焊接对钢板Z向性能的影响

曾志斌

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京100081)

焊接对钢板Z向性能的影响

曾志斌

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京100081)

以上海闵浦大桥下弦杆整体节点板与斜撑杆翼缘板之间的T形接头为工程背景，分别采用埋弧自动焊、实芯焊丝CO2气体保护焊和手工电弧焊三种方法各焊接2组十字全熔透焊接接头，按照有关规范进行Z向拉伸试验。结果表明，钢板的Z向抗拉强度与轧制方向的抗拉强度基本相当;焊接能使钢板的Z向抗拉强度提高1% ～3%;分别采用埋弧自动焊、CO2气体保护焊和手工电弧焊时，钢板的Z向断面收缩率均小于母材，且减小的幅度依次增大;在计算层状撕裂敏感性指数时，可不考虑焊接方法的影响;推荐采用埋弧自动焊或CO2气体保护焊。

焊接 钢板 Z向(板厚方向)性能 试验

自20世纪90年代以来，我国交通领域基础设施的建设突飞猛进，在各类桥梁建设中钢桥以自重轻、跨越能力大等优点得到广泛应用。为了满足承载功能和美学等方面的需要，在钢桥设计中难免会采用一些特殊构造细节，除了要考虑结构的强度、刚度、稳定性和疲劳外，还要求钢板自身具有较好的Z向(板厚方向)性能，保证钢板不至于在Z向受力时产生层状撕裂。这样的案例很多，例如美国肯塔基州 Kenton县的Ⅰ—275号公路桥，其纵梁翼缘与箱形墩帽的腹板组成框架结构，在制造时由于高拘束度而在腹板中产生了层状撕裂，并延伸到焊趾附近的腹板表面[1]。

所谓层状撕裂(Lamellar Tearing)，是指厚板结构焊接时由于Z向(板厚方向)受力而致沿厚板轧层产生的一种特殊裂纹。层状撕裂通常发生在角接焊接头(如T形接头、十字形接头和隅角焊接头等)的热影响区和靠近热影响区的母材上，不会发生于焊缝之中，而且平行于钢板表面。产生层状撕裂的外因是在角接接头中沿着板厚方向作用的拉应力，内因是钢材中含有微量的非金属夹杂物，特别是硫化物，如MnS，其次是SiO2、Al2O3等氧化物[2-3]。

对层状撕裂的研究开始于20世纪60年代，国内外研究的重点集中在层状撕裂产生的机理和如何预防层状撕裂等方面[2-4]，并相继制定了抗层状撕裂的钢材标准和试验方法[5-6]，这些标准和试验方法大致接近。层状撕裂的试验方法主要有Z向窗口试验法、Cranfield试验法和 Z向拉伸试验法[2-3]，其中 Z向窗口试验法能模拟实际焊接接头，国际焊接学会(IIW)以此试验方法为基础对Z向钢进行分级;最常用的是Z向拉伸试验法，这是一种通过测试标准试件的断面收缩率来评价层状撕裂敏感性的间接方法。

在欧洲和日本制定的层状撕裂敏感性评定方法和标准[7-8]中，层状撕裂敏感性指数主要受焊角尺寸、接头形状、弯曲约束度、受拉约束度和预热的影响，其中不包含焊接方法的影响。在国家标准“厚度方向性能钢板(GB 5313—85)”中规定试件夹持端的焊接可采用任何适宜方法(如摩擦焊、手工电弧焊等)。为了了解不同焊接方法对钢板Z向性能的影响，以上海闵浦大桥下弦杆整体节点板与斜撑杆翼缘板之间的连接接头为工程背景，以十字全熔透焊接接头来模拟该连接形式，分别采用埋弧自动焊、实芯焊丝 CO2气体保护焊和手工电弧焊三种焊接方式进行焊接，经无损检测合格后，按照规范在芯板上沿板厚方向切取试件进行Z向拉伸试验，对比拉伸强度和断面收缩率，以了解不同焊接方法对钢板Z向性能的影响。

1 上海闵浦大桥下弦节点简介

上海闵浦大桥下弦节点如图1所示，其中斜撑杆翼缘板与下弦杆整体节点板之间采用全熔透焊接连接，斜撑杆腹板与整体节点板不连接，在下弦杆内与斜撑杆翼缘板对应位置设有横隔板[9]。整体节点板采用Q370qE级钢，其他构件采用Q345qD级钢。采用欧洲和日本有关规范对该接头的层状撕裂敏感性指数进行评定，结果表明整体节点板所用钢板的Z向性能必须达到Z25级，即整体节点板Z向的断面收缩率φz不得小于 25% ，含硫量不得大于 0.007%[8，10](欧洲、美国和日本规范为0.008%)。

图1 上海闵浦大桥下弦节点示意

2 试验用材

综合考虑设计图纸中下弦整体节点板的接头形式和焊接工艺评定试验中的T形接头形式，试验中采用44 mm厚Q370qE—Z25级桥梁用结构钢板模拟整体节点板，采用44 mm厚 Q370qE(Z25)级和40 mm厚Q345qD级桥梁用结构钢板模拟斜撑杆翼缘板，其化学成分和力学性能均符合桥梁用结构钢(GB/T714—2008)的要求(如表1所示)。埋弧自动焊采用 φ5.0 mm的H08MnA焊丝+SJ101焊剂，CO2气体保护焊采用φ1.2 mm的 ER50-6焊丝，手工电弧焊采用 φ4.0 mm的E5015电焊条，焊材的化学成分及其熔敷金属的实测力学性能符合相关规范的要求。

表1 试验用钢板的化学成分和力学性能

3 试件制备

3.1 钢板母材

按照 GB 5313—85所述的方法，在 Q370qE钢板上取样和加工试件。因为钢板厚度为44 mm，故试件采用整个板厚加工而成(GB 5313—85中的 a型试样)，试件直径为12 mm(如图2所示)。试件数量为6个，选取其中3个做试验，另3个备用。

图2 钢板母材Z向拉伸试件(单位:mm)

3.2 十字全熔透焊接接头

十字全熔透焊接接头试件共分6组，其中第1，2组用埋弧自动焊，第3，4组用实芯焊丝CO2气体保护焊，第5，6组用手工电弧焊。试件的尺寸和坡口形式与制造厂家的焊接工艺评定报告相同[11](如图3所示)，试件长度≥200 mm。

第1，2组试件在有坡口侧焊接多道之后，在背面采用碳弧气刨清根，然后焊接2道，之后再在有坡口侧焊接，直至完成。第3～6组试件在大坡口侧焊接多道之后，在小坡口侧采用碳弧气刨清根，然后焊接，为了防止过大的角变形，需要将试件反复翻身，即尽量对称施焊。实际焊接工艺参数如表2所示，其中第1～4组为制造厂家焊接工艺评定所采用的参数[11]。

试件焊接完成24 h之后，采用超声波探伤，结果没有发现缺陷或层状撕裂裂纹。

为了检查钢板靠近表面部分的厚度方向性能，采用GB 5313—85中的c型试样，试件取样位置和尺寸如图4所示。试件数量为6个，选取其中3个做试验，另3个备用。同时，每组试件取了1个焊缝金属的拉伸试件。

图4 拉伸试件取样位置和尺寸(单位:mm)

4 试验结果及其分析

拉伸试验在WE-300型试验机上进行。Z向拉伸试件破坏的断口位置全部位于试件中部，断口呈现典型的杯口状。试件拉伸破坏后，用游标卡尺测量断口处的直径，并与试验前试件的直径相比较，按照下式求得断面收缩率φz。

式中，F0为试件原始横截面积(mm2)，F0=πd20/4;F为试件断裂后的最小横截面积(mm2)，F=π(d1+d2)2/16，d1和d2为两个互相垂直的直径的测量值，如果断面呈椭圆形，则d1和d2表示椭圆的两根轴。

钢板母材和十字全熔透焊接接头Z向拉伸试件的抗拉强度和断面收缩率试验结果分别如图5和图6所示，图5中σb为芯板轧制方向实测拉伸强度值。

从图5和图6可以看出:

图5 十字接头Z向拉伸抗拉强度

1)除一个数据外，十字全熔透焊缝芯板的Z向抗拉强度均略高于Q370qE钢板母材轧制方向抗拉强度的实测值，可以认为钢板的Z向抗拉强度与轧制方向的抗拉强度相当。

2)采用埋弧自动焊、CO2气体保护焊和手工电弧焊三种焊接方法，十字全熔透焊缝芯板Z向的抗拉强度逐次增大，但增大幅度仅为1% ～3%，即焊接对钢板Z向抗拉强度几乎没有太大影响。

图6 母材和十字接头的断面收缩率

3)采用埋弧自动焊、CO2气体保护焊和手工电弧焊三种焊接方法，十字全熔透焊缝芯板Z向的断面收缩率逐次减小，与母材相比，减小的幅度依次为1.72%，3.79%和12.07%。

4)尽管试验采用的Q370qE钢出厂标记为Z25号钢，但是实际测试母材 Z向的断面收缩率达到了72.5%，远大于Z25号钢规定断面收缩率≥25%的标准。

综合分析焊接方法对钢板Z向抗拉强度和Z向断面收缩率的影响，建议在进行钢板 Z向拉伸试验时，试件夹持端的焊接宜采用埋弧自动焊或CO2气体保护焊。

将本次试验实测的断面收缩率与国外同类试验实测值的比较如图7，当硫含量相同时，本次试验的实测值比日本的试验值稍偏高，这与钢板本身材质较好有关。

图7 本次试验断面收缩率实测值与日本试验值的比较

5 结束语

层状撕裂可在焊接过程中形成，也可在焊接结束后启裂和扩展，甚至还可能延迟到使用期间才发生，即具有延迟破坏性质。层状撕裂引发的裂纹位于接头内部，不但无损检测难以发现，而且更难以修复。因此，层状撕裂具有非常大的危害性。为了预防层状撕裂，优先改善焊接接头的设计，尽量避免重要构件在板厚方向产生拉应力，或者改善焊接工艺;实在克服不了时选用抗层状撕裂钢材，即Z向钢。在进行钢板的Z向性能试验时，若不能直接在钢板厚度方向上加工取样，或者需要检查钢板靠近表面部分的Z向性能时，往往需要焊接夹持端。另外，在实际钢桥的某些T形接头、十字形接头或隅角焊接头处，需要其中一块钢板承受Z向力。通过本次试验研究，大致可得到以下结论:

1)钢板的Z向抗拉强度与轧制方向的抗拉强度相当;

2)采用不同的焊接方法时钢板的Z向抗拉强度稍有变化，几乎可忽略不计;

3)分别采用埋弧自动焊、CO2气体保护焊和手工电弧焊三种焊接方法时，钢板的Z向断面收缩率均低于母材，且减小的幅度依次增大，但是最大幅度均不是很大，因此在计算层状撕裂敏感性指数时，可不考虑焊接方法的影响;

4)在进行钢板Z向拉伸试验时，试件夹持端的焊接推荐采用埋弧自动焊或CO2气体保护焊。

[1]John W 费希尔.钢桥的疲劳和断裂[M].项海帆，史永吉译.北京:中国铁道出版社，1989.

[2]陈伯蠡.焊接工程缺欠分析与对策[M].北京:机械工业出版社，1998.

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

[4]史永吉，王辉，方兴，白玲.钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计[J].中国铁道科学，2005，26(6):69-74.

[5]ISO 7778:1983 Steel plate with specified through-thickness characteristics[S].International Organization for Standardization，1983.

[6]国家标准局.GB 5313—85 厚度方向性能钢板[S].北京:中国标准出版社，1985.

[7]BS EN 10164:2004 Steel products with improved deformation properties perpendicular to the surface of the product[S].Brussels:European Committee for Standardization，2004.

[8]日本土木学会钢构造委员会钢材规格小委员会.耐ラメラテア钢の土木构造物适用特性[J].土木学会誌，1985年8月号.

[9]曾志斌.上海闵浦大桥主跨钢桁梁设计关键技术研究[R].北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，2009.

[10]国家质量技术监督局.GB/T 714—2008 桥梁用结构钢[S].北京:中国标准出版社，2009.

[11]江苏中泰钢结构有限责任公司.上海 A15公路闵浦大桥钢梁焊接工艺评定试验总结报告[R].江苏:江苏中泰钢结构有限责任公司，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，湖北天门人，副研究员，硕士。

(责任审编 孟庆伶)