[发明专利]一种桥梁用Q420qE级超低碳贝氏体钢的焊接方法

说明书

技术领域

本发明属于钢铁材料焊接技术领域，特别是涉及一种桥梁用Q420qE级超低碳贝氏体钢的焊接方法。

背景技术

目前，我国铁路、公路交通运输能力的大幅度提升，要求铁路和公路桥梁的建设规模不断扩大，技术水平不断提高，桥梁的功能、结构和建造技术向适应重载高速、大跨度、轻量化、整体性好、安全性高、采用全焊接节点钢结构的方向发展。因此，对桥梁用钢的强度、低温韧性、疲劳、腐蚀等使用性能和焊接性能的要求越来越高，桥梁钢板的最大厚度也超过了50mm。我国现有桥梁钢的强度级别已从Q235q、Q345q、Q370q发展到Q420q，国外桥梁钢强度级别已达到690MPa级或更高级别。随着强度级别的提高，结构发生脆断的危险性越大，因而对桥梁钢低温韧性的指标要求也随之提高，一般要求Q420qE级钢板-40℃却贝冲击功≥47J。上述技术条件已列入了我国现行的桥梁钢标准GB/T714-2000《桥梁用结构钢》，而桥梁钢的实物交货技术条件远高于国家标准。同时，对高强度桥梁钢板焊接性能的要求也更加严格。桥梁钢具有良好焊接性能或易焊接性，表现在两个方面。一是钢的淬硬倾向低，焊前不预热或采用较低温度预热即可避免裂纹的产生；二是采用较高热输入或较大线能量焊接，热影响区不产生脆化。

目前，国内Q420q桥梁钢主要有两个钢种，一种是早期九江长江大桥采用的15MnVNq铁素体正火钢，另一种是近几年来新开发的超低碳贝氏体钢。

15MnVNq是在16Mn钢的基础上通过加入少量的钒(0.1～0.2％)和同时增氮(0.01～0.02％)来达到细化晶粒和沉淀强化的目的，经正火后屈服强度可达到490MPa级，-40℃却贝冲击功达到60J左右。但是，作为桥梁钢，15MnVNq的焊接性能并不好，主要原因是钢中的碳含量(0.15～0.20％)偏高。因此，为防止产生焊接冷裂纹，需要焊前预热(150～200℃)。另外，在较宽的焊接线能量范围(10～60kJ/cm)内，焊接热影响区均易形成粗大的马氏体与粒状贝氏体的混合组织，脆化倾向较显著，-40℃却贝冲击功往往难于稳定达到实际构件所要求的47J。因此，15MnVNq不能作为Q420qE级桥梁钢使用。

为改善桥梁钢的焊接性能，降低碳含量是必要的技术途径。近年来，国内钢厂相继开发了Q420qE级超低碳贝氏体钢。这种钢采用的(微)合金化技术包括大幅度降碳、Nb和Ti微合金化、和适量加入Mn、Si、Cu、Cr、Ni、Mo、B等合金元素中的一种或多种，并借助于TMCP技术，促进无碳化物贝氏体转变，产生显著的细化晶粒强化、位错及亚结构强化、析出强化和相变强化效果，从而使钢达到极佳的强韧性匹配，-40℃却贝冲击功的实物水平一般均在200J以上。

根据上述(微)合金化特点，Q420qE级超低碳贝氏体钢与15MnVNq相比，焊接性能应有明显改善。其原因在于两方面：一是钢中的碳含量一般均低于0.05％，根据Granville提出的焊接性与碳含量和碳当量Ceq的关系，即使钢的其它合金成分较高，使碳当量达到了0.40％左右(注：桥梁钢国标GB/T714-2000规定Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14，且Q420q的Ceq≤0.45％)，钢的焊接冷裂纹倾向仍较低，焊前不预热或经较低的温度(一般低于100℃)预热即可避免裂纹的产生。二是超低碳贝氏体钢的合金化特点也促进在它的焊接热影响区发生贝氏体转变，且由于钢中碳含量低且含有微量Ti(0.01～0.02％)，热影响区中马氏体-奥氏体(M-A)岛脆性相的数量相对较少，由此引起的局部脆化倾向相对较低。

但是，根据Q420qE级超低碳贝氏体钢的成分控制特点，该钢在较大焊接线能量(≥45KJ/cm)时热影响区仍存在一定的粗晶脆化问题。为了确保钢的低温韧性，一般采用Al脱氧，钢中的Als含量达到0.03％以上，钢中的氧含量一般控制在≤30ppm，不利于发挥氧化钛诱导针状铁素体转变、以抑制焊接热影响区粗晶脆化的作用。另一方面，为了降低时效脆性，钢中的氮含量一般也控制在≤30ppm，远低于Ti/N的理想配比(3.42∶1)，不利于发挥TiN粒子钉扎焊接热影响区原奥氏体晶界，以抑制粗晶脆化的作用。