鋼結構中低合金高強鋼的焊接

本期策劃 王 穎

隨著高層建筑的日益增多，鋼結構越來越復雜，鋼材的強度也越來越高，從而促使高強鋼在鋼結構領域得到大規模的應用。針對高強鋼的性能特點，對焊接工藝及焊接裝備都提出了新的要求。為了了解目前鋼結構領域高強鋼焊接的發展狀況，本期特邀在相關領域工作的技術人員，針對高強鋼的焊接難點、對焊接設備與焊材的需求以及未來的發展趨勢進行交流，望廣大讀者能夠從中有所收獲。

中建鋼構華中大區武漢廠楊高陽

河南天豐鋼結構有限公司宋統戰

上海中遠川崎重工鋼結構有限公司劉緒明

湖北精工鋼結構有限公司姜殿忠

低合金高強鋼焊接存在哪些焊接難點，如何解決

楊高陽：低合金高強鋼除了具有足夠高的強度（主要指屈服強度）外，還具有良好的加工性、焊接性和耐蝕性等。與低碳鋼相比，低合金高強鋼熱影響區容易淬硬，對氫的敏感性強，當焊接接頭承受較大應力時容易產生各種裂紋。此外，在焊接熱循環的作用下，使熱影響區組織性能發生變化，增大了脆性破壞的傾向，特別是厚板結構。因此這類鋼焊接的主要難點在于防止裂紋（包括冷裂紋、熱裂紋以及層狀撕裂等）和提高焊接接頭的韌性。

高強鋼焊接時采取的主要工藝措施如下：

（1）所用焊絲要經過去除油污及烘干處理，烘干溫度為350～400℃。

（2）嚴格控制焊前預熱溫度和層間溫度，預熱應用火焰加熱器加熱或電加熱片進行，預熱的加熱區域應在焊接坡口兩側，寬度應各為焊件施焊處厚度的1.5倍以上且≥100mm，焊接層(道)間溫度控制在≤250℃，不低于最低預熱溫度。

（3）采用中等焊接電流進行多層多道焊。

（4）在保證電弧穩定性的前提下適當增加焊絲干伸長。

（5）注意坡口表面清理。

（6）焊后進行消氫處理，消氫處理的加熱溫度應為200~250℃，保溫時間應根據工件板厚按每25mm板厚≥0.5h，且總保溫時間不得小于1h，達到保溫時間后應緩冷至常溫。

鋼結構中高強鋼常用的焊接方法及設備如下：

（1）SMAW(焊條電弧焊) 主要用于鋼結構制作中輔助焊縫的焊接，其配套的焊條有CJ607RH、CJ707RH、CJ807RH和CJ107等。

（2）SAW（埋弧焊） 主要用于鋼結構制作中主焊縫的焊接工作，其配套的焊絲、焊劑為H10Mn2和SJ101，H08MnA和HJ431。我公司常用的焊接設備型號為MZ-1000/1250埋弧焊機、LHC懸臂式埋弧焊機和LHE箱型龍門式三絲埋弧焊機，如圖1~圖3所示。

圖1 MZ-1000/1250埋弧焊機

圖2 LHC懸臂式埋弧焊機

圖3 LHE箱型龍門式三絲埋弧焊機

（3）GMAW（CO2實芯焊絲氣體保護焊) 主要用于現場安裝及制作工程的主、次焊縫的焊接，常用的焊絲有WH50—6、WH60—G、WH70—G三種，常用的設備為奧太NBC—500（見圖4）、松下KRⅡ500（見圖5）以及XQ15懸臂式氣保焊機。

圖4 奧太NBC-500

圖5 松下KRⅡ500

（4）FCAW—G（CO2藥芯焊絲氣體保護焊）主要用于現場安裝及制作工程主、次焊縫的焊接，常用的焊絲為CHT711。

（5）ESW（電渣焊） 主要用于BOX構件肋板的焊接，常用的焊絲、焊劑為WH50-6和JF600，常用的設備型號為XSD15懸臂式絲極電渣焊機（見圖6）。

（6）SW、SW—P(栓釘焊） 主要用于勁性構件的栓焊和樓層板的穿透焊。

圖6 XSD15懸臂式絲極電渣焊機

宋統戰：目前鋼結構領域中常用的低合金高強度鋼通常是指抗拉強度在500~1000 MPa的鋼材，而抗拉強度在1000MPa以上的一般稱為超高強度鋼。低合金高強鋼的種類可以分為非調質鋼和調質鋼。經常應用的是熱軋鋼、控軋鋼和正火鋼等，一般非調質鋼指常溫抗拉強度600MPa以下的鋼材。

1. 高強鋼焊接存在的問題

隨著鋼中合金元素的增加，強度級別提高（屈服強度≥315MPa），鋼的焊接性逐漸變差，出現的主要問題是：①熱影響區的淬硬傾向：焊接時快速冷卻會導致熱影響區出現馬氏體組織。②冷裂紋：焊接時冷裂紋的傾向加大，并且具有延遲性。如定位焊縫很容易開裂，其原因就是焊縫尺寸小、長度短、冷卻速度快。③熱裂紋：屈服強度在315~400 MPa的熱軋、正火鋼熱裂傾向不大，但在厚壁板材高稀釋率焊道（如根部焊道或接近坡口邊緣的多層埋弧焊焊道）中會出現熱裂紋。④粗晶區脆化：熱影響區被加熱至1100℃以上的粗晶區，焊接熱輸入過大時晶粒將迅速長大或出現魏氏組織，產生脆化現象。

2. 高強度鋼焊接時主要工藝措施

（1）預熱 預熱是防止裂紋的有效措施，并且還有助于改善接頭性能，但會惡化勞動條件，使生產工藝復雜化，過高的預熱溫度還會降低接頭的韌性。因此，焊前是否需要預熱及預熱溫度的確定應根據母材的成分（碳當量）、板厚、結構形狀、剛度大小及環境溫度確定。

（2）焊接熱輸入的選擇 對于碳當量較高（含V、Nb、Ti）的鋼種，為降低熱影響區粗晶脆化所造成的不利影響，應選擇較小的焊接熱輸入，一般應控制在35kJ/cm以下。

（3）后熱及焊后熱處理 后熱是指焊接結束或焊完一條焊縫后，將焊件立即加熱至200~250℃，并保溫一段時間（2h左右），使接頭中的氫擴散逸出，防止延遲裂紋產生。對于厚板及應力復雜區域，焊后應采取后熱工藝措施或覆蓋上足夠厚的保溫棉/氈進行緩冷。當現場條件允許時，焊后應及時進行消除應力的高溫回火，其目的是消除焊接殘余應力，改善組織，無需再進行后熱處理。

（4）焊材選用 高強鋼焊接用焊材選用為等強原則。

3.現有的焊接方法和工藝

（1）焊條電弧焊 適用于各種不規則形狀、各種焊接位置的焊縫。焊條電弧焊時主要根據焊件厚度、坡口形式、焊縫位置等選擇焊接參數。多層焊的第一層以及非平焊位置焊接時，焊條直徑應小一些。焊條電弧焊使用范圍廣，焊接材料與工藝成熟，對于500~1000MPa內的鋼種都可采用此焊接方法，其配套的焊條有CJ607RH、CJ707RH、CJ807RH及CJ107等。一般在保證焊接質量的前提下，應盡可能采用大直徑焊條和大電流焊接，以提高生產效率。

（2）埋弧焊 由于具有熔敷效率高、大熔深以及機械自動操作的優點，所以特別適用于大型焊接結構的制造，多用于平焊和平角焊位置。對于抗拉強度500~700MPa的鋼種，目前都可采用埋弧焊進行平焊與平角焊，焊接結構有鋼結構、管線、橋梁等，配套的焊絲有CJGNH—1、CJQ—1、CJGX—1、H10Mn2、CH62CF和H70Q等。對于抗拉強度700MPa以上的鋼種，使用埋弧焊進行焊接的實例不是很多，主要是埋弧焊的焊接熱輸入大，導致焊縫及熱影響區的晶粒粗大，因增加了脆性而降低了韌性。

（3）CO2氣體保護焊 目前大力推廣的高效焊接方法，其包含CO2氣體保護焊實芯焊絲與藥芯焊絲，其實芯焊絲應用范圍較廣，500~900MPa的高強鋼都采用了實芯焊絲，應用領域基本包括了現有的結構，使用效果較好。氣保焊絲的窄間隙焊具有生產率高、焊接熱輸入小、熱影響區窄等優點，其配套的焊絲有WH50—6、WH60—G、WH70—G、WH80—G和WH90—G等。

（4）自保護藥芯焊絲 由于芯內組成物和焊條藥皮相似，焊接時起著造渣、造氣、穩弧和脫氧等作用，所以焊接時不需另加任何保護氣體。自保藥芯焊絲的焊接效率高，適應性強，特別適合野外焊接，如管線建設。我國西氣東輸管道用X80管線鋼焊接的自保護藥芯焊絲。

（5）電渣焊與氣電立焊 兩者在焊接接頭形式、方式及焊接效率都有類似之處，焊接效率非常高，焊接熱輸入大。特別是氣電立焊，采用的是藥芯焊絲，其焊縫內在質量高，成形美觀，在船體大合攏、儲油罐的建造等應用量日益增加。由于電渣焊焊縫及熱影響區過熱，晶粒粗化，所以焊后需進行正火處理。

劉緒明：中國鋼結構經過近十多年的發展，又有了質的飛躍。在鋼結構迅速發展的同時，高強度鋼材、厚板和各種型材隨工程的需求和發展而迅速提高；與此同時，高強鋼、厚板焊接和大熱量輸入焊接技術也得到了廣泛應用，這些均是中國鋼結構進入世界先進行列的基石。

從近十年鋼結構采用的高強鋼來看，除傳統的低合金高強度結構鋼Q345以外，更高強度級別的Q390、Q420、Q460（以下統稱高強鋼）也不同程度地用于北京奧運工程的“鳥巢”、水立方、上海環球金融中心、央視新臺址，以及正在施工或即已完工的上海中心、深圳平安大廈和深圳京基100中心廣場等工程。

高強鋼焊接過程中影響焊接接頭性能的主要因素，除鋼材性能本身的影響外，主要取決于焊接方法、焊接用填充材料及焊接工藝。

從應用的高強鋼焊接方法而言，主要有實芯焊絲氣體保護焊（GMAW）、單絲或多絲埋弧焊（SAW）、電渣焊（ESW）和裝配時的焊條電弧焊（SMAW），藥芯焊絲氣體保護焊（FCAW）因其熔深相對較小，一般不推薦用于高強鋼的焊接。

就高強鋼與普通Q345相比，由于其強度較高，因此其碳當量也較高，由此帶來的熱加工（切割、矯正）性和焊接性變差、熱影響區淬硬傾向變大。

實際應用中，確保焊接接頭性能、組裝點焊開裂、大熱輸入焊接熱裂紋的產生和熱影響區性能下降等是高強鋼焊接的主要問題，為此，在確定不同焊接方法的焊接工藝時應充分考慮以下因素。

（1）材料本身的焊接性 包括碳含量以及添加的微量元素；碳當量以及裂紋敏感性指數；被焊材料的厚度。

（2）焊接方法 不需要后熱處理；大熱輸入焊接時HAZ韌性好。

（3）填充金屬 熔敷金屬擴散氫含量；微量金屬的添加量。

（4）焊接工藝 熱輸入量及周圍環境溫度；坡口形狀（僅限于半熔透情況、應力集中系數）；焊道（單焊道還是多焊道）；預熱方法（加熱速度、預熱寬度）；接頭的拘束。

總之，在焊接技術上首先應保障焊接接頭性能達到設計的要求，在等強設計中，除接頭強度能夠達到母材“等級”外，應盡可能控制其強度最大值，以降低接頭脆性斷裂的風險；其次預防冷熱裂紋的產生，特別是冷裂紋。由于材料的高強度，冶煉時添加了更多的微量元素，所以在碳元素含量較高時，必須慎重選擇焊接參數和焊接輔助措施。

姜殿忠：目前我國建筑鋼結構行業已從發展階段逐步向成熟階段邁進，鋼產量和用鋼量均居世界首位。在眾多鋼結構工程中，為了滿足建筑造型及結構載荷的要求，厚板高強鋼在建筑工程中的應用越來越廣泛。

高強鋼焊接過程中的重點及難點：①根據國際慣例，新鋼種焊接性試驗研究應由生產廠家和研究機構來承擔，而在我國關于此類焊接性試驗沒有明確規定，一般由施工單位來承擔，因此新鋼種焊接性試驗研究將會成為建筑鋼結構工程中的重點和難點。②在合金結構中，隨著合金元素的增多勢必會影響焊接接頭的硬化、軟化及裂紋傾向，因此如何預防焊接裂紋及熱影響區出現脆化現象也將成為高強鋼焊接過程中的重點和難點。③預防厚板高強鋼在焊接過程中出現層狀撕裂也是高強鋼焊接所要控制的重點和難點。④由于厚板高強鋼坡口的大小直接影響著施工工期及焊縫內部質量，因此厚板焊接接頭坡口的設計一直是工藝制作過程中關注的重點。

針對上述焊接過程中重點及難點，采取的主要工藝措施如下：

（1）選擇與母材相匹配的焊材 在焊材的選取中盡量選擇低氫、超低氫焊材，以減少焊接過程中出現裂紋、氣孔等焊接缺陷的，具體焊材選用標準請參照GB8110—2008《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》、GB/T5293《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑》標準最新版本之規定。

（2）坡口設計 由于厚板焊接工程量大、難度高，若采用窄而深的小坡口進行焊接，則不僅焊縫成形系數偏小、影響一次結晶、容易產生區域偏析，而且在拘束應力大的前提下進而導致焊接熱裂紋的產生；若采用大坡口進行焊接，不僅增加焊接量，焊縫的焊接殘余應力也隨之增加，這對鋼結構體系初始應力的控制極其不利，同時也影響工程工期，因此在工程施工中盡量采用30°～ 35°坡口（坡口角度和母材板厚成正比），坡口間隙6～10mm，當板厚超過40mm時要求開防層狀撕裂坡口。

坡口加工要求采用火焰切割機進行，盡量避免手動開坡口進而影響后期的焊接質量。

（3）控制焊接裂紋的措施 ①焊前對焊縫及其周圍100mm范圍進行預熱，預熱溫度參見GB50661《鋼結構焊接規范》。②焊接過程中嚴格控制層間溫度，要求不低于預熱溫度，焊接時盡量采用小電流控制焊接熱輸入，能有效地減少焊接變形及焊接應力；采用多層多道焊進行焊接時嚴禁擺弧。③焊后要及時對焊縫進行后熱及消氫處理，可以使焊縫中存留的氫離子及時逸出，減小冷裂紋傾向。

低合金高強鋼焊接對焊接設備和焊材的具體需求

楊高陽：高強鋼焊接對焊接設備的需求在于高效快速、自動化、低的焊接熱輸入。目前多絲多弧埋弧焊機已經廣泛應用于建筑鋼結構領域，大大提高了生產效率。逆變焊機如果采用微處理器控制, 只需變更軟件或改變面板的操作功能指示,即可實現各種焊接方法，如MAG、TIG、MIG和PulseMIG等，而且動特性可調。

目前焊材的發展滯后于鋼材的發展，隨著高品質鋼材強度的提高，焊材將成為制約這些高品質鋼材推廣應用的瓶頸，因此高品質焊材的發展是亟待解決的重要課題。

（1）選用高潔凈度的鋼帶和焊絲盤圓。

（2）原輔材料的潔凈化，嚴格控制原輔材料中各種鐵合金、礦物質的雜質含量。

（3）通過優化配方和工藝參數，降低焊絲中S、P、O、H、N等雜質的含量。

（4）研制新型焊條、焊絲和焊劑，通過微合金化措施，阻止焊縫金屬高溫奧氏體晶粒長大，細化焊縫金屬的組織，使焊縫獲得細晶鐵素體、針狀鐵素體等強韌化組織，對于強度更高（＞600MPa）的微合金鋼及超低碳貝氏體鋼，可通過降碳并優化合金元素及微合金元素加入量，使焊縫金屬成為超低碳貝氏體組織，強韌焊縫組織。

（5）對實芯焊絲CO2氣體保護焊，在焊絲中增加其他表面活性元素，或采用含有表面活性元素的特種涂層焊絲（不鍍銅焊絲），使焊絲中含硫量降至極低，在焊接時降低飛濺，改善焊縫成形。

宋統戰：企業現有自動化焊接設備（含焊接機器人）占總焊接設備的比例為10%~15%。而國外同行業的先進企業焊接自動化設備占焊接設備的比例為50%以上，部分已達到90%。因此，中國焊接自動化市場發展空間巨大。 國外企業應用的數字化焊接電源占全部電源的25%~30%，并且還有逐年增高的趨勢。國內企業近年來剛剛開始使用數字化焊接電源，發展速度較快，國外主要數字化焊接電源企業三年期間在中國銷售數量增加了三倍，盡管如此，國內企業應用的數字化焊接電源占全部電源的比率仍低于5%。船舶、鋼結構、橋梁、冶金設備及采礦機械等重點制造業都需要裝備自動化程度高，性能優良，可靠性好的各種自動化專用成套焊接設備，焊接機器人工作站和焊接生產線，其市場容量相當大，發展前景樂觀。

對焊接設備和焊材的具體需求如下：

（1）高效、高速、節能的焊接工藝趨勢引起的電焊機發展，帶有多絲（槍）協調功能的高效MIG/MAG焊機、TIG焊機；實現高速焊接的MIG/MAG焊機、TIG焊機；與激光協調的MIG/MAG焊機、TIG焊機。

（2）在當前逆變焊機基礎上，采用新材料、新工藝、新控制方式追求進一步降低能耗的電弧焊機。

（3）低熱輸入量、低飛濺的MIG/MAG焊機。

（4）開發高級管線鋼（如X70、X80、X100、X120等）和焊材，包括纖維素向下焊條、低氫鐵粉型向下焊條、氣體保護和埋弧焊用實芯焊絲、自保護藥芯焊絲等。

（5）與耐火、耐侯等高強鋼配套的焊材。

（6）高層及大跨度鋼結構焊材及焊接熱輸入達1000kJ/cm 實芯焊絲。高品質焊材目前占國內焊材總量的20%左右，預計未來可達30%~40%，總量可達50萬~60萬t。

劉緒明：在焊接高強鋼時，對設備和填充金屬（焊材）的控制與選擇也十分重要。對于焊接設備，第一，應確保設備的正常工作，包括電流、電壓、氣體流量表的精準度；第二，穩定的電源（電網的穩定性）；第三，在穩定的電源條件下，實現電弧穩定性。

對高強鋼焊接用焊材的選擇，對強度等級的要求只是指標之一。由于高強鋼添加了微量合金和采用了控軋控冷技術，在實際應用中應充分考慮以下要素：①熔敷金屬擴散氫含量。②熔敷金屬本身的抗裂性。③大熱輸入焊接時，焊絲和焊劑的匹配以及特殊熔嘴電極等。

姜殿忠：為了實現高質量、高效率、高可靠性的厚板窄間隙焊接，需解決窄而深的坡口內側壁焊接熔合質量、焊接飛濺聚集、工藝參數穩定性及焊接操作的可靠性等問題，避免坡口內焊縫金屬的一次結晶產生區域偏析，進而產生熱裂紋。

鑒于上述原因，提出如下焊接工藝方法：

（1）打底焊 采用改造型噴嘴的實芯CO2氣體保護焊（見圖7～圖9）。首先，該方法可以保證窄間隙坡口環境下的順利焊接；其次，利用GMAW的高效及熔深相對較大的優點，提高焊接質量和效率。

圖7 尖嘴型噴嘴

圖8 壓扁型噴嘴

圖9 新型氣保焊槍噴嘴

（2）填充焊 采用雙弧雙絲自動氣體保護焊接。一方面可以利用其熔嘴的優勢取代了埋弧焊機頭熔嘴無法進行窄而深的焊接；另一方面其焊接效率較焊條電弧焊有大幅度的提高，能夠很好的保證焊縫的質量。

（3）蓋面焊 采用雙絲埋弧焊接。主要是提高焊接效率，保證焊縫的表面質量，獲得良好的感觀效果。

低合金高強鋼焊接的未來發展趨勢

宋統戰：過去十多年以來，焊接技術在我國制造工程的各個領域已得到了較為快速的發展，從總體上來看，焊接技術的水平主要體現在焊接裝備和焊接材料的水平，未來高端焊接設備和高品質焊接材料的發展應得到進一步的重視。大型裝備發展的趨勢是整體化和輕量化，高能束流焊接和固相焊接技術在大型裝備制造整體化和輕量化發展上具有較大的優勢，未來也將得到較為迅速的發展。

目前正在研究探討的超級鋼連接技術：薄板高強鋼低溫釬焊、可拆卸的高強度機械連接、攪拌摩擦焊、超窄間隙小能量脈沖式熔化極氣體保護焊等。

幾年后，當推廣強度級別達800~1500MPa的新一代鋼材產品時，屆時焊接技術將發生重大變革。

劉緒明：低合金高強鋼的焊接，在沒有產生新的焊接方法之前，仍然以SMAW、GMAW、SAW和ESW為主。目前從高強鋼的發展來看，國外通過微合金設計和控制，在TMCP的基礎上進一步改進制造工藝，從而達到細化晶粒的目的，由此得到了低裂紋敏感性、高熱影響區韌性的高強鋼。

伴隨高強鋼的發展，其焊接技術的發展趨勢如下：

（1）向大熱輸入焊接發展 高效的多絲埋弧焊、多絲氣體保護焊、電渣焊等最實用的焊接方式目前仍被廣泛應用，而且最大熱輸入已達到1000kJ/cm。這些焊接方法不僅高效，而且能夠控制焊接熱影響區的高溫停留時間，加快冷卻時間。

（2）開發與高強鋼配套的焊接材料 性價比優異的高強鋼需要焊接材料配套 新型微合金高強鋼的開發和應用，如果沒有與之配套的焊接材料，高強鋼在更廣泛的領域應用就無從談起。這些焊材包括：適用大熱輸入焊接的焊絲，添加微量元素、抗裂性能優異的焊絲，飛濺少、性能高的高強度GMAW用焊絲，以及與高效多絲SAW相匹配的燒結型焊劑等。

（3）焊接關聯規范或標準的完善 近年來，我國用于鋼結構的材料標準不斷完善，但焊接材料的標準相對遲緩，特別是焊接材料標準，已不能滿足行業發展的需求。借鑒國外的成功經驗，應打破行業界限，根據焊接材料類別和適用性方面進一步細分，以方便用戶的選擇和使用。

（4）新焊接工藝的開發和推廣 隨著微合金高強鋼的開發、應用和大熱輸入焊接技術推廣，新的焊接技術問題諸如HAZ軟化等也隨之產生。因此焊接工藝措施、母材與焊材強度匹配的選擇、合理控制熱輸入和層間溫度是未來研究和發展的重點。

（5）焊接智能化的應用 智能化發展是整個社會發展的必然，特別是勞動強度和環境都比較惡劣的焊接工作，勢必需要更多的機器人替代。在實現設備自動化的同時，智能控制和跟蹤技術是必不可少的，因此，跨專業、跨行業之間的協同與合作將成為新的產業領域。