高强钢焊接工艺的研究

Q420高强钢性能分析和焊接工艺研究

张宇

南通新华钢结构工程有限公司

摘要：通过对低合金高强度结构钢的焊接影响因素的分析, 为制定合理的焊接工艺提供了依据, 应用该工艺保证了低合金高强度钢的焊接效果。

关键词：焊接性；影响因素；工艺

引言

自20世纪60年代以来，低合金高强钢领域取得了惊人的进展，由此而形成了“现代低合金高强钢”，在合金设计及生产工艺诸方面导入了很多新的概念，主要的是：（1）Nb、V、Ti等强烈碳化物形成元素的应用，以及晶粒细化和析出强化为主要内容的钢的强韧化机理的建立，出现了新一代的低合金高强钢，即以低碳、高纯净度为特征的微合金化钢；

（2）低合金高强度钢不再是“简易”生产的普通低合金钢，而是采用一系列现代冶金新技术生产的精细钢类，包括铁水预处理、顶底复吹转炉冶炼、钢包冶金、连铸、控扎控冷（热机械处理）等技术得到普遍应用，已成为低合金高强度钢的基本生产流程。

高强钢的焊接性能也是塔杆设计和制造部门比较关心的一个问题，这主要包括两个方面，一时裂纹敏感性，二是焊接热影响区的力学性能。如果焊接工艺不当，高强钢焊接时，有焊接热影响区脆化倾向，易形成热裂纹，冷却速度较快时，有明显的冷裂倾向。

1、焊接性试验的相关内容

试验目的

评价母材焊接性能的好坏，确定合理的焊接工艺参数。

试验方法

最常用的方法（直接法）：焊接裂纹试验（冷裂纹试验、热裂纹试验、再热裂纹试验、脆性断裂）。

计算法（间接法）：碳当量法、焊接裂纹敏感指数法。

式中：

焊接冷裂纹敏感性分析

钢材的焊接冷裂纹敏感性一般与母材和焊缝金属的化学成分有关，为了说明冷裂纹敏感性与钢材化学成分的关系，通常用碳当量来表示。计算碳当量的公式很多，对于Q420钢，采用了国际焊接学会(IIW)推荐的非调质钢碳当量Ceq（IIW）计算公式（公式1）和日本工艺标准（JIS）推荐的碳当量Ceq（JIS）计算公式（公式2）进行计算。

根据JGJ81—2002规定：钢材碳当量小于，焊接难度一般；在—范围内，焊接程度较难。

热影响区最高硬度试验

热影响区最高硬度试验是以测定焊接热影响区的淬硬倾向来评定钢材的冷裂纹敏感性。试验按照—84《焊接热影响区最高硬度试验方法》的规定进行。

试验检测面经打磨抛光后，用2%硝酸酒精溶液浅腐蚀后，参照如图1所示。

图1 硬度的检测位置

斜Y坡口焊接裂纹试验

斜Y坡口焊接裂纹试验（小铁研）主要是评定焊接热影响区产生冷裂纹的倾向性。试参照—84《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》的规定进行。试验焊缝结束后，经48小时后进行裂纹检查。

钢材的韧脆转变温度

以得到27J的V型夏比冲击值所对应的试验温度作为韧脆转变温度，测定Q420的韧脆转变温度。测定方法如下：直接将角钢加工成冲击试样，并分别在20℃、0℃、-20℃和-40℃下进行冲击实验，根据实验结果推断出冲击值为27J时所对应的温度即为韧脆转变温度。冲击功值见图2。

图2 Q420韧脆转变温度

结果表明：0℃时Q420角钢的冲击值大于27J，-5℃时冲击值约在27J，因此Q420的韧脆转变温度约在-5℃。

加工单位应注意：在寒冷地带施工时不要造成构件的损伤，如缺口等。

2、Q420焊接影响因素的控制

焊接方法的选择

高强钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、CO 2 气体保护焊等，为了减少电弧热量对母材的影响, 应采用能量较为集中的焊接方式, 如CO 2 气体保护焊和混合气体保护焊。为限制线能量, 不能采用大直径的焊条或焊丝, CO 2 气体保护焊时宜采用ф或ф的焊丝。焊接材料

选择焊接材料时一般要求所得焊缝金属在焊态下应具有接近于母材的机械性能, 即“等强匹配”。在特殊条件下, 如结构的刚度很大、冷裂纹很难避免时, 选

择比母材强度稍低的材料作为填充金属, 即“低强匹配”, 在少许牺牲焊缝强度而提高韧性的情况下, 对焊接接头的性能更为有利。

保护气体

在用CO 2 气体保护焊焊接高强钢时，CO 2 气体纯度是影响高强钢焊接的重要因素之一, 应符合HG/T2537-1993规定或达到GB/T6052-1985规定的优等品要求，一般要求CO 2 的体积分数在% 以上。试验表明: CO 2 的体积分数小于% 时在焊缝中易出现气孔, 当CO 2 体积分数高于% 时才能得到致密焊缝。对CO 2 气体的提纯有两种方法: 一是在使用前将气瓶倒立静置放水的简易方式; 二是在供气装置和设备间设置2 个～ 3 个干燥器, 以得到纯度较高的气体。

坡口处理

坡口内的锈蚀、水分、油污等也会导致气孔和冷裂的产生, 所以在进行低合金高强钢的焊接时, 一定要把坡口处理干净。为了减少焊接量, 在板厚大于

20mm 的钢板拼接时尽量采用熔敷量较小的U形或X形坡口。

3、工艺参数的选择

焊接顺序

焊接顺序的选择应遵循以下原则:

（1）尽可能让焊缝能自由收缩, 减少施焊时的拘束度, 图纸设计时应避免交叉焊缝, 有交叉时设计应力释放孔；

（2）先焊接收缩量大的焊缝, 减少内应力；

（3）把部件整体结构划分为若干个小部件, 将小部件按要求焊接后再组装成大部件, 这样就大大减少了总装时的焊接量, 减少一次受热量。

焊接电流、焊接电压和焊接速度

从减少裂纹的方面出发, 焊接电流要大, 焊接速度慢些为佳；但从减少热影响区脆化的角度出发, 焊接电流要小, 焊接速度要快。因此在焊接电流的选择上要兼顾两者的冷却速度范围, 上限取决于不产生裂纹, 下限取决于热影响区不出现脆化的混合组织。在支架生产中常用的高强钢板厚为10mm～ 50mm , 接头形式有T 形接头(主筋、筋板、顶

板间) , 对接接头(板材拼接) , 角接接头(侧板与上板、顶板间)。在使用ф焊丝时, 焊接电流为280A～ 410A , 焊接电压为29V～ 40V , 焊接速度为20m/h～ 35m/h。

焊接层数

为限制过多热量的输入, 降低母材的过热程度, 高强钢焊接时应尽量采用多层、多道焊, 而且最好采用窄道焊而不作横向摆动的运条技术。每层焊道以不超过7mm 为宜。这样前一层焊道对后一层焊道有预热作用, 后一层焊道又对前一层焊道起了缓冷的效果, 相互影响, 在严格控制层间温度(≤2 000℃) 的条件下,有效减少了裂纹的出现和热影响区性能的变化。

焊前预热和焊后热处理

高强钢经常在焊态下使用, 焊后一般不进行焊后热处理。焊前预热应根据钢板厚度、屈服强度和母材温度决定。在外界温度太低时应进行焊前预热, 板材强度越高、钢板越厚, 预热温度就越高, 预热温度一般为20℃～ 150℃。母材温度不能低于10℃, 若低于10℃, 必须进行预热。

4、Q420 焊接工艺评定

选择焊接材料及确定焊接接头性能指标时应遵循与Q420钢材的化学成分及力学性能保持一致。

（1）焊瘤

焊瘤，亦称满溢。熔化金属流淌到焊缝以外未熔化的母材上，堆积形成焊瘤。在焊瘤处，常伴有局部未熔合。焊瘤是由填充金属过多引起的，与间隙和坡口尺寸大小、焊速高低有关。

（2）咬边

沿着焊缝与母材交界部位烧熔形成凹陷或沟槽的现象，称之为咬边。由于焊缝与母材交界处被熔去一定深度，而填充金属又未能及时补充，即形成咬边，如图所示。焊接时电流过大且焊速高时，以及焊条角度不当时，都可能产生这种缺陷。

（3）烧穿

烧穿是指部分熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔的现象。这种缺陷在管壁较薄地钢管相贯节点焊接时，最容易发生。当焊接电流过大，焊速过慢或电弧在某处停过久或间隙坡口尺寸过大时，都有可能形成这种缺陷。

（4）弧坑

弧坑，是指在焊缝末端所形成的椭圆形凹坑。它是由操作者在即将焊完收弧时，电弧突然撤离所造成的。

（5）为焊透

熔焊时，焊接接头根部未完全焊透的现象，称为未焊透，如图所示。未焊透意味着焊接接头受力截面减少，严重影响焊接接头，而且，它是应力最容易集中的地方。在钢管相贯节点焊缝中，是不允许有未焊透缺陷存在的。这种缺陷无法用肉眼发现，一般要经过X光、超声波等探伤才能发现。形成未焊透的主要原因，是焊接电流太小，焊速过高或坡口角度太小，钝边太厚以及焊条直径过大等。（6）未融合

熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未能完全熔化的部分称为未熔合。

（7）夹渣

残留在焊缝中的熔渣和其他外来物即为夹渣。焊接时，电流过小，焊速过快，致使焊缝金属冷却太快，夹渣来不及浮出；运条不正确，熔渣不易浮出，多层焊时前层焊缝的熔渣未清除干净等都能造成夹渣。

（8）气孔

气孔是焊缝常见的工艺缺陷之一，按其在焊缝的位置可分为表面气孔和内部

气孔。

（9）裂纹

生产中由于各钢种和焊接结构本身特点的不同，可能出现各种裂纹，其中有焊缝的表面裂纹、内部裂纹，有热影响区的横向裂纹、纵向裂纹，有焊道下得裂纹、弧坑处的裂纹等。裂纹有时出现在焊接过程中，有时出现在放置或运行过程中，即延迟裂纹。这种裂纹在其发展前至今无法检测。

（10）角焊缝焊角尺寸hf过大

hf≈t/2时，T形试样弯曲合格。

5、结论

通过对Q420高强钢的焊接性尤其是焊接生产中易出现问题的分析, 在制定了相应的工艺措施后,及焊后的工艺评定后，保证了焊接效果, 得到了良好的高强钢焊接接头, 完善了焊接工艺, 拓宽了产品的生产范围, 使Q420高强钢焊接能力又上了一个新的台阶。