低合金高强钢的焊接技术

低合金高强度钢焊接性能引言钢是最重要的结构材料。

这是由于钢具有很高的强度-价格比，同时还可以用焊接这种最经济的工艺来连接。

尤其是在采用高输入热和不预热的情况下，焊接工艺的经济性更好。

因而对于开发新型的性能更好的低合金高强度钢来说，焊接性能的研究是很重要的。

焊接性能的概念包括对焊缝裂纹的低敏感性和良好的使用性能，即适合的强度和对脆性以及塑性裂纹扩展的抗力。

无裂纹焊接接头导致焊接接头失效的原因主要是不适当的焊接条件或焊接内部的高应力。

一些焊接缺陷，如气孔、凝固裂纹不是本文讨论的内容。

然而因合金成分的影响而引起的焊缝也常发生，这时只有认真研究其物理冶金原理才能解决问题。

当热影响区局部的塑性不足以抵消工作内部的拘束应力和焊接过程中产生的热应力和相变应力时，就会在热影响区（HAZ）内出现冷裂纹。

显微组织中的硬脆相导致塑性下降。

钢中游离氢加剧冷裂纹倾向。

游离氢来源于烘干不充分的焊接材料。

热影响区的低塑性和游离氢的同时存在带来最严重的问题。

为了表述母材化学成分对冷裂纹敏感性的影响，提出了一些回归公式。

表1（1，2）列出了最重要的两个公式。

其中CE适用于>0.18%C的钢种，P CM适用于<0.16%C的现代钢种。

碳当量越低，冷裂纹敏感性越小。

比较两个公式可以明显看出，碳是导致显微组织中形成有害硬脆相的主要元素。

在现代低碳钢中，由于其它合金元素的强化机制和碳的作用不一样，其对焊接性能的不利作用相对较小。

文献（3）对热影响区裂纹敏感性的影响因素进行了定量分析。

这些影响因素有：钢的化学成分、冷却速度（输入热、壁厚、预热温度）和焊条氢含量。

纤维素药皮焊条的氢含量很高，冷裂纹经常在此发生。

图1（4）表明在近海平台用钢板的生产发展中，采用热机械扎制的碳含量低的钢种，其焊接性能得到改善。

不预热就可以实现无裂纹焊接，给用户带来了巨大的经济效益。

除了显微组织对裂纹倾向的影响外，钢的纯净度是另一个同样重要的因素。

尤其是在组焊壁厚T型接头时，厚度方向（Z向）的应力会导致平行于板面的裂纹的产生，这种现象即为大家所知的层状撕裂，其裂纹沿延伸的夹杂物扩展。

Gr60低合金高强结构钢焊接施工工法Gr60级低合金高强度结构钢为国内首次在建筑钢结构上使用钢材，符合美国材料标准ASTM903／913M一97 Gr60标准，相当于国内钢材标准中的Q420级钢。

由于Gr60钢为国内首次使用，目前尚无成熟的规范及焊接工艺参数作参照，焊接不确定性因素多，难度较大。

探索总结Gr60级钢的使用，对于推动Q420低合金高强度结构钢在国内建筑钢结构的应用，从节约资源的角度上符合我国的可持续发展国策，对于本企业乃至国内建筑钢结构行业的良性发展，均具有积极的创新意义。

1工法特点1.1Gr60属低合金高强度结构钢，能大幅度提高结构杆件的承载力，减小了杆件截面面积，从而减小自重，增加建筑空间。

1.2 Gr60钢对于需验算疲劳的焊接结构具有一40℃冲击韧性的合格保证，使其应用范围和结构可靠度得以扩大。

1.3 Gr60级钢的焊接性能优于国内工程中正在大量使用的Q345钢。

现场安装施焊操作较易控制。

在常温及低温下，Gr60级钢的预热温度较之同条件下的Q345钢低；并且，在负温下，只需对板厚在lOOmm以上的钢材采取低温度的后热措施。

1.4焊接施工过程须严格按照既定的焊接工艺指导书的工艺参数及焊接规定进行施工，对焊接速度、预热温度、层问温度、后热温度、保护气体的气压与流速等严格控制，方能保证焊接质量。

1.5已经过一15℃条件下冬期施工焊接工艺评定和一7℃下冬期施工实践，寒冷地区冬期也可施工。

1.6本工法是在完成北京新保利大厦工程基础上总结编写的，因此实用性很强。

2适用范围适用于Gr60级低合金高强度结构钢进行CO2气体保护焊的各种焊缝连接形式。

3工艺原理根据Gr60钢化学成分及力学性能进行可焊性分析与试验，在依据国外规范标准对此类钢材的焊接性的指导意见基础上，结合国内在高强钢CO2气体保护焊方面的焊接施工工艺，按照国内焊接规范的规定，进行常温及负温下典型焊缝形式的现场工艺评定试验，以取得指导现场焊接操作的适用的工艺参数。

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浅论 低 合 金 高 强钢 焊 接 工 艺
聂 卫 东 （华 电 重 工 股 份 有 限 公 司 河 南 郑 州 ４５００００）
中 图分 类号 ：ＴＢ
文 献标 识码 ：Ａ
文 章编 号 ：１６７３—５８１１（２０１３）０２—０１１２—０１
摘要 ：钢 结 构 具有 强 度 高 、塑 ·胜好 的特 点 。但 铜 结构截 面小 、板厚 薄 ，变形 问题 突 出。本 文从 低 合金 高强钢 的特 征 出发 ，浅论 其 焊接 工 艺 ．掌握 焊接 方 法 ，防止 焊 接 变形 。 关键 词 ：钢 焊接 工 艺 焊接 变形 方 法
产 费 用 低 能获 得 较 好 的 经 济效 益 比较 容 易 实 现 焊 接过 程 的半
㈤ 反 变形 法
自动 或 自动 化 通 常 ．对 于对 强 度 等 级 较低 的焊 接 件 各种 方 法 都
向 ．对 焊 后 不 进 行 热 处 理 的焊 件 ．必 须 严 格 控 制 焊 接 区 的 扩散 氢 生变 形 构 件 组 装 时 ．为 使 焊 接接 头 均 匀 受 热 以消 除 应 力 和减 少
含 量 以 及 选 择 合 适 的 焊 接 方 法 和 焊 接 工 艺 参 数 。特 别 是 随着 焊 变 形 ．应 做 到 对 接 间 隙 、坡 １：３角 度 、搭 接 长 度 和 Ｔ形 贴 角 连 接 的 接 线 能 量 的 提 高 ．传 统 低 合 金 高 强钢 的 焊 接 热 影 响 区 性 能 恶 化 ． 尺 寸止 确 ，其 形 式 、尺 寸应 符 合 设计 和焊 接 规 范 要 求 。
的钢 种 具 有 良好 的 可 焊 性 、耐 蚀 性 、耐 磨 性 、成 形性 ，通 常 以 板 、 架 或 转 动 胎 具 ．以便 形 成 船 形 位 置焊 缝 ．否 则 可 由 两个 或 四 个 焊

由于低合金高强钢中的含碳量低，且冶炼过程中严格控制了硫、磷等杂质元素，而锰含量又较高，因此低合金高强钢的热裂纹倾向较小。

低合金高强钢焊接裂纹主要是冷裂纹，而引起高强钢焊接冷裂纹的主要因素是氢，焊接接头中的氢量含量越高，产生裂纹的倾向就越大。

低合金调质高强钢熔合区附近组织性能及其突变对焊接裂纹的产生极为敏感，焊接裂纹和脆性断裂多发生在这一区域，并且随着钢强度级别的提升，裂纹敏感性越高。

大量研究表明低合金高强钢焊缝中组织通常由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体、细晶铁素体、贝氏体等组织组成, 而先共析铁素体和侧板条铁素体，一般沿晶界生长，铁素体板条粗大，裂纹扩展阻力小，会使接头韧性降低。

低合金高强钢热影响区中的显微组织主要是低碳马氏体、贝氏体、M-A组元和珠光体类组织。

焊丝中合金元素和焊接参数对焊缝显微组织、力学性能具有重要影响已被研究。

研究表明，焊丝中合金元素的含量应随着焊接热输入的增大而增加，从而来抑制铁素体在晶界处的生成，合金元素形成的夹杂物可作为针状铁素体的形核质点。

因此，应增加焊丝中的合金元素的含量，或限制焊接热输入，减少焊接过程中合金元素的挥发。

随着钢种强度级别的提高，焊接热影响区的脆化、软化和裂纹倾向也越来越严重，尤其是800MPa级以上的钢种，焊接热影响区的粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向。

低合金高强钢热影响区可能存在强化效果的损失现象（软化或失强），焊前母材强化程度越大，焊后热影响区的软化程度越明显。

并且在低合金高强钢焊接中为防止焊接裂纹，多采用焊前预热工艺。

如何选择焊接参数，优化焊接工艺，控制热影响区微观组织，避免热影响区脆化的问题，实现高强钢的不预热焊接成为国内外关注的重点。