

所謂層狀撕裂(Lamellar Tearing)，是指厚板結(jié)構(gòu)焊接時(shí)由于Z向(板厚方向)受力而致沿厚板軋層產(chǎn)生的一種特殊裂紋。層狀撕裂通常發(fā)生在角接焊接頭(如T形接頭、十字形接頭和隅角焊接頭等)的熱影響區(qū)和靠近熱影響區(qū)的母材上，不會發(fā)生于焊縫之中，而且平行于鋼板表面。產(chǎn)生層狀撕裂的外因是在角接接頭中沿著板厚方向作用的拉應(yīng)力，內(nèi)因是鋼材中含有微量的非金屬夾雜物，特別是硫化物，如MnS，其次是SiO2、Al2O3等氧化物[2-3]。

對層狀撕裂的研究開始于20世紀(jì)60年代，國內(nèi)外研究的重點(diǎn)集中在層狀撕裂產(chǎn)生的機(jī)理和如何預(yù)防層狀撕裂等方面[2-4]，并相繼制定了抗層狀撕裂的鋼材標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法[5-6]，這些標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法大致接近。層狀撕裂的試驗(yàn)方法主要有Z向窗口試驗(yàn)法、Cranfield試驗(yàn)法和 Z向拉伸試驗(yàn)法[2-3]，其中 Z向窗口試驗(yàn)法能模擬實(shí)際焊接接頭，國際焊接學(xué)會(IIW)以此試驗(yàn)方法為基礎(chǔ)對Z向鋼進(jìn)行分級;最常用的是Z向拉伸試驗(yàn)法，這是一種通過測試標(biāo)準(zhǔn)試件的斷面收縮率來評價(jià)層狀撕裂敏感性的間接方法。

在歐洲和日本制定的層狀撕裂敏感性評定方法和標(biāo)準(zhǔn)[7-8]中，層狀撕裂敏感性指數(shù)主要受焊角尺寸、接頭形狀、彎曲約束度、受拉約束度和預(yù)熱的影響，其中不包含焊接方法的影響。在國家標(biāo)準(zhǔn)“厚度方向性能鋼板(GB 5313—85)”中規(guī)定試件夾持端的焊接可采用任何適宜方法(如摩擦焊、手工電弧焊等)。為了了解不同焊接方法對鋼板Z向性能的影響，以上海閔浦大橋下弦桿整體節(jié)點(diǎn)板與斜撐桿翼緣板之間的連接接頭為工程背景，以十字全熔透焊接接頭來模擬該連接形式，分別采用埋弧自動焊、實(shí)芯焊絲 CO2氣體保護(hù)焊和手工電弧焊三種焊接方式進(jìn)行焊接，經(jīng)無損檢測合格后，按照規(guī)范在芯板上沿板厚方向切取試件進(jìn)行Z向拉伸試驗(yàn)，對比拉伸強(qiáng)度和斷面收縮率，以了解不同焊接方法對鋼板Z向性能的影響。

1 上海閔浦大橋下弦節(jié)點(diǎn)簡介

上海閔浦大橋下弦節(jié)點(diǎn)如圖1所示，其中斜撐桿翼緣板與下弦桿整體節(jié)點(diǎn)板之間采用全熔透焊接連接，斜撐桿腹板與整體節(jié)點(diǎn)板不連接，在下弦桿內(nèi)與斜撐桿翼緣板對應(yīng)位置設(shè)有橫隔板[9]。整體節(jié)點(diǎn)板采用Q370qE級鋼，其他構(gòu)件采用Q345qD級鋼。采用歐洲和日本有關(guān)規(guī)范對該接頭的層狀撕裂敏感性指數(shù)進(jìn)行評定，結(jié)果表明整體節(jié)點(diǎn)板所用鋼板的Z向性能必須達(dá)到Z25級，即整體節(jié)點(diǎn)板Z向的斷面收縮率φz不得小于 25% ，含硫量不得大于 0.007%[8，10](歐洲、美國和日本規(guī)范為0.008%)。

圖1 上海閔浦大橋下弦節(jié)點(diǎn)示意

2 試驗(yàn)用材

綜合考慮設(shè)計(jì)圖紙中下弦整體節(jié)點(diǎn)板的接頭形式和焊接工藝評定試驗(yàn)中的T形接頭形式，試驗(yàn)中采用44 mm厚Q370qE—Z25級橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板模擬整體節(jié)點(diǎn)板，采用44 mm厚 Q370qE(Z25)級和40 mm厚Q345qD級橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板模擬斜撐桿翼緣板，其化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合橋梁用結(jié)構(gòu)鋼(GB/T714—2008)的要求(如表1所示)。埋弧自動焊采用 φ5.0 mm的H08MnA焊絲+SJ101焊劑，CO2氣體保護(hù)焊采用φ1.2 mm的 ER50-6焊絲，手工電弧焊采用 φ4.0 mm的E5015電焊條，焊材的化學(xué)成分及其熔敷金屬的實(shí)測力學(xué)性能符合相關(guān)規(guī)范的要求。

表1 試驗(yàn)用鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能

3 試件制備

3.1 鋼板母材

按照 GB 5313—85所述的方法，在 Q370qE鋼板上取樣和加工試件。因?yàn)殇摪搴穸葹?4 mm，故試件采用整個板厚加工而成(GB 5313—85中的 a型試樣)，試件直徑為12 mm(如圖2所示)。試件數(shù)量為6個，選取其中3個做試驗(yàn)，另3個備用。

圖2 鋼板母材Z向拉伸試件(單位:mm)

3.2 十字全熔透焊接接頭

十字全熔透焊接接頭試件共分6組，其中第1，2組用埋弧自動焊，第3，4組用實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，第5，6組用手工電弧焊。試件的尺寸和坡口形式與制造廠家的焊接工藝評定報(bào)告相同[11](如圖3所示)，試件長度≥200 mm。

第1，2組試件在有坡口側(cè)焊接多道之后，在背面采用碳弧氣刨清根，然后焊接2道，之后再在有坡口側(cè)焊接，直至完成。第3～6組試件在大坡口側(cè)焊接多道之后，在小坡口側(cè)采用碳弧氣刨清根，然后焊接，為了防止過大的角變形，需要將試件反復(fù)翻身，即盡量對稱施焊。實(shí)際焊接工藝參數(shù)如表2所示，其中第1～4組為制造廠家焊接工藝評定所采用的參數(shù)[11]。

試件焊接完成24 h之后，采用超聲波探傷，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)缺陷或?qū)訝钏毫蚜鸭y。

為了檢查鋼板靠近表面部分的厚度方向性能，采用GB 5313—85中的c型試樣，試件取樣位置和尺寸如圖4所示。試件數(shù)量為6個，選取其中3個做試驗(yàn)，另3個備用。同時(shí)，每組試件取了1個焊縫金屬的拉伸試件。

圖4 拉伸試件取樣位置和尺寸(單位:mm)

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

拉伸試驗(yàn)在WE-300型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。Z向拉伸試件破壞的斷口位置全部位于試件中部，斷口呈現(xiàn)典型的杯口狀。試件拉伸破壞后，用游標(biāo)卡尺測量斷口處的直徑，并與試驗(yàn)前試件的直徑相比較，按照下式求得斷面收縮率φz。

式中，F(xiàn)0為試件原始橫截面積(mm2)，F(xiàn)0=πd20/4;F為試件斷裂后的最小橫截面積(mm2)，F(xiàn)=π(d1+d2)2/16，d1和d2為兩個互相垂直的直徑的測量值，如果斷面呈橢圓形，則d1和d2表示橢圓的兩根軸。

鋼板母材和十字全熔透焊接接頭Z向拉伸試件的抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5和圖6所示，圖5中σb為芯板軋制方向?qū)崪y拉伸強(qiáng)度值。

從圖5和圖6可以看出:

圖5 十字接頭Z向拉伸抗拉強(qiáng)度

1)除一個數(shù)據(jù)外，十字全熔透焊縫芯板的Z向抗拉強(qiáng)度均略高于Q370qE鋼板母材軋制方向抗拉強(qiáng)度的實(shí)測值，可以認(rèn)為鋼板的Z向抗拉強(qiáng)度與軋制方向的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。

2)采用埋弧自動焊、CO2氣體保護(hù)焊和手工電弧焊三種焊接方法，十字全熔透焊縫芯板Z向的抗拉強(qiáng)度逐次增大，但增大幅度僅為1% ～3%，即焊接對鋼板Z向抗拉強(qiáng)度幾乎沒有太大影響。

圖6 母材和十字接頭的斷面收縮率

3)采用埋弧自動焊、CO2氣體保護(hù)焊和手工電弧焊三種焊接方法，十字全熔透焊縫芯板Z向的斷面收縮率逐次減小，與母材相比，減小的幅度依次為1.72%，3.79%和12.07%。

4)盡管試驗(yàn)采用的Q370qE鋼出廠標(biāo)記為Z25號鋼，但是實(shí)際測試母材 Z向的斷面收縮率達(dá)到了72.5%，遠(yuǎn)大于Z25號鋼規(guī)定斷面收縮率≥25%的標(biāo)準(zhǔn)。

綜合分析焊接方法對鋼板Z向抗拉強(qiáng)度和Z向斷面收縮率的影響，建議在進(jìn)行鋼板 Z向拉伸試驗(yàn)時(shí)，試件夾持端的焊接宜采用埋弧自動焊或CO2氣體保護(hù)焊。

將本次試驗(yàn)實(shí)測的斷面收縮率與國外同類試驗(yàn)實(shí)測值的比較如圖7，當(dāng)硫含量相同時(shí)，本次試驗(yàn)的實(shí)測值比日本的試驗(yàn)值稍偏高，這與鋼板本身材質(zhì)較好有關(guān)。

圖7 本次試驗(yàn)斷面收縮率實(shí)測值與日本試驗(yàn)值的比較

5 結(jié)束語

層狀撕裂可在焊接過程中形成，也可在焊接結(jié)束后啟裂和擴(kuò)展，甚至還可能延遲到使用期間才發(fā)生，即具有延遲破壞性質(zhì)。層狀撕裂引發(fā)的裂紋位于接頭內(nèi)部，不但無損檢測難以發(fā)現(xiàn)，而且更難以修復(fù)。因此，層狀撕裂具有非常大的危害性。為了預(yù)防層狀撕裂，優(yōu)先改善焊接接頭的設(shè)計(jì)，盡量避免重要構(gòu)件在板厚方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，或者改善焊接工藝;實(shí)在克服不了時(shí)選用抗層狀撕裂鋼材，即Z向鋼。在進(jìn)行鋼板的Z向性能試驗(yàn)時(shí)，若不能直接在鋼板厚度方向上加工取樣，或者需要檢查鋼板靠近表面部分的Z向性能時(shí)，往往需要焊接夾持端。另外，在實(shí)際鋼橋的某些T形接頭、十字形接頭或隅角焊接頭處，需要其中一塊鋼板承受Z向力。通過本次試驗(yàn)研究，大致可得到以下結(jié)論:

1)鋼板的Z向抗拉強(qiáng)度與軋制方向的抗拉強(qiáng)度相當(dāng);

2)采用不同的焊接方法時(shí)鋼板的Z向抗拉強(qiáng)度稍有變化，幾乎可忽略不計(jì);

3)分別采用埋弧自動焊、CO2氣體保護(hù)焊和手工電弧焊三種焊接方法時(shí)，鋼板的Z向斷面收縮率均低于母材，且減小的幅度依次增大，但是最大幅度均不是很大，因此在計(jì)算層狀撕裂敏感性指數(shù)時(shí)，可不考慮焊接方法的影響;

4)在進(jìn)行鋼板Z向拉伸試驗(yàn)時(shí)，試件夾持端的焊接推薦采用埋弧自動焊或CO2氣體保護(hù)焊。

[1]John W 費(fèi)希爾.鋼橋的疲勞和斷裂[M].項(xiàng)海帆，史永吉譯.北京:中國鐵道出版社，1989.

[2]陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對策[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]INOUE T.Lamellar tearing[J].Welding International，2004，18(12):936-943.

[4]史永吉，王輝，方興，白玲.鋼材層狀撕裂及抗層狀撕裂焊接接頭的設(shè)計(jì)[J].中國鐵道科學(xué)，2005，26(6):69-74.

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[9]曾志斌.上海閔浦大橋主跨鋼桁梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2009.

[10]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 714—2008 橋梁用結(jié)構(gòu)鋼[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[11]江蘇中泰鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司.上海 A15公路閔浦大橋鋼梁焊接工藝評定試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告[R].江蘇:江蘇中泰鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司，2007.

U445.47+2;TG115.6+2

A

1003-1995(2011)02-0011-04

2010-09-20;

2010-10-18

曾志斌(1969— )，男，湖北天門人，副研究員，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)