低合金結構鋼的焊接性分析

摘 要：隨著工業交通科學技術的發展，低合金結構鋼得到了越來越廣泛應用，本文對低合金結構鋼的焊接性進行了分析，確定合理的工藝措施。

關鍵詞：低合金高強度鋼；焊接性；焊接工藝；

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-04-00289-01

低合金結構鋼一般指低合金高強度鋼，在碳素結構鋼的基礎上添加不超過5%的合金元素達到使用要求的結構鋼。加入合金元素的目的是為了保證足夠塑性和韌性的條件下獲得不同的強度等級。利用焊接來制造金屬結構的低合金結構鋼可分為強度用結構鋼和專業用結構鋼兩大類。強度鋼是以鋼材屈服強度大小分類的，目前我國應用最多的低合金高強度鋼其屈服強度在300～600MPa之間，按國家標準GB/T1591—1994的規定，低合金高強度結構鋼按屈服點等級分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五種，按質量等級分為A、B、C、D、E五級。這類鋼的主要特點是強度高、具有優良的綜合力學性能、焊接及加工性能好及較低的制造成本，因此，被廣泛地用于制造鍋爐、壓力容器、橋梁、建筑、船舶、車輛、飛機、起重機、工程機械制造中，已成為大型焊接結構中最主要的結構材料之一。低合金高強度結構鋼焊接時最主要的問題是裂紋和脆化，而這些缺陷將直接影響到焊接接頭的質量，因此，理解和掌握這些缺陷產生的原因和工藝措施，就尤為重要。

一、低合金高強度結構鋼的焊接性

這類鋼的焊接性主要取決于它的化學成分和軋制工藝。隨著鋼材強度級別的提高和合金元素含量的增加，焊接性也隨之發生變化。強度級別較低的如300～400MPa級低合金高強度鋼的焊接性接近于普通低碳鋼，焊接時不必采取特殊工藝措施。強度級別大于500MPa級以上，且厚度較大或結構剛性較大的焊件，焊接時就必須采取一定的工藝措施。

（一）焊縫中的熱裂紋 主要由于焊縫結晶時，S在晶間形成了低熔點的硫化物和共晶體，因此，S對高強鋼熱裂紋的形成起著直接有害的作用。個別情況下，當材料成分不合格或嚴重偏析使局部C、S含量過高，可能出現熱裂紋現象。

（二）冷裂紋 促成冷裂紋的主要因素有三個方面：即鋼種的淬硬傾向大；焊接接頭受到的拘束應力；較多擴散氫的存在和濃集。就容易產生冷裂紋，在許多情況下，氫是誘發冷裂紋的最活躍的因素。

（三）再熱裂紋 就是焊接結構在焊后消除應力的熱處理過程中或者是焊后再次高溫加熱過程所產生的一種裂紋。再裂紋一般發生在含Cr、Mo、V等元素的高強度低合金鋼的熱影響區中。

（四）層狀撕裂 鋼中的非金屬夾雜物，如硫化物、硅酸鹽或氧化物夾雜等平行于扎制的方向呈片狀、層狀分布或大量成片地密集于同一平面內，由于夾雜物與基體金屬的結合薄弱，這種分布形態將導致鋼板在板厚方向（Z向）上塑性降低，當Z向拘束力足夠大時，夾雜物與基體金屬就產開裂，并最終發展成層狀撕裂。

（五）粗晶區脆化 低合金高強度鋼焊接時，熱影響區被加熱到1100C°以上的粗晶區，是焊接接頭的薄弱區，沖擊韌度也最低，即所謂脆化區。

二、低合金高強度結構鋼的焊接工藝

（一）焊接材料的選擇 一般按“等強”原則選擇與母材強度相當的焊接材料，并綜合考慮焊縫金屬的韌性、塑性及抗裂性能。只要焊縫金屬的強度不低于或略高于母材強度的下限值即可。強度級別較高的低合金高強度鋼焊接時，應選用韌性、塑性和抗裂性能好的堿性焊條，考慮焊縫的塑性和韌性，可選用比母材低一級強度的焊條。

（二）預熱 低合金高強度鋼焊接時常用的工藝措施焊前預熱。焊前預熱能降低焊后冷卻速度，避免出現淬硬組織，減小焊接應力。屈服點在390MPa一下的低合金高強度鋼焊接時，可不預熱。厚板、剛性大的結構鋼且環境溫度低的條件下，需預熱100～150C°。屈服點在390MPa以上的低合金高強度鋼焊接時，一般需要預熱。

（三）焊接線能量 主要取決于過熱區的脆化和冷裂紋兩個因素，當焊接含碳量很低的鋼如09MnV、09Mn2及含碳量偏于下限的16Mn時，由于脆化、冷裂傾向小，線能量沒有嚴格控制。當焊接含碳量較高的16Mn鋼時，為降低淬硬傾向，防止冷裂紋的產生，線能量應偏大一些。對于強度級別較高的低合金高強度鋼，脆硬傾向增大，應選擇較大的線能量，但線能不能過大，以免增大粗晶區脆化傾向。如果為防止裂紋而采取預熱時，可采用小線能量焊接。小線能量可防止粗晶區脆化，并減小焊接應力。

（四）采取降低含氫量的工藝措施 對于有脆硬冷裂紋傾向的鋼種，要嚴格采取降低焊縫含氫量的措施：采用低氫性堿性焊條，嚴格按規范烘干焊條，清除焊絲表面和坡口及兩側的銹、水、油污等。

（五）后熱及焊后熱處理 后熱是焊接后立即對焊件的全部（或局部）加熱到150～250C°或保溫，使其緩冷的工藝措施。這是防止脆硬冷裂工藝措施。低合金高強度鋼后熱主要是消氫處理，焊后立即將焊接區加熱到250～350C°，保溫2～6h，使焊縫中的擴散氫逸出焊縫表面的一種工藝措施。

三、結語

低合金高強度鋼的焊接是實際工業設計和生產中應用非常廣泛的機械結構之一，對其焊接性的要求也隨著現代工業的發展而不斷提高，給焊接工作者帶來更多的挑戰和機遇。在實際焊接過程中，必須嚴格按照母材的化學成分及性質的不同，結合焊接結構的設計，選擇合適的焊接方法和焊接材料，制定合理的焊接工藝，確保焊接結構的使用質量。

參考文獻：

【1】 廖紫成.焊接參數的數學模型及其在焊接中的應用[J].焊接，1994.（4）

【2】 張宣關，吳成材，薛永武，陸建勇.低合金高強度結構鋼的強化機理和焊接性分析[J].陜西建筑，2009.（3）

【3】 李維良.Q460C低合金結構鋼的焊接[J].河南科技，2011，（10）