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摘  要：本文研究了橋梁鋼Q370q的雙絲埋弧焊焊接性。通過(guò)匹配不同的焊絲以及不同的焊接工藝參數，研究了橋梁鋼Q370q的微觀(guān)組織及力學(xué)性能。研究表明，Q370qD鋼用H10Mn2進(jìn)行雙絲埋弧焊焊接，焊縫的低溫韌性較低，但通過(guò)匹配優(yōu)選焊材（CJQ-4焊絲）進(jìn)行焊接，低溫性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：雙絲埋弧焊；橋梁鋼Q370q；焊接性；低溫韌性；力學(xué)性能

1.前言

近年來(lái)，隨著(zhù)鋼材冶煉技術(shù)的提高和焊接技術(shù)的進(jìn)步，鋼結構工程日益向大型化、高參數方向發(fā)展，隨之使用的鋼材強度、厚度，結構的跨度等都在增加，以及以焊接為主的連接技術(shù)成熟，相應的焊接工作量也逐漸增加，在這個(gè)日益追求效率的社會(huì )，誰(shuí)的生產(chǎn)效率越高，學(xué)習和掌握新技術(shù)的能力越強，誰(shuí)占有市場(chǎng)的份額和效益也就越高，由此提高工效成了控制制造成本的最有效途徑。雙絲（多絲）埋弧自動(dòng)焊在建筑鋼結構、重型機械、石油管道等領(lǐng)域的應用十分廣泛，特別是在石油天然氣管道中已使用 4 絲焊接，工藝很成熟。但在橋梁鋼焊接中應用還是空白，將雙絲埋弧焊接技術(shù)應用在橋梁鋼Q370q拼接直縫的焊接中，將會(huì )大幅提高焊接效率，因此，開(kāi)展采用雙絲埋弧焊接技術(shù)焊接橋梁鋼的試驗研究具有非常重要的現實(shí)意義。

九十年代初，大橋局和武鋼聯(lián)合共同開(kāi)發(fā)了大跨度鐵路橋梁用鋼14MnNbq（Q370q）。該鋼采用降碳加鈮合金超純凈的冶金方法，保證了在屈服強度ReL≥370Mpa的基礎上，具有優(yōu)異的-40℃低溫沖擊韌性。一般的正火鋼材是在固熔強化的基礎上，通過(guò)沉淀強化和細化晶粒來(lái)進(jìn)一步提高強度和保證韌性，焊接正火鋼時(shí)，在加熱到高于1100攝氏度以上的熱影響區內，如果停留時(shí)間較長(cháng)（即大線(xiàn)能量時(shí)），實(shí)際上破壞了材料原先正火狀態(tài)下的有利組織狀態(tài)和良好的綜合性能，使焊縫又恢復到了正火前的熱軋狀態(tài)，隨著(zhù)焊接線(xiàn)能量的增加，對焊接熱影響區韌性的損失越來(lái)越明顯。但隨著(zhù)鋼材冶煉和軋制技術(shù)的進(jìn)步，特別是微合金化鋼和TMCP軋制工藝的成熟和普及，利用TiO、TiN等有效阻止HAZ晶粒粗化，大副提高鋼材的高溫穩定性，為推廣應用雙絲（多絲）埋弧焊等高效焊接技術(shù)提供了保障。

雙絲埋弧焊接技術(shù)是上世紀50年代出現的一種高效的焊接工藝，雙絲埋弧焊電源的類(lèi)型可以是直流＋直流、交流＋交流、直流＋交流三種組合，綜合考慮到焊接工藝性的影響，本次選擇采用共熔池雙電源雙絲埋弧焊（直流＋交流），由于兩焊絲靠得很近，可形成一個(gè)窄而長(cháng)的熔池，以改善熔池的形狀特征，在保持適當的焊道外形的情況下不僅加快焊接速度，而且可以避免電弧磁偏吹的影響。

2.試驗材料、設備

2.1 試驗鋼材

試驗選用近年來(lái)在橋梁制造中廣泛使用的Q370qD鋼板，供貨狀態(tài)為控軋狀態(tài)，板厚為44mm，試驗鋼板的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2，經(jīng)過(guò)復驗均滿(mǎn)足標準（GB/T 714-2008）要求。

表1 試驗用鋼板化學(xué)成分（%）

表2 試驗用鋼板力學(xué)性能

2.2 試驗焊接材料

結合Q370qD鋼鋼材冶金合金化元素及以往工程的焊接經(jīng)驗，埋弧焊絲分別采用H10Mn2（φ5.0，批號：0701121）,CJQ-4（φ5.0，批號：08-745），H10Mn2焊絲是C-Mn系低合金焊絲,與CJQ-4焊絲相比，焊絲中S、P等雜質(zhì)量稍高，而Si、Mn含量與CJQ-4相當，同時(shí)CJQ-4焊絲中提高了Ni含量。焊接時(shí)均匹配焊劑SJ101q，該焊劑是一種中等堿度的燒結焊劑，其堿度系數在1.7左右，與該焊劑組合的綜合性能優(yōu)良。焊接材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 焊材化學(xué)成分及力學(xué)性能

2.3 試驗焊接設備

焊接設備采用新購唐山開(kāi)元自動(dòng)焊接設備有限公司的雙絲埋弧焊機，如圖1所示。

（a）直流電源ZD5-1250B 

（b）機頭MZC-1250M 

（C）交流電源BXL-1250

圖1 雙絲雙電埋弧焊設備

3.試驗過(guò)程

3.1 坡口制備

焊接坡口采用對稱(chēng)X型坡口，坡口鈍邊為8mm，采用機加工完成，具體坡口見(jiàn)圖2。

圖2 焊接接頭形式(雙絲埋弧焊技術(shù))

3.2、 試驗項目及焊接工藝參數

雙絲埋弧焊接過(guò)程中，前絲（直流）、后絲（交流）共同決定了熱輸入和最終的組織狀態(tài)，前絲的電流大而電壓小，決定焊道的熔透深度；后絲的電流較小而電壓較大，可以保證熔寬和焊縫成型，要求前后絲參數必須匹配。另外，從脫渣性及焊縫表面成型考慮，選擇絲距為25mm，前絲向焊接方向傾斜5°以獲得較大的熔深，后絲向焊接方向反向傾斜10°以獲得較寬的熔寬。編號1#～3#、9#為Q370qD鋼雙絲埋弧焊試件、4#為Q370qD鋼單絲埋弧焊試件。試驗項目及工藝參數見(jiàn)表4。

 表4 試驗工藝參數表

注：焊道數字加黑為后焊一側焊道，焊前清根處理。

4.試驗結果及分析

4.1 焊縫宏觀(guān)及微觀(guān)金相分析

力學(xué)性能試件經(jīng)拋光、硝酸熱蝕，進(jìn)行微觀(guān)組織分析，接頭焊縫及HAZ微觀(guān)照片見(jiàn)圖3。通過(guò)微觀(guān)照片對比分析（見(jiàn)圖3），Q370qD鋼（1#～3#試件）焊縫區的針狀鐵素體所占的比例明顯小于先共析鐵素體的比例，4#、9#試件焊縫區針狀鐵素體比例稍有加大。

2#（Q370qD雙絲）焊縫金屬組織  400×                      2#（Q370qD雙絲）HAZ組織  400×

3#（Q370qD雙絲）焊縫金屬組織  400×                    3#（Q370qD雙絲）HAZ組織  400×

9#（Q370qD雙絲）焊縫金屬組織  400×                       9#（Q370qD雙絲）HAZ組織  400×

4#（Q370qD單絲）焊縫金屬組織  400×                      4# （Q370qD單絲）HAZ組織  400×

圖3 焊縫金屬及HAZ微觀(guān)組織(雙絲埋弧焊技術(shù))

4.2 焊縫化學(xué)成分分析

焊縫的化學(xué)成分見(jiàn)表6。焊縫化學(xué)成分與母材相匹配，S、P含量均較低；對于Ni、V、Ti三種元素， Q370qD鋼9#試件焊縫Ni含量為1#～3#試件的5倍。

表6 焊縫化學(xué)成分（%）

4.3 力學(xué)性能試驗結果

焊縫接頭力學(xué)性能試驗結果見(jiàn)表7。

 表7 焊縫接頭力學(xué)性能試驗結果

注： 4#試件單絲埋弧焊接試件

對于Q370qD鋼，雙絲與單絲埋弧焊焊接接頭的Rm、ReL、A、HV10max及側彎試驗結果均滿(mǎn)足標準要求，但雙絲埋弧焊1#～3#試件采用H10Mn2配SJ101q進(jìn)行焊接，-20℃低溫沖擊功Akv平均為34J，小于標準要求的41J。主要原因由于Q370qD鋼為Nb元素強化鋼，一方面，雙絲埋弧前絲的焊接電流大，導致施焊時(shí)焊縫熔合比增大，基材中的Nb元素大量過(guò)渡到焊縫中，擴大了焊縫結晶溫度范圍，促使焊縫中形成呈帶狀分布的先共析鐵素體；另一方面，由于雙絲埋弧焊的窄長(cháng)溫度場(chǎng)和雙峰熱循環(huán)的特點(diǎn)，焊縫在冶金過(guò)程高溫停留時(shí)間較長(cháng)、冷卻速度較慢致使產(chǎn)生大量的先共析鐵素體，這兩種鐵素體的位錯密度較低，韌性也較差，隨著(zhù)焊縫中先共析鐵素體的比例增多，導致焊縫中針狀鐵素體的比例明顯減少，因此焊縫韌性較差。而雙絲埋弧焊9#試件，采用CJQ-4配SJ101q進(jìn)行焊接，-20℃低溫沖擊功Akv平均為82J，大于標準要求的41J。由于CJQ-4焊絲同1#、2#、3#試件選用的H10Mn2相比，S、P含量明顯降低，且增加了焊絲Ni含量，Ni元素是奧氏體化元素，固熔在Fe晶格間，抑制了先共析鐵素體的生成，有利于針狀鐵素體的形成，從微觀(guān)組織上來(lái)看，焊縫區針狀鐵素體比例明顯多于先共析鐵素體，促使韌性提高。雙絲焊焊縫熱影響區的-20℃低溫沖擊功Akv大于標準要求的41J，但同單絲焊相比稍有下降。

5.結 語(yǔ)

對于Q370qD鋼用H10Mn2進(jìn)行雙絲埋弧焊焊接，焊縫的低溫韌性較低，但通過(guò)匹配優(yōu)選焊材，試驗用武漢鐵錨的CJQ-4焊絲焊接，低溫性能優(yōu)良。以上說(shuō)明通過(guò)焊材的優(yōu)選、工藝參數的調整在技術(shù)上是完全可行的。