1、精選文庫Q420高強鋼性能分析和焊接工藝研究張宇 南通新華鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司摘要：通過對低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的焊接影響因素的分析, 為制定合理的焊接工藝提供了依據(jù), 應(yīng)用該工藝保證了低合金高強度鋼的焊接效果。關(guān)鍵詞：焊接性；影響因素；工藝引言自20世紀60年代以來，低合金高強鋼領(lǐng)域取得了驚人的進展，由此而形成了“現(xiàn)代低合金高強鋼”，在合金設(shè)計及生產(chǎn)工藝諸方面導(dǎo)入了很多新的概念，主要的是：（1） Nb、V、Ti等強烈碳化物形成元素的應(yīng)用，以及晶粒細化和析出強化為主要內(nèi)容的鋼的強韌化機理的建立，出現(xiàn)了新一代的低合金高強鋼，即以低碳、高純凈度為特征的微合金化鋼；（2） 低合金高強度鋼不再是“簡易”生產(chǎn)

2、的普通低合金鋼，而是采用一系列現(xiàn)代冶金新技術(shù)生產(chǎn)的精細鋼類，包括鐵水預(yù)處理、頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉、鋼包冶金、連鑄、控扎控冷（熱機械處理）等技術(shù)得到普遍應(yīng)用，已成為低合金高強度鋼的基本生產(chǎn)流程。高強鋼的焊接性能也是塔桿設(shè)計和制造部門比較關(guān)心的一個問題，這主要包括兩個方面，一時裂紋敏感性，二是焊接熱影響區(qū)的力學(xué)性能。如果焊接工藝不當(dāng)，高強鋼焊接時，有焊接熱影響區(qū)脆化傾向，易形成熱裂紋，冷卻速度較快時，有明顯的冷裂傾向。1、 焊接性試驗的相關(guān)內(nèi)容1.1 試驗?zāi)康脑u價母材焊接性能的好壞，確定合理的焊接工藝參數(shù)。1.2 試驗方法最常用的方法（直接法）：焊接裂紋試驗（冷裂紋試驗、熱裂紋試驗、再熱裂紋試驗、脆性

3、斷裂）。計算法（間接法）：碳當(dāng)量法、焊接裂紋敏感指數(shù)法。 式中： 1.3 焊接冷裂紋敏感性分析鋼材的焊接冷裂紋敏感性一般與母材和焊縫金屬的化學(xué)成分有關(guān)，為了說明冷裂紋敏感性與鋼材化學(xué)成分的關(guān)系，通常用碳當(dāng)量來表示。計算碳當(dāng)量的公式很多，對于Q420鋼，采用了國際焊接學(xué)會(IIW)推薦的非調(diào)質(zhì)鋼碳當(dāng)量Ceq（IIW）計算公式（公式1）和日本工藝標準（JIS）推薦的碳當(dāng)量Ceq（JIS）計算公式（公式2）進行計算。根據(jù)JGJ812002規(guī)定：鋼材碳當(dāng)量小于0.38，焊接難度一般；在0.380.45范圍內(nèi)，焊接程度較難。1.4 熱影響區(qū)最高硬度試驗 熱影響區(qū)最高硬度試驗是以測定焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向

4、來評定鋼材的冷裂紋敏感性。試驗按照GB4675.584焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法的規(guī)定進行。試驗檢測面經(jīng)打磨拋光后，用2%硝酸酒精溶液淺腐蝕后，參照GB4675.5如圖1所示。圖1 硬度的檢測位置1.5 斜Y坡口焊接裂紋試驗斜Y坡口焊接裂紋試驗（小鐵研）主要是評定焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋的傾向性。試參照GB4975.184斜Y坡口焊接裂紋試驗方法的規(guī)定進行。試驗焊縫結(jié)束后，經(jīng)48小時后進行裂紋檢查。1.6 鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度以得到27J的V型夏比沖擊值所對應(yīng)的試驗溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，測定Q420的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。測定方法如下：直接將角鋼加工成沖擊試樣，并分別在20、0、-20和-40下進行沖擊

5、實驗，根據(jù)實驗結(jié)果推斷出沖擊值為27J時所對應(yīng)的溫度即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。沖擊功值見圖2。 圖2 Q420韌脆轉(zhuǎn)變溫度 結(jié)果表明：0時Q420角鋼的沖擊值大于27J，-5時沖擊值約在27J，因此Q420的韌脆轉(zhuǎn)變溫度約在-5。 加工單位應(yīng)注意：在寒冷地帶施工時不要造成構(gòu)件的損傷，如缺口等。2、 Q420焊接影響因素的控制2.1 焊接方法的選擇高強鋼常用的焊接方法有焊條電弧焊、CO 2 氣體保護焊等，為了減少電弧熱量對母材的影響, 應(yīng)采用能量較為集中的焊接方式, 如CO 2 氣體保護焊和混合氣體保護焊。為限制線能量, 不能采用大直徑的焊條或焊絲, CO 2 氣體保護焊時宜采用1.2 或1.6的焊絲。

6、2.2 焊接材料 選擇焊接材料時一般要求所得焊縫金屬在焊態(tài)下應(yīng)具有接近于母材的機械性能, 即“等強匹配”。在特殊條件下, 如結(jié)構(gòu)的剛度很大、冷裂紋很難避免時, 選擇比母材強度稍低的材料作為填充金屬, 即“低強匹配”, 在少許犧牲焊縫強度而提高韌性的情況下, 對焊接接頭的性能更為有利。2.3 保護氣體在用CO 2 氣體保護焊焊接高強鋼時，CO 2 氣體純度是影響高強鋼焊接的重要因素之一, 應(yīng)符合HG/T2537-1993規(guī)定或達到GB/T6052-1985規(guī)定的優(yōu)等品要求，一般要求CO 2 的體積分數(shù)在99.5% 以上。試驗表明: CO 2 的體積分數(shù)小于98.7% 時在焊縫中易出現(xiàn)氣孔, 當(dāng)C

7、O 2 體積分數(shù)高于99.11% 時才能得到致密焊縫。對CO 2 氣體的提純有兩種方法: 一是在使用前將氣瓶倒立靜置放水的簡易方式; 二是在供氣裝置和設(shè)備間設(shè)置2 個 3 個干燥器, 以得到純度較高的氣體。2.4 坡口處理 坡口內(nèi)的銹蝕、水分、油污等也會導(dǎo)致氣孔和冷裂的產(chǎn)生, 所以在進行低合金高強鋼的焊接時, 一定要把坡口處理干凈。為了減少焊接量, 在板厚大于20mm 的鋼板拼接時盡量采用熔敷量較小的U形或X形坡口。3、工藝參數(shù)的選擇3.1 焊接順序 焊接順序的選擇應(yīng)遵循以下原則:（1） 盡可能讓焊縫能自由收縮, 減少施焊時的拘束度, 圖紙設(shè)計時應(yīng)避免交叉焊縫, 有交叉時設(shè)計應(yīng)力釋放孔；（2）

8、 先焊接收縮量大的焊縫, 減少內(nèi)應(yīng)力；（3） 把部件整體結(jié)構(gòu)劃分為若干個小部件, 將小部件按要求焊接后再組裝成大部件, 這樣就大大減少了總裝時的焊接量, 減少一次受熱量。3.2 焊接電流、焊接電壓和焊接速度從減少裂紋的方面出發(fā), 焊接電流要大, 焊接速度慢些為佳；但從減少熱影響區(qū)脆化的角度出發(fā), 焊接電流要小, 焊接速度要快。因此在焊接電流的選擇上要兼顧兩者的冷卻速度范圍, 上限取決于不產(chǎn)生裂紋, 下限取決于熱影響區(qū)不出現(xiàn)脆化的混合組織。在支架生產(chǎn)中常用的高強鋼板厚為10mm 50mm , 接頭形式有T 形接頭(主筋、筋板、頂板間) , 對接接頭(板材拼接) , 角接接頭(側(cè)板與上板、頂板間)

9、。在使用1.6 焊絲時, 焊接電流為280A 410A , 焊接電壓為29V 40V , 焊接速度為20m/h 35m/h。3.3 焊接層數(shù)為限制過多熱量的輸入, 降低母材的過熱程度, 高強鋼焊接時應(yīng)盡量采用多層、多道焊, 而且最好采用窄道焊而不作橫向擺動的運條技術(shù)。每層焊道以不超過7mm 為宜。這樣前一層焊道對后一層焊道有預(yù)熱作用, 后一層焊道又對前一層焊道起了緩冷的效果, 相互影響, 在嚴格控制層間溫度(2 000) 的條件下,有效減少了裂紋的出現(xiàn)和熱影響區(qū)性能的變化。3.4 焊前預(yù)熱和焊后熱處理高強鋼經(jīng)常在焊態(tài)下使用, 焊后一般不進行焊后熱處理。焊前預(yù)熱應(yīng)根據(jù)鋼板厚度、屈服強度和母材溫度

10、決定。在外界溫度太低時應(yīng)進行焊前預(yù)熱, 板材強度越高、鋼板越厚, 預(yù)熱溫度就越高, 預(yù)熱溫度一般為20 150。母材溫度不能低于10, 若低于10, 必須進行預(yù)熱。4、Q420 焊接工藝評定4.1 選擇焊接材料及確定焊接接頭性能指標時應(yīng)遵循與Q420鋼材的化學(xué)成分及力學(xué)性能保持一致。表 Q420鋼焊接接頭性能指標材料類別標準抗拉強度MPa屈服強度MPa延伸率%沖擊吸收功J母材JGJ81520-6804201834（20)評定指標手工焊52042018焊縫34（20）HAZ34（20）埋弧焊52042018焊縫34（20）HAZ34（20）CO252042018焊縫34（20）HAZ34（20）

11、4.2 焊接接頭的常見缺陷（1） 焊瘤焊瘤，亦稱滿溢。熔化金屬流淌到焊縫以外未熔化的母材上，堆積形成焊瘤。在焊瘤處，常伴有局部未熔合。焊瘤是由填充金屬過多引起的，與間隙和坡口尺寸大小、焊速高低有關(guān)。（2）咬邊沿著焊縫與母材交界部位燒熔形成凹陷或溝槽的現(xiàn)象，稱之為咬邊。由于焊縫與母材交界處被熔去一定深度，而填充金屬又未能及時補充，即形成咬邊，如圖所示。焊接時電流過大且焊速高時，以及焊條角度不當(dāng)時，都可能產(chǎn)生這種缺陷。（3） 燒穿 燒穿是指部分熔化金屬自焊縫背面流出，形成穿孔的現(xiàn)象。這種缺陷在管壁較薄地鋼管相貫節(jié)點焊接時，最容易發(fā)生。當(dāng)焊接電流過大，焊速過慢或電弧在某處停過久或間隙坡口尺寸過大時，

12、都有可能形成這種缺陷。（4） 弧坑 弧坑，是指在焊縫末端所形成的橢圓形凹坑。它是由操作者在即將焊完收弧時，電弧突然撤離所造成的。（5） 為焊透 熔焊時，焊接接頭根部未完全焊透的現(xiàn)象，稱為未焊透，如圖所示。未焊透意味著焊接接頭受力截面減少，嚴重影響焊接接頭，而且，它是應(yīng)力最容易集中的地方。在鋼管相貫節(jié)點焊縫中，是不允許有未焊透缺陷存在的。這種缺陷無法用肉眼發(fā)現(xiàn)，一般要經(jīng)過X光、超聲波等探傷才能發(fā)現(xiàn)。形成未焊透的主要原因，是焊接電流太小，焊速過高或坡口角度太小，鈍邊太厚以及焊條直徑過大等。（6） 未融合 熔焊時，焊道與母材之間或焊道與焊道之間，未能完全熔化的部分稱為未熔合。（7） 夾渣殘留在焊縫中的熔渣和其他外來物即為夾渣。焊接時，電流過小，焊速過快，致使焊縫金屬冷卻太快，夾渣來不及浮出；運條不正確，熔渣不易浮出，多層焊時前層焊縫的熔渣未清除干凈等都能造成夾渣。（8） 氣孔氣孔是焊縫常見的工藝缺陷之一，按其在焊縫的位置可分為表面氣孔和內(nèi)部氣孔。（9） 裂紋生產(chǎn)中由于各鋼種和焊接結(jié)構(gòu)本身特點的不同，可能出現(xiàn)各種裂紋，其中有焊縫的表面裂紋、內(nèi)部裂紋，有熱影響區(qū)的橫向裂紋、縱向裂紋，有焊道下得裂紋、弧坑處的裂紋等。裂紋有時出現(xiàn)在焊接過