（材料加工工程专业论文）高强度桥梁钢焊接性的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d yo n t h ew e l d a b i l i t yo f h i g hs t r e n g t h b r i d g es t e e l b y j i a k u n - n i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r w a n gg u o d o n g p r o f e s s o rd ul i n x i u a s s o c i a t ep r o f e s s o rg a oc a i r u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究 成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果， 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：、紊 砷岩 日期：埘簪7 珥铲臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：、亥弗宣 签字日期：湖护年7 月夸日 导师签名：别乱拼 签字日期：少年7 ，习甲i a - i i - 东北大学博士学位论文 摘要 高强度桥梁钢焊接性的研究 摘要 自前，高强度桥梁钢在国外已经达到较高的水平，且形成了大量的专利技术。 而在我国高强度桥梁钢的开发和研究却处在起步阶段，因此，国内急需开发高强 度桥梁钢。本文在首钢总公司一东北大学“钢种开发”项目的支持下开展研究，对 开发的高强度桥梁钢q 4 6 0 q 的焊接性能进行了系统研究。论文主要工作如下： 1 ) 采用热输入量较大的焊接方法即埋弧焊对q 4 6 0 q 进行不同工艺参数条件下的 焊接，确定合理的焊接工艺参数，并对q 4 6 0 q 的使用焊接性和工艺焊接性进 行评价。结果表明：高强度桥梁钢q 4 6 0 q 具有良好的使用焊接性能，即焊接 接头的强度不低于母材，一6 0 。c - - 一2 0 。c 条件下韧性虽稍低于母材但均表现出较 好的韧性，且焊接接头中焊缝、熔合区和热影响区的d b t t 均在较低的温度 范围内；高强度桥梁钢q 4 6 0 q 在焊接过程中产生冷裂纹的倾向不大，故其工 艺焊接性较好。 2 ) 采用热模拟方法全面研究了高强度桥梁钢q 4 6 0 q 和q 4 6 0 q n h 不同焊接热输 入条件下热影响区的组织性能。结果表明：q 4 6 0 q 和q 4 6 0 q n h 在t 8 ，5 为3 0 s 2 0 0 s 条件下( e 相当于3 8 1 1 7 k j c m ) 模拟热影响区粗晶区的组织主要为贝 氏体，具有板条和粒状两种形态，贝氏体中的m a 组元的形态、分布和数 量随着t 8 5 的改变而变化并对粗晶区的韧性产生显著影响；随着船的增加， 粗晶区原始奥氏体晶粒尺寸不断增大，有效晶粒尺寸的增大使粗晶区韧性显 著变差。因此为提高焊接热影响区粗晶区的韧性，应采取合适的方法来控制 粗晶区晶粒尺寸。 3 ) 测定了高强度桥梁钢q 4 6 0 q 和q 4 6 0 q n h 的s h c c t 图，为研究高强度桥 梁钢焊接物理冶金规律、制定适宜的焊接工艺奠定了基础。 4 ) 利用r 0 的正弦波对高强度桥梁钢q 4 6 0 q 焊接接头的疲劳s - - n 曲线、疲劳 裂纹中速扩展区p a r i s 公式材料常数c 、指数m 以及裂纹门槛值k m 进行了 测试，并对q 4 6 0 q 焊接接头疲劳裂纹萌生机理进行了研究。结果表明：q 4 6 0 q 在r 0 时的疲劳极限为4 7 0 m p a ，在较高应力幅下的疲劳裂纹起源于试样表 面的某种缺陷，在较低应力幅下疲劳裂纹起源于大尺寸夹杂物。焊接接头中 焊缝的裂纹门槛值k m 高于热影响区和母材，而裂纹扩展速率低于热影响区 东北大学博士学位论文摘要 和母材。焊缝金属随着疲劳载荷下循环次数的增加，依次形成位错纠结_ 位 错墙_ 位错胞_ 亚晶，亚晶界开裂从而形成裂纹。 5 ) 在较大热输入量条件下( t 8 ，5 8 0 ) ，高强度桥梁钢热影响区粗晶区出现脆化， 为了改善粗晶区的韧性，首次研究了第二相粒子对微钙钢焊接热影响区奥氏 体晶粒尺寸的影响。通过对母材进行c a 处理，在钢中产生弥散细小的第二 相粒子c a o 、c a s 。一方面充分利用微钙钢中细小的高温热稳定的c a o 、c a s 粒子在1 3 5 0 1 4 5 0 。c 对奥氏体晶界迁移的钉扎作用，有效地减少焊接热影响 区粗晶区的组织粗化，细化粗晶区原始奥氏体晶粒，提高韧性；另一方面利 用焊接热影响区中较大尺寸的c a o 粒子作为针状铁素体的形核点，促进晶内 高强韧性的针状铁素体的形成。结果表明：在大热输入量条件下，即t 8 5 为 8 0 s 、2 0 0 s ( 相当于e 为8 7 、1 1 7 k j c m ) ，粗晶区原始奥氏体晶粒尺寸得到明 显细化，且随着t 8 ，5 的增加，晶粒长大趋势小，韧性得到明显改善。 6 ) 采用真实焊接和热模拟方法研究了微钙钢不同条件下热影响区的组织性能， 并确定了微钙钢较小的热影响区奥氏体晶粒长大倾向。结果表明：t 8 5 ：8 s 时 的热影响区粗晶区奥氏体平均晶粒尺寸约2 0 1 m a ；t s 5 = 2 0 s 时，奥氏体晶粒尺 寸约4 0 1 a m ；t 8 5 = 4 0 s 时，奥氏体晶粒尺寸约6 0 1 m a ；t s 5 = 8 0 s 时，奥氏体晶 粒尺寸约8 0 1 x m ；t 8 5 = 2 0 0 s 时，奥氏体晶粒尺寸约1 l o g r n 。结果表明：微钙 钢与一般低合金高强钢相比焊接热影响区粗晶区的原始奥氏体晶粒长大程度 明显降低，微钙钢焊接热影响区晶粒细化效果显著。 关键词：高强度桥梁钢，焊接性能，焊接热影响区，疲劳性能，微钙钢，热输入 量，奥氏体晶粒尺寸，韧性 s t u d y o nt h ew e l d a b i l i t yo fh i g hs t r e n g t h b r i d g es t e e l a b s t r a c t h i g hs t r e n g t hb r i d g es t e e lh a sb e e ns t u d i e dw i d e l ya n ds u b s t a n t i v ep a t e n t sh a v e b e e no b t a i n e di nf o r e i g nc o u n t r i e sa tp r e s e n t h o w e v e r , t h es t u d yo nh i 曲s t r e n g t h b r i d g es t e e li nc h i n ah a sj u s tb e e ns t a r t e dr e c e n t l y s o ，t h ed e v e l o p m e n to fh i g h s t r e n g t hb r i d g ei su r g e n tt oc a l t yo u ti nc h i n a w i t ht h es u p p o r to ft h ep r o j e c to f d e v e l o p m e n to fs t e e l s t a k e no nb yc a p i t a ls t e e lc o m p a n ya n dn o r t h e a s t e r n u n i v e r s i t y , t h ew e l d a b i l i t yo fah i g hs t r e n g t hb r i d g es t e e lq 4 6 0 qw a ss y s t e m a t i c a l l y s t u d i e di nt h i st h e s i s ，a n dt h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt od e t e r m i n er e a s o n a b l ew e l d i n gp a r a m e t e r s ，a n dt oe s t i m a t et h es e r v i c e w e l d a b i l i t ya n df a b r i c a t i o nw e l d a b i l i t y , q 4 6 0 qw a sw e l d e du n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r s u s m gs u b m e r g e d - a r cw e l d i n gd u r i n gw h i c hh e a ti n p u ti sh i g h t h er e s u l t sp r o v e dt h a t ， q 4 6 0 qh a sh i g hs e r v i c ew e l d a b i l i t y t h es t r e n g t ho ft h ew e l dj o i n ti sn o tl o w e rt h a n t h eb a s em e t a l ，g o o dt o u g h n e s si so b t a i n e da t - 6 0 2 0 ，a n dt h ed a t to ft h e w e l d i n gl i n e ，b o n da n dh e a ta f f e c t e dz o n ea r el o w i na d d i t i o n ，c o l dc r a c ki sn o t f o r m e dd u r i n gw e l d i n g ，p r o v i n gt h eg o o df a b r i c a t i o nw e l d a b i l i t yo fq 4 6 0 q ( 2 ) t h em i c r o s t r u c t u r eo fh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) i nq 4 6 0 qa n dq 4 6 0 q n hw i t h d i f f e r e n th e a ti n p u tw a ss t u d i e dt h r o u g ht h e r m om e c h a n i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w et h a tb a i n i t ei n c l u d i n gl a t h i n ga n dg r a n u l a rf o r m e di nt h ec o a r s e g r a i nh e a ta f f e c t e dz o n e ( c g h a z ) w h e nt s 5i si nt h er a n g eo f3 0 s - - 2 0 0 s t h e m o r p h o l o g y , d i s t r i b u t i o na n dq u a n t i t yo ft h em ac o n s t i t u e n t si nb a i n i t ec h a n g e d 、析t 1 1 t s 5a n dh a so b v i o u se f f e c to nt h et o u g h n e s so fc o a r s eg r a i nz o n e t h eo r i g i n a l a u s t e n i t eg r a i ng r o w s 、i mt h ei n c r e a s eo ft s 5 t h ei n c r e a s eo fe f f e c t i v eg r a i ns i z e d e t e r i o r a t et h et o u g h n e s s t h u s ，i no r d e rt oi m p r o v et h et o u g h n e s s ，t h eg r a i ns i z eo f c g h a zs h o u l db ec o n t r o l l e d 、i t ha p p r o p r i a t em e t h o d ( 3 ) t h es h - c c tc u r v ew a sd e t e r m i n e d ，a n di ti sg r e a t l yh e l p f u lt os t u d yt h e p h y s i c a lm e t a l l u r g yd u r i n gw e l d i n ga n dt os e td o w na p p r o p r i a t ew e l d i n gp a r a m e t e r s v 东北大学博士学位论文 ( 4 ) t h ef a t i g u es nc u r v eo f t h ew e l d i n gj o i n t ，t h em a t e r i a lc o n s t a n tc ，e x p o n e n tm a n dt h ec r a c kt h r e s h o l dv a l u e k 血i np a r i sf o r m u l aw e r ed e t e r m i n e dw i t hs i n ew a v e ( r 0 ) ，a n dt h ei n i t i a t i o nm e c h a n i s m o ff a t i g u ec r a c kw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o w et h a tt h ef a t i g u ev a l u ew a s4 7 0 m p a t h ef a t i g u ec r a c ku n d e rh i g h e r s t r e s s a m p l i t u d eo r i g i n a t e df r o ms o m ed e f e c t a tt h es u r f a c eo ft h es a m p l e ，a n d o r i g i n a t e df r o mi n c l u s i o nu n d e rl o w e rs t r e s sa m p l i t u d e t h e o fw e l d i n gl i n ei n t h ew e l d i n gj o i n ti sh i g h e rt h a nt h a to ft h eb a s em e t a l ，w h i l ec r a c ke x t e n s i o nr a t ei s l o 钾e r 岫1m a to fh a za n db a s em e t a l t h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g e sa sf o l l o w sw i t h m ei n c r e a s eo fc y c l ei n d e x ：d i s l o c a t i o nt a n g l e - - - d i s l o c a t i o nw a l lf o r m e d - - - , d i s l o c a t i o n c e l lf o m e d - - , s u b g r a i nf o r m e d t h e nt h ec r a c kd e v e l o p e sw h e n t h es u b g r a i nb o u n d a r y s p l i t ( 5 ) t h ec g h a ze m b r i t t l e m e n t e da st s ，5 8 0 t oi m p r o v et h et o u g h n e s so ft h e c g h a z t h ee 髓c to fo x i d eo nt h ep h y s i c a lm e t a l l u r g yi n l o wa l l o yh i g hs t r e n g t h s t e e lw a sf i r s t l ys t u d i e d d i s p e r s e ds e c o n d p h a s ec a oa n dc a sf o r m e db yl o wc a t r e a 缸n e n t o no n eh 2 l r l d ，t h ed i s p e r s e da n ds t e a d yc a oa n dc a sw o u l dp i nt h e a u s t e m t eb o u n d a r ym i g r a t i n ga t 1 3 5 0 - 1 4 5 0 。c a sar e s u l t ，t h em i c r o s t r u c t u r e 1 s r i ；f m e di nc o a r s eg r a i nz o n ea n dt h et o u g h n e s si si m p r o v e d o nt h eo t h e rh a n d ， a c i c u l a rf 弧t ec a l l 肌c l e a t ea tl a r g e rc a o ，l e a d i n gt ot h ef o r m a t i o no f a c i c u l a rf e r r i t e w i t l lm g ht o u g h n e s s i ti so b s e r v e dt h a tw h e n t s 5i s8 0 sa n d2 0 0 s ( e = 8 7a n d117 k j c m ) ， t h eo r i g i n a la u s t e n i t eg r a i n sa r er e f i n e de v i d e n t l y t h eg r o w i n gr a t eo fg r a i n ss l o w d o w nw i mt h ei n c r e a s eo ft 8 ，5 ，a n dt h et o u g h n e s s i si m p r o v e do b v i o u s l y ( 6 ) 1 1 1 em i c r o s 仃i l c n 】r ea n dp r o p e r t i e sa sw e l la st h eg r o w t ht e n d e n c yo fa u s t e n i t e g r i i n si nh a zo fm i c r o a d d e dc as t e e lw e r ei n v e s t i g a t e db yr e a lw e l d i n ga n d t h e r m o m e c h a l l i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h e r e s u h ss h o 、et h a ta st 8 5 = 8 s ，2 0 s ，4 0 s ，8 0 s ，a n d2 0 0 s ，t h ea v e r a g ea u s t e n i t eg r m n d i a m e t e ri nc g h a z i sa b o u t2 0 9 m ，4 0 9 m ，6 0 9 i n ，8 0 9 ma n dl lo l a m ，r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht h el o wa l l o yh i g hs t r e n g t hs t e e l ，t h ea u s t e n i t e 。g r a i ng r o w t h r a t ei n c o a r s ep ，2 l i nz o n ed e c r e a s ed r a m a t i c a l l yi nm i c r o a d d e dc a s t e e l g r a i nr e f i n e m e n ti n h a zi sa p p a r e n t l ye f f e c t i v ei nm i c r o a d d e dc a s t e e l k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t hb r i d g es t e e l ，w e l d a b i l i t y , c g h a z ，f a t i g u ep e r f o r m a n c e ， m i c r o a d d e dc as t e e l ，h e a ti n p u t ，a u s t e n i t eg r a i ns i z e ，t o u g h n e s s v i 东北大学博士学位论文 目录 目录 独创性声明j i 摘要i i i a b s 订a c t 。v 第1 章绪论1 1 1 桥梁钢发展概况j - 1 1 1 1 国内桥梁钢发展概况1 1 1 2 国外桥梁钢发展概况3 1 2 桥梁钢的焊接研究进展4 1 2 1 桥梁钢采用的焊接方法与焊接材料4 1 2 23 4 5 m p a - - 4 2 0 m p a 级别桥梁钢焊接接头的组织和性能6 1 2 33 4 5 m p a 4 2 0 m p a 级别桥梁钢热影响区的冷裂纹敏感性7 1 2 43 4 5 m p a - - 4 2 0 m p a 级别桥梁钢s h - - c c t 图8 1 3 第二相粒子对h s l a 焊接热影响区组织性能的影响9 1 4 焊接热模拟技术的应用1 2 1 5 桥梁钢焊接结构的疲劳问题。1 2 1 5 1s n 曲线1 3 1 5 2 疲劳裂纹萌生机理。1 3 1 5 3 疲劳裂纹扩展机理一15 1 6 研究目的、意义和内容1 6 1 6 1 研究目的和意义1 6 1 6 2 研究的内容1 6 第2 章高强度桥梁钢焊接性的研究1 9 2 1 实验材料和实验方法1 9 2 1 1 实验材料1 9 2 1 2 实验方法2 0 2 2 实验结果与分析2 4 2 2 1 焊接接头显微组织分析：2 4 东北大学博士学位论文目录 2 2 2 焊接接头拉伸实验结果3 0 2 2 3 焊接接头弯曲实验结果3 0 2 2 4 焊接接头冲击实验结果31 2 2 5 焊接接头硬度实验结果3 7 2 2 6 焊接接头冷裂纹敏感性实验结果3 8 2 3 本章小结4 1 第3 章高强度桥梁钢模拟焊接热影响区组织性能的研究4 3 3 1 实验材料和实验方法4 3 3 1 1 实验材料4 3 3 1 2 实验方法4 4 3 2 实验结果与分析4 5 3 2 1q 4 6 0 q 模拟焊接热影响区组织和性能4 5 3 2 2q 4 6 0 q n h 模拟焊接热影响区组织和性能5 5 3 3 本章小结6 3 第4 章高强度桥梁钢s h - c c t 图6 5 4 1 实验材料及实验方案6 5 4 1 1 实验材料与设备一6 5 4 1 2 实验方案6 6 4 2 实验结果与讨论6 7 4 2 1q 4 6 0 q 和q 4 6 0 q n h 模拟热影响区加热和冷却过程中的相变特征6 8 4 2 2q 4 6 0 q 和q 4 6 0 q n hs h - - c c t 图7 3 4 2 3q 4 6 0 q 和q 4 6 0 q n h 焊接热模拟组织奥氏体尺寸分析7 3 4 3 本章小结。7 4 第5 章高强度桥梁钢焊接接头疲劳性能的研究7 7 5 1 实验条件7 7 5 1 1 实验材料及性能7 7 5 1 2 实验设备及环境7 8 5 1 3 试样制备7 8 东北大学博士学位论文 目录 5 2q 4 6 0 q 焊接接头s n 曲线8 0 5 2 1 实验方法8 0 5 2 2 实验结果与分析8 1 5 3q 4 6 0 q 焊接接头疲劳裂纹扩展速率8 6 5 3 1 基本理论8 7 5 3 2 实验基本情况8 8 5 3 3 疲劳实验数据处理及结果分析：8 8 5 4q 4 6 0 q 焊接接头疲劳裂纹萌生机理9 5 5 4 1 实验方法。9 5 5 4 2 实验结果及分析。9 5 5 5 本章小结9 8 第6 章第二相粒子对微钙钢焊接热影响区奥氏体晶粒尺寸 的影响：。9 9 6 1 实验材料和实验方法9 9 6 1 1 实验材料9 9 6 1 2 实验方法。9 9 6 2 实验结果和分析一1 0 2 6 2 1 微钙钢中夹杂物的分析1 0 2 6 2 2 微钙钢中第二相粒子细化晶粒的作用：1 0 6 6 3 本章小结。1 1 8 第7 章微钙钢焊接热影响区组织性能的研究1 1 9 7 1 实验材料和实验工艺11 9 7 1 1 实验材料11 9 7 1 2 焊接实验12 0 7 1 3 焊接热模拟实验12 0 7 2 微钙钢实际焊接热影响区的组织性能。1 2 0 7 2 1 实际焊接热影响区组织1 2 0 7 2 2 真实焊接热影响区的性能1 2 1 东北大学博士学位论文 目录 7 3 不同热输入模拟焊接热影响区的组织性能1 2 3 7 3 1 不同热输入模拟焊接热影响区的组织1 2 3 7 3 2 不同热输入条件下焊接热影响区的性能1 2 6 7 4 模拟焊接热影响区不同区域的组织性能1 2 8 7 4 1 模拟焊接热影响区不同区域的金相组织1 2 8 7 4 2 模拟焊接热影响区不同区域的性能1 2 9 7 5 微钙钢焊接热影响区的晶粒长大1 3 1 7 6 微钙钢焊接热影响区组织的精细结构1 3 2 7 7 本章小结1 3 3 第8 章结论1 3 5 参考文献1 3 7 作者攻读博士学位期间发表的论文1 4 5 致谢1 4 6 作者简介1 4 7 东北大学博士学位论兰一 箜! 兰竺笙 第1 章绪论 1 1 桥梁钢发展概况 桥梁在国家基础建设中具有重要地位，它对质量和建造技术有很高的要求。 十九世纪以来桥梁工程的发展突飞猛进，设计师更加注重桥梁的功能性、安全性 和经济性，同时对节约资源、降低成本的追求使设计师对桥梁结构用钢提出了更 多、更苛刻的要求。一方面，在桥梁结构中使用高强度钢材可以减薄桥梁钢板的 厚度，以减轻桥梁结构自重；另一方面，由于钢板制造技术取得了重大进展，如 洁净钢生产技术、成分的微量控制、控轧控冷( t m c p ) 技术等的应用，使开发 出适合桥梁多种技术要求的高强度钢材成为可能。但是，高强度钢材的价格总体 处于较高水平，因此在高强度钢材被不断应用于桥梁结构中的同时，研究者也一 直致力于研究高强度钢材的合理应用性。 1 1 1 国内桥梁钢发展概况 中国古代曾经引领世界桥梁的发展。1 8 4 0 年以后西方列强侵入中国，虽然 建造了一些城市桥梁和跨越黄河的铁路桥梁，但是只有杭州钱塘江大桥是唯一一 座由中国自己集资和设计，但是仍然由外商承建的大型桥梁【1 2 】。 新中国诞生以后，我国桥梁技术已经接近国际先进水平，这为2 1 世纪建造 超大跨度和长度的跨海大桥工程奠定了基础。我国有三座公铁两用桥梁具有里程 碑的意义。第一座是武汉长江大桥，主跨为3 联3 1 2 8 m 平行弦铆接菱形连续钢 桁梁，采用a 3 q 钢，1 9 5 7 年通车，是我国跨越长江的第一座公铁两用大桥。第 二座是南京长江大桥，主跨为3 联3 x 1 6 0 m 平行弦铆接菱形连续钢桁梁，采用 1 6 m n q 钢，1 9 6 8 年建成通车，是我国第_ 座全部用国产钢材，自行设计、制造 加工的大跨度公铁两用桥梁。第三座是1 9 9 3 年建成通车的九江长江大桥，主跨 1 8 0 + 2 1 6 + 1 8 0 m 刚性梁柔性拱桥，采用1 5 m n v n q 钢，最大板厚5 6 m m ，栓焊连 接，该桥标志着我国栓焊技术的成熟和高强度钢在桥梁上的成功应用【3 卅。庙此 看来，我国桥梁钢结构建设技术经历了从铆接到栓焊，进一步向全焊发展的过程， 这其中钢材性能的改善和焊接工艺水平的提高是桥梁事业发展的保证，见表1 1 。 我国在7 0 8 0 年代，桥梁用钢的质量不理想，同时也存在对焊接技术可靠 东北大学博士学位论文第1 章绪论 性的疑虑，而妨碍焊接技术在桥梁钢结构上的应用。1 9 6 6 年列为当时重点工程 的枝城长江大桥( 7 0 1 桥) ，为三跨连续桁梁铁路桥，l = 1 6 0 m ，原设计为栓焊梁。 专为该桥开发了新桥梁钢1 5 m n v n q ，并进行了全部的焊接性和焊接工艺试验， 但最终仍将栓焊结构改变为铆接结构。只当1 5 m n v n q 钢经过不断优化，并将白 河大桥作为试验桥取得成功后，才在19 9 2 年应用于九江长江大桥，建成l = 216 m 公铁两用三跨连续杆拱栓焊钢桥( 最大板厚为5 6 m m ) 【5 】o 表1 1 中国钢桥的发展概况 t a b l e1 1t h ed e v e l o ps i t u a t i o no f c h i n as t e e lb r i d g e n o 桥名类别桥型结构鼍字 钢材制造安装 2 南京长江大桥 含蓄 桁梁 主羹 1 6 0 1 6 m n q 铆接 铆接 3 迎域) ( 成昆 铁路 饕 刚性梁 1 1 2 1 6 m n q 焊接栓接 4上海南浦大桥公路斜拉结合梁4 2 3 s t e 3 5 5 焊接栓接 5九江长江大桥 捕饕三铲 2 1 1 6 1 5 m n v n q 焊接栓接 6上海杨浦大桥 公路斜拉结合梁 6 0 2s t e 3 5 5 焊接 栓接 7 孙口黄河大桥铁路 桁梁 四羹连 1 0 8s m 4 9 0 c 焊接 栓接 8上海徐浦大桥公路斜拉混合梁 5 9 0 s 3 5 5 n 焊接栓接 9 西陵长江大桥 公路悬索 薯囊 9 0 0 1 6 m n q 焊接焊接 1 0 香港青马大桥 瓮蓄 悬索 蠢鬈 1 3 7 7 蒜4 0 0 y 3 6 0 s 焊接栓接 1 1 虎门大桥 公路 悬索 着蓁 8 8 8 1 6 m n q 焊接焊接 1 2厦门海沧大桥公路 悬索 奏藉蓁 6 4 81 6 m n 焊接 焊接 1 3江阴长江大桥公路悬索 羞蓁 1 3 8 5 ( s f 3 e 5 5 5 j 2 1 0 g 3 d ) 焊接焊接 1 4 芜湖长江大桥 瓮篱簧錾奏嚣羹 3 1 2 1 4 m n n b q焊接 栓接 1 5南京长江二桥公路斜拉 曩藉羹 6 2 8 1 6 m n q 焊接焊接 1 6 宜昌长江大桥 公路 悬索薯蓁 9 6 0 q 3 4 5 e 焊接 焊接 7 蚕濡羹婆 公路 羞錾籍龛 s 加 q 3 4 5 e焊接 焊接 1 8 j 【；鑫h 大桥 铁路拱钢管砼 2 3 6 q 3 4 5 d 焊接焊接 1 9 军山饕羟大桥 公路斜拉 曩藉羹 4 6 0 q 3 4 5 c 焊接焊接 2 0 ，巫峡长江大桥公路拱钢管砼4 6 0q 3 4 5 c焊接焊接 2 1 桃罗 衬尖桥 公路斜拉 碧集 5 8 0 q 3 4 5 d焊接 焊接 2 2 润凳蓑美扩公路譬曩藉垂! ! ! 竺壁竺 进入9 0 年代，经济发展对交通建设的需求日益增长，高速公路网的建设和 跨江河、跨海湾通道的建设，迫切要求修建大跨度钢桥。同时，我国冶金技术在 不断进步，优质低合金高强钢有了长足发展。除了山海关和宝鸡两个桥梁厂，大 型船厂如沪东造船厂、江南造船厂、武昌造船厂及广州造船厂等均有条件承担大 2 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 跨径钢桥的制造任务，并且已经成功地制造出高质量的焊接钢桥。芜湖长江大桥 的建成，被铁路系统誉为继武汉、南京、九江长江大桥之后我国桥梁建设的第四 座里程碑。这样，中国自9 0 年代开始了焊接钢桥大发展的黄金时期。这表明， 如有实际需要，中国完全具备条件建设大跨度或超大跨度焊接钢桥1 6 。7 j 。 目前我国桥梁钢已经形成低强、中强和高强度钢三大系列：a 3 q 钢( 屈服强 度2 3 5 m p a ) 、1 6 m n q 钢和1 4 m n n b q 钢( 屈服强度3 4 5 m p a ) 以及1 5 m n v q 钢( 屈 服强度4 2 0 m p a ) 。a 3 q 钢是2 0 世纪6 0 年代以前铆接桥梁所用钢材。中强度钢 1 6 m n q 目前大部分用于栓焊钢桥，但是其厚板焊接性能差。芜湖长江大桥采用 了中强度钢种1 4 m n n b q ，特点是厚板焊接性能较好，板厚可以达到5 0 m m ，弥 补了1 6 m n q 钢厚板效应敏感的缺陷，完善了中强度钢系列。以九江长江大桥为 代表，成功应用于铁路桥梁建设的1 5 m n v n q 钢，开辟了高强度钢应用于铁路桥 梁的途径，目前的桥梁大部分采用1 6 m n q 和1 4 m n n b q 钢 8 1 2 】。为了满足经济发 展和减量化的要求，开发强度级别更高的高强度桥梁钢已经成为必须。 1 1 2 国外桥梁钢发展概况 早期国内比较常见的国外桥梁钢主要是德国的s t e 3 5 5 和日本的s m 4 9 0 c 钢。 目前国外的桥梁用钢已经达到了4 6 0 m p a 级和6 9 0 m p a 级，也有一些国家将耐大 气腐蚀钢用于建造桥梁，如日本的s m 5 7 0 ，美国的c o r t e n 钢等【1 3 _ 1 7 1 。 日本在1 9 7 4 年建造的大坂港大桥上首先使用了7 8 0 m p a 级的高强度钢板。 当时钢板的性能尚不完善，为防止焊接时出现低温裂纹，尚需在高温下进行预热 作业。但现在日本n k k 公司采用t m c p 技术，已经生产出具有优良韧性和焊接 性能的9 5 0 m p a 级桥梁钢板，商品牌号为n k - - h i t e n 9 8 0 1 8 - 2 3 1 。 1 9 9 4 年，美国联邦公路局( f h w a ) 、美国海军及美国钢铁学会( 龇s i ) 就 开始着手开发桥梁用高性能钢。在美国联邦政府立法机构支持下，美国伯利恒公 司实施生产由美国海军部门研制的最低屈服强度分别为4 8 5 m p a 和6 9 0 m p a 且提 高了韧性、可焊性和耐候性的高性能桥梁用钢。其中，a s t m a 7 0 9 中牌号为h p s ( 高性能钢) 7 0 w ( 4 8 5 m p a 级) 是桥梁用新型钢中最初的钢种。h p s 7 0 w 钢中 最大含碳量为0 1 1 ，改善了钢的可焊性，0 0 0 6 的最大含硫量，提高了钢的 韧性，钢中添加的c u 、n i 、c r ，提高了该钢在大气中的耐候性。h p s 7 0 w 级钢 需通过正火及退火( 简称q & t ) 或者控轧控冷技术( 简称t m c p ) 来生产。但 因q & t 方法在美国限制板长( 即1 5 2 m ) ，而t m c p 方法可根据重量用于生产 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 厚至5 0 r a m ，长至3 8 m 的h p s 7 0 w 级钢，所以一般采用t m c p 技术。随着h p s 7 0 w 钢的成功研制并在实际中的应用，h p s 5 0 w 钢( 3 4 5 m p a 级) 和i - i p s l 0 0 w 钢( 6 9 0 m p a 级) 又分别被开发出来。目前，高性能桥梁钢在实际建设中也已经 得到了广泛的应用。如在田纳西州马丁河克里克湾大桥的建造过程中，采用h p s 7 0 w 钢与h p s 5 0 w 钢混合使用，最终使全桥总重量减轻了2 4 2 ，全桥总造价 降低了1 0 6 ；在宾夕法尼亚州福特城大桥的建造过程中，也采用混合用钢，使 全桥的总重量减轻了2 0 2 4 - 3 0 。 1 2 桥梁钢的焊接研究进展 焊接是桥梁钢实现其应用价值的最重要的加工手段，在3 4 5 m p a - - 4 2 0 m p a 级别桥梁钢研究的同时，人们非常重视桥梁钢焊接性能的研究，着力开发适用于 桥梁钢的焊接技术。为了提高生产效率、降低成本，人们倾向于采用大热输入量、 高效率的焊接方法，而大焊接热输入条件下的焊接热影响区( h a z ) 组织的粗化、 h a z 软化以及由此而造成