摘  要：本文研究了桥梁钢Q370q的双丝埋弧焊焊接性。通过匹配不同的焊丝以及不同的焊接工艺参数，研究了桥梁钢Q370q的微观组织及力学性能。研究表明，Q370qD钢用H10Mn2进行双丝埋弧焊焊接，焊缝的低温韧性较低，但通过匹配优选焊材（CJQ-4焊丝）进行焊接，低温性能优良。

关键词：双丝埋弧焊；桥梁钢Q370q；焊接性；低温韧性；力学性能

1.前言

近年来，随着钢材冶炼技术的提高和焊接技术的进步，钢结构工程日益向大型化、高参数方向发展，随之使用的钢材强度、厚度，结构的跨度等都在增加，以及以焊接为主的连接技术成熟，相应的焊接工作量也逐渐增加，在这个日益追求效率的社会，谁的生产效率越高，学习和掌握新技术的能力越强，谁占有市场的份额和效益也就越高，由此提高工效成了控制制造成本的最有效途径。双丝（多丝）埋弧自动焊在建筑钢结构、重型机械、石油管道等领域的应用十分广泛，特别是在石油天然气管道中已使用 4 丝焊接，工艺很成熟。但在桥梁钢焊接中应用还是空白，将双丝埋弧焊接技术应用在桥梁钢Q370q拼接直缝的焊接中，将会大幅提高焊接效率，因此，开展采用双丝埋弧焊接技术焊接桥梁钢的试验研究具有非常重要的现实意义。

九十年代初，大桥局和武钢联合共同开发了大跨度铁路桥梁用钢14MnNbq（Q370q）。该钢采用降碳加铌合金超纯净的冶金方法，保证了在屈服强度ReL≥370Mpa的基础上，具有优异的-40℃低温冲击韧性。一般的正火钢材是在固熔强化的基础上，通过沉淀强化和细化晶粒来进一步提高强度和保证韧性，焊接正火钢时，在加热到高于1100摄氏度以上的热影响区内，如果停留时间较长（即大线能量时），实际上破坏了材料原先正火状态下的有利组织状态和良好的综合性能，使焊缝又恢复到了正火前的热轧状态，随着焊接线能量的增加，对焊接热影响区韧性的损失越来越明显。但随着钢材冶炼和轧制技术的进步，特别是微合金化钢和TMCP轧制工艺的成熟和普及，利用TiO、TiN等有效阻止HAZ晶粒粗化，大副提高钢材的高温稳定性，为推广应用双丝（多丝）埋弧焊等高效焊接技术提供了保障。

双丝埋弧焊接技术是上世纪50年代出现的一种高效的焊接工艺，双丝埋弧焊电源的类型可以是直流＋直流、交流＋交流、直流＋交流三种组合，综合考虑到焊接工艺性的影响，本次选择采用共熔池双电源双丝埋弧焊（直流＋交流），由于两焊丝靠得很近，可形成一个窄而长的熔池，以改善熔池的形状特征，在保持适当的焊道外形的情况下不仅加快焊接速度，而且可以避免电弧磁偏吹的影响。

2.试验材料、设备

2.1 试验钢材

试验选用近年来在桥梁制造中广泛使用的Q370qD钢板，供货状态为控轧状态，板厚为44mm，试验钢板的化学成分及力学性能分别见表1、表2，经过复验均满足标准（GB/T 714-2008）要求。

表1 试验用钢板化学成分（%）

表2 试验用钢板力学性能

2.2 试验焊接材料

结合Q370qD钢钢材冶金合金化元素及以往工程的焊接经验，埋弧焊丝分别采用H10Mn2（φ5.0，批号：0701121）,CJQ-4（φ5.0，批号：08-745），H10Mn2焊丝是C-Mn系低合金焊丝,与CJQ-4焊丝相比，焊丝中S、P等杂质量稍高，而Si、Mn含量与CJQ-4相当，同时CJQ-4焊丝中提高了Ni含量。焊接时均匹配焊剂SJ101q，该焊剂是一种中等碱度的烧结焊剂，其碱度系数在1.7左右，与该焊剂组合的综合性能优良。焊接材料的化学成分及力学性能见表3。

表3 焊材化学成分及力学性能

2.3 试验焊接设备

焊接设备采用新购唐山开元自动焊接设备有限公司的双丝埋弧焊机，如图1所示。

（a）直流电源ZD5-1250B 

（b）机头MZC-1250M 

（C）交流电源BXL-1250

图1 双丝双电埋弧焊设备

3.试验过程

3.1 坡口制备

焊接坡口采用对称X型坡口，坡口钝边为8mm，采用机加工完成，具体坡口见图2。

图2 焊接接头形式(双丝埋弧焊技术)

3.2、 试验项目及焊接工艺参数

双丝埋弧焊接过程中，前丝（直流）、后丝（交流）共同决定了热输入和最终的组织状态，前丝的电流大而电压小，决定焊道的熔透深度；后丝的电流较小而电压较大，可以保证熔宽和焊缝成型，要求前后丝参数必须匹配。另外，从脱渣性及焊缝表面成型考虑，选择丝距为25mm，前丝向焊接方向倾斜5°以获得较大的熔深，后丝向焊接方向反向倾斜10°以获得较宽的熔宽。编号1#～3#、9#为Q370qD钢双丝埋弧焊试件、4#为Q370qD钢单丝埋弧焊试件。试验项目及工艺参数见表4。

 表4 试验工艺参数表

注：焊道数字加黑为后焊一侧焊道，焊前清根处理。

4.试验结果及分析

4.1 焊缝宏观及微观金相分析

力学性能试件经抛光、硝酸热蚀，进行微观组织分析，接头焊缝及HAZ微观照片见图3。通过微观照片对比分析（见图3），Q370qD钢（1#～3#试件）焊缝区的针状铁素体所占的比例明显小于先共析铁素体的比例，4#、9#试件焊缝区针状铁素体比例稍有加大。

2#（Q370qD双丝）焊缝金属组织  400×                      2#（Q370qD双丝）HAZ组织  400×

3#（Q370qD双丝）焊缝金属组织  400×                    3#（Q370qD双丝）HAZ组织  400×

9#（Q370qD双丝）焊缝金属组织  400×                       9#（Q370qD双丝）HAZ组织  400×

4#（Q370qD单丝）焊缝金属组织  400×                      4# （Q370qD单丝）HAZ组织  400×

图3 焊缝金属及HAZ微观组织(双丝埋弧焊技术)

4.2 焊缝化学成分分析

焊缝的化学成分见表6。焊缝化学成分与母材相匹配，S、P含量均较低；对于Ni、V、Ti三种元素， Q370qD钢9#试件焊缝Ni含量为1#～3#试件的5倍。

表6 焊缝化学成分（%）

4.3 力学性能试验结果

焊缝接头力学性能试验结果见表7。

 表7 焊缝接头力学性能试验结果

注： 4#试件单丝埋弧焊接试件

对于Q370qD钢，双丝与单丝埋弧焊焊接接头的Rm、ReL、A、HV10max及侧弯试验结果均满足标准要求，但双丝埋弧焊1#～3#试件采用H10Mn2配SJ101q进行焊接，-20℃低温冲击功Akv平均为34J，小于标准要求的41J。主要原因由于Q370qD钢为Nb元素强化钢，一方面，双丝埋弧前丝的焊接电流大，导致施焊时焊缝熔合比增大，基材中的Nb元素大量过渡到焊缝中，扩大了焊缝结晶温度范围，促使焊缝中形成呈带状分布的先共析铁素体；另一方面，由于双丝埋弧焊的窄长温度场和双峰热循环的特点，焊缝在冶金过程高温停留时间较长、冷却速度较慢致使产生大量的先共析铁素体，这两种铁素体的位错密度较低，韧性也较差，随着焊缝中先共析铁素体的比例增多，导致焊缝中针状铁素体的比例明显减少，因此焊缝韧性较差。而双丝埋弧焊9#试件，采用CJQ-4配SJ101q进行焊接，-20℃低温冲击功Akv平均为82J，大于标准要求的41J。由于CJQ-4焊丝同1#、2#、3#试件选用的H10Mn2相比，S、P含量明显降低，且增加了焊丝Ni含量，Ni元素是奥氏体化元素，固熔在Fe晶格间，抑制了先共析铁素体的生成，有利于针状铁素体的形成，从微观组织上来看，焊缝区针状铁素体比例明显多于先共析铁素体，促使韧性提高。双丝焊焊缝热影响区的-20℃低温冲击功Akv大于标准要求的41J，但同单丝焊相比稍有下降。

5.结 语

对于Q370qD钢用H10Mn2进行双丝埋弧焊焊接，焊缝的低温韧性较低，但通过匹配优选焊材，试验用武汉铁锚的CJQ-4焊丝焊接，低温性能优良。以上说明通过焊材的优选、工艺参数的调整在技术上是完全可行的。