低合金高强钢的低温环境焊接工艺

摘要：低合金高强钢成分与性能及焊接性分析，利用公式粗略的估算裂纹敏感性，按低组配的原则选用低氢焊接方法和焊接材料，保持焊接过程低氢条件及焊后保温缓冷，可以不预热或低温预热进行焊接，为焊接工艺文件提供依据和指导。

可按低组配的原则选用焊条，即采用熔敷金属的强度低于母材，而塑性和韧性优于母材的焊条施焊，这样可以降低预热温度或不预热

关键词：低合金高强钢；Q420B；裂纹；低组配；焊接；保温；预热

中图分类号：TG21文献标识码： A

前言

一般来讲，凡是屈服强度在300MPa以上，抗拉强度在450MPa以上的钢都称为高强钢。低合金高强度钢HSLA(High Strength Low Alloy Steel)中W(C)一般控制在0.20%以下，为了确保钢的强度和韧性，通过添加适量的Mn、Ni、Mo等合金元素及V、Nb，Ti、Al等微合金化元素，配合适当的轧制工艺或热处理工艺来保证钢材具有优良的综合力学位能。

建筑钢结构具有自重轻、建设周期短、适应性强、造型美观、维护方便等优点，其应用越来越广泛，使用钢材品种规格多，而且越来越多趋向于使用低合金高强度结构钢和大厚度钢材，以Q390、Q420为代表的热轧和正火状态低合金高强度钢具有高的强度，良好综合力学性能和焊接性能等优点逐步在建筑钢结构得到应用。

钢结构建筑能够快速地交货和安装，必须克服冬季施工的影响（如鸟巢）。构件制作安装施工不可避免处于冬季，建筑钢结构建筑高度高，结构跨度大，造型独特，结构繁多，节点复杂，焊接接头形式多样，对主要结构焊接质量要求很高，实时进行新钢种的焊接性试验，摸索合理的焊接工艺参数和相应的焊接工艺措施，是保证焊接质量重要措施。

冬季低温环境焊前预热是防止裂纹的有效措施，但预热会增加能耗,恶化劳动条件，使生产工艺复杂化，对于大型、复杂多样的建筑钢结构件更加困难。以常用420B为例进行焊接性分析，选择合理经济的工艺措施即尽可能不预热或低温预热满足焊接质量要求，为焊接工艺评定提供依据和指导。

1、研究材料

材料选由南京钢铁股份有限公司生产，规格25×2330×6644，交货状态为热轧，化学成分及力学性能复验结果符合GB/T1591-2008的要求，见表1、2

化学成分 表1

力学性能表2

2、Q420B焊接性分析

2、1 热裂纹：

热裂纹指数HCS计算公式：

当HCS=0.84（HCS≤4时一般不会产生热裂纹），Q420B含碳量较低，含Mn量又较高，Mn/S=1.4/0.002=700 >>40,正常情况下焊缝不会出现热裂纹。

2、2 再热裂纹：

低合金钢再热裂纹倾向的经验公式：

（G>2时，对再热裂纹敏感；1.5

G=0.027，故Q420B再热裂纹倾向不敏感。

2、3 层状撕裂

Q420B含S量0.002%（＜0.005%）的精炼钢，具有良好的抗层状撕裂性能。选用能避免或减轻Z向应力和应变的接头或坡口形式，在满足产品使用要求前提下选用强度级别较低的焊接材料，采用预热及降氢等措施，都有利于防止层状撕裂。

2、4 冷裂纹：

产生焊接冷裂纹的三个主要因素是钢材的淬硬倾向，焊缝的扩散氢含量和接头的拘束应力，其中淬硬倾向是决定性的。

根据国际焊接学会(IIW)，推荐的适应于中高强度的非调质低合金高强度钢碳当量公式：

按此计算的碳当量与热影响区最高硬度存在下列关系：

按现行的公认的准则，如果热影响的硬度超过350HV就可能容易出现冷裂纹，由此推出的碳当量临界值为0.45%，当计算出的碳当量大于此值时就需要采取特殊的焊接工艺来保证焊接接头的质量了。

Q420B：Ceq=0.422%；HV=306.4，淬硬倾向不太明显。

国际焊接学会推荐的公式主要适用于含碳量较高的钢（含碳量≥0.18%）,对于含碳量较低（0.07～0.22%）低合金高强（δb=400～1000MPa）钢，钢材合金元素的碳当量（裂纹敏感性系数）公式：

Pcm=0.247%＜0.25%（API5L规范Pcm≤0.25%，焊接性良好）

钢的焊接冷裂纹倾向不仅与其淬硬程度，而且还与焊缝金属中的含氢量以及接头的拘束度有关，根据项目施工经验，用《钢结构工程施工规范》推荐经验公式，作为选择预热温度的参考：

预热温度T0=Ceq×360×δ/100，δ=50时，T0=76℃，与《钢结构焊接规范》推荐常用结构钢材采用中等热输入焊接时40＜t≤60，预热温度80℃相同。

以Q420B为代表的热轧和正火状态低合金高强度钢焊接性良好，随板厚增加，有一定的冷裂纹倾向，需要采取一些预热等措施。

3、降低预热温度措施

预热是指焊前对焊件整体或局部进行适当加热的工艺措施，其主要目的是减小接头焊后的冷却速度、避免产生悴硬组织和减小焊接应力与变形。它是防止产生焊接裂纹的有效办法。建筑钢结构接头形式多样，焊前预热特别低温环境很难达到和保持高预热温度，控制不好过高反会使接头韧性下降，而且恶化劳动条件，延长生产周期，增加制造成本。选择合理的措施可能不预热或低温预热满足焊接质量要求。

3、1 焊接方法

为降低冷裂纹倾向，减少焊缝的扩散氢含量，采用低氢焊接方法和焊接材料，如超低氢高韧性焊条、二氧化碳气体保护焊和碱型烧结焊剂等。

3、2 焊接材料

低合金钢的焊缝金属应保证力学性能，且不超过母材标准规定的抗拉强度上限。但通常抗拉强度高的钢材的塑性指标都较差，单纯追求焊缝金属的抗拉强度，降低了它的塑性，实际中焊接结构的破坏大多不是因为强度不够，而是韧性不足。在容易产生裂纹的钢材和结构（厚度大、刚性大、施焊环境温度低等）焊接时，选用强度等级率低于母材但韧性相等的焊材，即低组配等韧性，焊接接头可具有足够的韧性储备，焊缝低强在工艺上可降低预热温度、减少冷裂纹和层状撕裂敏感性。

国内焊材厂家生产的焊条（焊丝）熔敷金属拉伸强度实测值大多情况下均超出标准要求的名义值，焊缝熔敷金属强度过高，会造成焊缝与母材的强度和塑韧性不匹配，所以依据强度匹配原则选用焊材时以其熔敷金属抗拉强度实测值考虑。

如二氧化碳气体保护焊丝：京雷焊材ER55-G，屈服强度611，抗拉强度688，伸长率24%，冲击值（-30℃）93；京雷焊材ER50-6，屈服强度460，抗拉强度582，伸长率27.5%，冲击值（-30℃）94。ER55-G抗拉强度688超过了母材标准规定的抗拉强度上限，故应选用ER50-6。

3、2 工艺措施

（1）适当增大热输入降低热影响区冷却速度，达到预热的效果，为防止脆化热输入小于50KJ/cm；

（2）多层焊时控制好层间温度、本质上也是一种预热，焊后立即用保温棉（毡）进行覆盖缓冷。

（3）焊后立即用保温棉（毡）进行覆盖缓冷,降低热影响区冷却速度减少冷裂纹敏感性。结构件焊接接头形式多样，相对于预热，焊后保温缓冷容易实现。

4、结论：

依据以上结论我们对Q420B进行斜Y型坡口焊接裂纹试验和焊接工艺评定试验证明：

Q420B具有良好抗冷裂性，采用低组配等韧性原则，选用低氢焊接方法和焊接材料，焊条（剂）使用前严格烘干，C02气体进行干燥处理。焊接过程中保持低氢条件，多层多道焊并掌握好道间温度，焊后立即用保温棉（毡）进行覆盖缓冷。环境温度在０℃以上时，不必预热可以进行焊接,在0℃以下采取预热措施使焊接区域正温进行焊接，焊缝的综合力学性能可以满足技术要求。对于32以上厚板，进行焊接试验收集充分的试验数据来确定预热温度。

参考文献：

【1】《金属材料焊接基础》孟庆森/王文先/吴志生 主编化学工业出版社

【2】《焊接工程师手册》(第二版)陈祝年 编著机械工业出版社

【3】《焊接数据资料手册》傅积和/孙玉林 主编化学工业出版社

【4】《钢结构焊接规范》GB 50661-2011

【5】《钢结构工程施工规范》GB 50755-2012