材料介紹
正火鋼是指經受過了正火的鋼。正火是一種低成本的熱處理方案。將亞共析碳鋼加熱到Ac3以上30～50℃，過共析碳鋼加熱到Accm以上30～50℃，保溫，空氣中冷卻的方法稱為正火。
適用於碳素鋼及中、低合金鋼，因為高合金鋼的奧氏體非常穩定，即使在空氣中冷卻也會獲得馬氏體組織。對於低碳鋼、低碳低合金鋼，細化晶粒，提高硬度（140～190HBS），改善切削加工性能；對於過共析鋼，消除二次網狀滲碳體，有利於球化退火的進行。
正火鋼合金元素含量較高,焊接熱影響區的淬硬傾向有所增加。對強度級別及碳當量較低的正火鋼,冷裂傾向不大。但隨著強度級別及板厚的增加,其淬硬性及冷裂傾向都隨之增大,需要採取控制焊接熱輸入、降低含氫量、預熱和及時後熱等措施 。
正火鋼對接焊縫埋弧焊
青藏鐵路32 m結合梁設計圖之所以提出14MnNbq鋼板對接焊縫接頭三區AKV≥27 J ( - 50 ℃) 的要求, 主要是由青藏地區特殊的地理環境確定的。為確保國家重點工程的焊接質量, 從母材的性能、焊接材料的選擇、焊接工藝評定等方面進行了分析和驗證。
母材性能
14MnNbq鋼板是武漢鋼鐵集團和中鐵大橋局共同研究開發的新鋼種, 它是我國自行研發的橋樑用結構鋼, 並在蕪湖橋長江大橋上套用。根據《蕪湖橋長江大橋鋼樑製造技術》, 該鋼淬硬傾向較小, 塑韌性高, 但在蕪湖橋上鋼板埋弧焊對接焊縫的低溫衝擊試驗溫度僅是- 40 ℃, 而青藏線32 m結合梁的鋼板對接焊縫的低溫衝擊試驗溫度則是- 50 ℃。為了保證焊縫接頭低溫衝擊吸收功能夠達到設計要求, 首先要從母材力學性能出發, 因鋼材經過正火處理後能夠提高鋼材的韌性, 所以公司向武漢鋼鐵集團提出要求, 板厚12, 16, 24 mm的3種鋼板交貨狀態一律為正火, 更進一步提高了母材的力學性能, 為提高焊縫接頭- 50 ℃時的低溫衝擊吸收功打好基礎。原設計圖上要求的14MnNbq鋼板力學性能和武鋼提供的14MnNbq ( 正火) 鋼板的力學性能 ( 以厚24 mm板為例) 。通過比較, 不難看出, 經過正火的母材力學性能比原設計要求均高出了許多, 尤其是- 40 ℃時的衝擊吸收功較原設計標準高出近1倍, 這樣的結果對提高焊縫的低溫衝擊吸收功是很有利的, 同時也為鋼板對接焊縫的焊接試驗打下了良好的基礎 。
焊材的選擇
選擇焊絲、焊劑的對與否, 將關係到焊縫可否達到- 50 ℃時的低溫衝擊吸收功的設計要求, 通過對焊材資的查閱、分析後發現, 採用哈爾濱焊接研究所在進行核電站電容器焊接試驗中選用的焊絲H08Mn2E比較理想, 其在國標焊絲H10Mn2的基礎上降低了C含量, 因而降低了焊縫的強度, 降低了S, P含量, 並控制了N, O, Al等含量, 以提高焊縫的韌性。焊劑選用燒結焊劑SJ101q較理想, 其在SJ101焊劑的基礎上降低了S, P等雜質含量, 並要求其熔敷金屬有更高的韌性, 同時限定熔敷金屬強度的上限, 以利於保證焊縫金屬達到高韌性低強度。焊縫熔敷金屬力學性能各項指標與32 m結合梁的設計標準相吻合, 所以選用H08Mn2E+SJ101q組合, 作為青藏鐵路32 m結合梁焊接工藝評定的試驗焊接用焊材。
工藝評定試驗
焊前準備
青藏鐵路32 m結合梁的主樑上、下蓋板厚度為24 mm, 腹板厚度為16 mm, 總計17孔, 鋼板的橫向對接量大, 故做這2種板厚的對接焊縫埋弧焊試驗很有代表性, 焊接試板要選C,S, P等化學成分偏標準上限且衝擊韌性偏標準下限的母材製備, 試板寬度方向垂直於鋼板軋制方向, 力學性能試驗時,焊縫拉伸和衝擊試樣均在後焊面製取。點固焊使用焊條J507!4, 16, 24 mm。2種厚度的試板坡口形式, 厚24mm試板組對時在大口側需預留4 mm的反變形量。
焊接
埋弧焊採用ZXG- 1000R電源( 直流反接) , MZ1- 1000型焊接小車, 焊絲為H08Mn2E, ∅5 mm, 焊劑為SJ101q。16 mm試板焊接時先焊坡口側, 24 mm試板焊接時先焊小口側。施焊時要認真執行TB 10212—1998 《鐵路鋼橋製造規範》中4.7條的標準。24 mm板焊接時, 焊第2道之前應仔細清根, 2種板厚的時效衝擊試件試驗區域不得調直, 以免影響檢測數據, 對接試件的焊接順序。試板組拼好後24 h內必須焊完, 施焊過程中嚴格控制道間溫度在85～198 ℃, 不斷用電子測溫筆檢測道間溫度, 以避免道間溫度過高而影響焊接質量和試驗數據, 2種板厚的試板焊後放在空氣中自然冷卻, 不得採用其它方式強制冷卻。24 h後進行超音波探傷( 執行GB 11345) , 探傷結果100%合格, 達Ⅰ級, 並在200～300 mm進行了射線探傷( 執行GB 3323) , 焊縫內部質量達到了Ⅱ級。2種試板焊縫的探傷結果均滿足了設計圖樣的技術要求, 然後將試件取樣進行力學性能試驗,接頭各項指標均滿足設計要求, 低溫衝擊值儲存較高, 滿足了32 m結合梁設計圖樣對焊縫的技術要求。該評定試驗已用於國家重點工程青藏鐵路32 m結合梁鋼板對接的焊接工藝上, 並已用於青藏鐵路32 m結合梁的焊接中。同時該焊接工藝也填補了對於14MnNbq正火鋼對接焊縫- 50 ℃時低溫衝擊吸收功≥27 J的空白 。
總結
厚16 ～32 mm 的14MnNbq 正火鋼對接埋弧焊, 採用H08Mn2E+SJ101q施焊的焊縫經外觀檢查, 超音波、射線探傷和力學性能試驗, 焊接接頭力學性能均能滿足青藏鐵路32 m結合梁的技術要求。同時該焊接工藝為14MnNbq正火鋼在我國高原、寒冷地區的套用進行了初步嘗試 。
