建筑鋼結構高強鋼不適合大線能量焊接

高　良，周云芳，戴為志

（1．浙江精工鋼結構集團有限公司，浙江紹興312030；2．中國工程建設焊接協會，北京100084）

建筑鋼結構高強鋼不適合大線能量焊接

高良1，周云芳2，戴為志2

（1．浙江精工鋼結構集團有限公司，浙江紹興312030；2．中國工程建設焊接協會，北京100084）

在建筑鋼結構焊接工程中，鋼材是焊接的第一對象，所有的焊接工藝必須從鋼材的特性，尤其是焊接性岀發。因此，建筑鋼結構焊接工程所采用的鋼材是鋼結構焊接工程的第一質量要素。針對目前建筑鋼結構高強鋼焊接技術準備不足的現狀，闡述了建筑鋼結構高強鋼不適合大線能量焊接的道理。從高強鋼的基礎知識到高強鋼焊接技術的具體討論進行了詳細的論證。目的在于引起設計、施工焊接從業人員的注意和思考，迅速調整思路，進入到符合客觀規律的正軌，從而保證工程質量和進度。

高強鋼焊接；建筑鋼結構；大線能量

0　前言

根據我國標準，建筑鋼結構鋼材分四個類別，類別越高，鋼材的強度越高：第一類，以Q235為代表的優質碳素鋼；第二類，以Q345為代表的高強度低合金鋼；第三類，以Q420為代表的高強鋼；第四類，以Q460E-Z35為代表的高強鋼。

這四個類別鋼材又分為A、B、C、D、E級（Q460無A、B級）；A級代表鋼材無沖擊韌性要求；B級代表20℃沖擊韌性要求；C級代表0℃沖擊韌性要求；D級代表-20℃低溫沖擊韌性要求；E級代表-40℃低溫沖擊韌性要求。

為了防止層狀撕裂的產生，鋼材又有厚度方向斷面收縮率的要求。一般防止層狀撕裂要求的鋼材為Z15；較高防止層狀撕裂要求的鋼材為Z25；很高防止層狀撕裂要求的鋼材為Z35。

1　高強鋼的定義

高強度鋼是指屈服強度下限ReL≥400 MPa、抗拉強度Rm=500～1 200 MPa，并考慮焊接性而生產制造的鋼材；Rm≥1 200 MPa稱為超高強度鋼。

高強度鋼分為軋制后經調質處理的調質鋼和不經調質處理的非調質鋼。

金屬學和熱處理把“淬火+高溫回火”定義為調質處理，而焊接工程中認為鋼材淬火后不論經高溫回火還是低溫回火均為“調質”，經過“淬火+回火”的鋼稱為調質鋼（QT鋼）。

調質鋼和非調質鋼在力學性能、焊接性和接頭性能方面有很大的差異。非調質鋼的Rm≤600 MPa；而調質鋼的Rm≥600 MPa。

2　高強鋼焊接的主要特點

較普通低合金高強鋼而言，高強鋼在焊接技術上有很多特點，其中主要有：

（1）高強鋼的屈強比ReL/Rm（σs/σb）是建筑鋼結構抗震受力構件的設計必須考慮的重要指標，ReL/Rm不同，是否在0.85上下，直接影響焊接工藝。

（2）焊接熱循環會造成高強鋼合金微量元素的損失進而影響焊接接頭的綜合性能，必須嚴格控制。

（3）高強鋼要控制焊接裂紋。

（4）高強鋼要控制焊接熱影響區的脆化。

（5）高強鋼要保證焊縫金屬的強韌化。

（6）必須嚴格控制高強鋼焊接線能量，否則會降低焊接接頭的綜合性能。

3　建筑鋼結構高強鋼新鋼種焊接性分析

碳及合金元素的增加往往會給鋼的焊接性帶來不利影響。不同鋼種所出現的焊接性問題不一。在合金結構鋼中，隨著碳及合金元素含量增多，勢必會引起接頭的脆化、軟化及裂紋傾向增大。這些焊接性問題的出現，往往會降低焊接結構安全運行的可靠性，造成焊接結構的早期破壞。

3.1焊接裂紋

近代開發的高強鋼，大多采用降低含碳量并加入多元微量合金化元素，用控軋和熱處理達到控制強韌性的目的。微合金控軋控冷鋼碳及雜質含量低，C、S、P等元素得到有效控制，因此焊接時液化裂紋和結晶裂紋傾向很小。但由于在成形焊接和安裝過程中存在較大的成形應力或附加應力，特別是在采用多絲大線能量埋弧焊時，由于焊縫晶粒過分長大，出現C、S、P局部偏析易引起結晶裂紋；因此，建筑鋼結構在高強鋼節點的焊接中禁用超大線能量的電渣焊。

隨著強度級別的提高，板厚的增大，高強鋼仍然具有一定的冷裂紋傾向。線能量小，冷卻速度較快，熔敷金屬含氫量高，會增加冷裂紋的敏感性，強度越高，冷裂問題將越突出。

3.2熱影響區的脆化及軟化

高強鋼焊接HAZ是組織和性能極不均勻的部位，其特點是整個HAZ同時存在脆化和軟化現象。在焊接熱循環的作用下，高強低碳調質鋼HAZ區AC1～AC3附近區域發生脆化（即強韌性降低的現象）。即使高強低碳調質鋼母材本身具有較高的韌性，結構運行中也容易在HAZ脆化嚴重的部位產生和發展焊接微裂紋，導致接頭區域出現脆性斷裂的可能性。此外，受焊接熱循環的影響，高強低碳調質鋼可能存在強化效果損失的現象（稱為軟化和失強），焊前母材強化程度越大，焊后HAZ的軟化程度（失強率）越大。

熱影響區的脆化是細晶鋼焊接時常發生的問題，一般所用線能量越大，脆化傾向越嚴重。HAZ的脆化問題主要有粗晶區（CGHAZ）脆化、臨界熱影響區（ICHAZ）脆化、多層焊時臨界粗晶熱影響區（IRCGHAZ）脆化、過臨界粗晶熱影響區脆化（SRCG HAZ）、亞臨界粗晶熱影響區（SCGHAZ）脆化等。其中，CGHAZ、IRCGHAZ和SCGHAZ是微合金鋼焊接時最應引起重視的脆化區域。

為防止熱影響區的脆化，采用合適的焊接工藝參數并在焊接時通過調整焊接工藝參數（焊接線能量小于等于25 kJ/cm），減小高溫停留時間，避免奧氏體晶粒長大；采用合適的t8/5，使HAZ獲得韌化組織。

這是因為避免高強低碳調質鋼HAZ區AC1～AC3區出現M-A混合組織，可改善抗脆能力，有利于提高該區域沖擊韌性。實際高強低碳調質鋼HAZ受到多次焊接熱循環作用（即采用多層多道錯位焊接技術），先焊焊道的HAZ受后焊焊道影響加熱和冷卻后，前次熱循環脆化組織得到改善，沖擊韌性明顯提高。

高強低碳調質鋼HAZ發生軟化，與碳化物的沉淀和聚集長大過程密切相關。HAZ峰值溫度直接影響奧氏體晶粒度，碳化物溶解以及冷卻時的組織轉變。HAZ軟化最明顯的部位是峰值溫度處于AC1～AC3之間的區域，這與該區不完全淬火過程有密切關系。焊接HAZ區AC1～AC3溫度區是不完全淬火區域，回火后的組織為鐵素體，粗大碳化物和低碳奧氏體分解產物，塑性變形抗力很小，表現為軟化失強，硬度明顯降低。

軟化區強度一定時，板厚越大，焊接線能量越小，初始預熱溫度越低，焊接接頭的失強率越小，強度也就越大。焊接中只有設法減小軟化區的寬度，才可將焊接HAZ軟化的危害降到最低程度。因此，高強低碳調質鋼焊接時，不宜采用大的焊接線能量或較高的預熱溫度。

3.3焊縫金屬的強韌化

由于新一代鋼鐵材料晶粒極度細化，焊接時面臨焊縫的強韌化、熱影響區晶粒長大等嚴重問題。

對于焊縫金屬強韌性配比的選擇問題，長期以來高強鋼焊接多采用“等強配比”（實際上無法做到、不是超強便是低強）。在高強鋼焊接研究中發現，對于抗拉強度Rm≥800 MPa高強鋼，除考慮強度外，還必須考慮焊接區韌性及裂紋的敏感性，為此，人們往往采用“低強配比”，低強配比的焊接接頭力學性能和抗裂性能有時不比等強配比焊接接頭遜色。

焊縫金屬主要是通過合金化控制焊縫的組織實現強韌化。針狀鐵素體（AF）可以改善原始焊縫的低溫沖擊韌性，當焊縫中存在高比例的針狀鐵素體時，低溫韌性顯著提高；對于400 MPa級細晶鋼，只要通過調整焊縫組織使其獲得針狀鐵素體就可獲得理想的強韌性，這對建筑鋼結構而言已經足夠。

3.4熱影響區的晶粒長大傾向

高強鋼的部分高強度是在熱軋工藝中采用加速冷卻將能量儲存在位錯組織中獲得，該能量在高溫下可以釋放，這樣就會導致在焊接條件下產生的在臨界溫度區間和亞臨界溫度區間的加熱區，甚至在緩慢冷卻的粗晶區的加熱區中，形成硬度低于母材金屬的區域，即軟化區。軟化降低了接頭的強度，如在埋弧焊條件下，板厚為40 mm的焊接接頭中會出現強度下降25％的軟化區。

對于超細晶粒鋼，焊接時均會出現嚴重的晶粒長大傾向。既會造成HAZ的脆化，還會導致HAZ的軟化。

如前所述，在建筑鋼結構焊接工程中，控制焊接線能量十分重要。無論在理論還是實際工作中，對新一代鋼種都有一個認識過程，即施工單位在相當長的時期內，都要進行了解和掌握新一代鋼種的相關試驗研究工作，特別是同新一代鋼種相配套的焊接材料的開發研究以及目前焊接材料的配比的焊接工藝評定。

4　國內常用鋼材焊接技術的探討

根據GB50661-2011《鋼結構焊接規范》鋼材分類，第三類Q420開始己經進入高強鋼焊接領域，如表1所示。

國內學者認為，目前提高高強鋼焊接效率有三個途徑：a.采用科學合理的焊接工藝；b.采用大線能量承受能力強的鋼材；c.采用先進設備。

4.1采用科學合理的焊接工藝

高強鋼焊接不宜擺動，正確的操作方法就是“多層多道錯位焊接技術”。所謂多層焊技術，不是一次成形，而是多層成形，焊接運條手法允許擺動，一般不控制焊接厚度，適合低碳鋼厚板焊接。

多層多道焊就是在多層焊的基礎上，焊接手法上不允許擺動，焊接厚度要明確規定，以限制焊縫的線能量，一般規定：GMAW、FCAW-G每一道不超過5 mm（通常是3～5 mm）；SMAW用AV值來確定每一道的厚度（AV=一根焊條所焊焊縫的長度/一根焊條除焊條頭外的長度），通常AV≥0.6；在立焊位置允許擺動，但限制擺幅，SMAW允許寬度為焊條直徑的三倍；GMAW、FCAW-G允許擺動15～20 mm。

多層多道錯位焊接技術就是在多層多道焊接技術的基礎上，加入焊接接頭每一道次錯位連接，即接頭不在一個平面內，通常錯位50 mm以上。這種技術特別適合于高強鋼厚板的焊接。

4.2采用大線能量承受能力強的鋼材

國內研制了一種大線能量低焊接裂紋敏感性壓力容器用鋼，研究了母材及其焊接粗晶熱影響區（CGHAZ）的微觀組織結構特征及力學性能，結果表明：研制的新鋼種集高強度（σs≥490 MPa、σb≥610～730 MPa）、高韌性（-20℃橫向Akv≥47 J）、優異的焊接性能于一體，且能承受大線能量（50～100 kJ/cm）焊接。CGHAZ中彌散分布穩定的復合氧化物夾雜物促使針狀鐵素體的形成，針狀鐵素體的數量與輸入線能量有關并顯著影響CGHAZ的力學性能，如表2所示。

表1　常用國內鋼材分類

表2　常見鋼種類別性能

4.3采用先進設備

眾所周知，企業技術進步的三大要素是：工藝裝備；人員素質；科技成果的開發與應用。對鋼結構焊接工程而言，推動企業的技術進步首先是設備和焊材，而焊接工藝就是它們的靈魂。

建筑鋼結構焊接工程在拼裝和安裝階段采用GMAW、FCAW-G（F、H、V）和SMAW（O）技術，因為厚板長焊縫和露天作業，所以對焊機有很高的技術要求：焊機能夠承受大規范、快速、長時間、不間斷的焊接，焊機在上述工況下，在50～70 m內不產生影響焊接規范的電壓（流）降，且各項指標穩定可靠；焊機還要承受酷暑嚴寒、風吹雨打和因頻繁轉場而發生的碰撞，且性能不變。

因此，要求焊接設備具有良好的適應性、可靠性、先進性、經濟性以及高的自動化程度，同時要求焊材同鋼材匹配，其熔敷金屬的化學成分逐漸向母材接近。

4.3.1高強鋼焊接對SAW及機器人自動焊設備的要求

由于建筑鋼結構工程構件不固定，鋼結構焊接生產的自動化難度很大。為了提高工效，人們設法提高現有自動焊設備的熔敷效率，先后開發了SAW雙絲雙弧焊機（粗絲、細絲）、SAW雙絲單弧焊機（細絲）、SAW三絲三弧（細絲）焊機，推動了技術進步，如圖1、圖2所示。

圖1　SAW雙絲單弧（細絲）（優點：熔敷效率高）

圖2　SAW雙絲雙弧（粗絲、細絲）（優點：抗氣孔能力強）

（1）粗絲、細絲自動焊設備應用。

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由數學公式推算，焊絲直徑增加一倍，截面積增加四倍，焊接熔敷效率也會增加四倍。于是，焊絲進一步加粗，相應設備應運而生。

SAW雙絲雙弧（粗絲）焊機的出現，對提高生產效率起到很大作用。但是，由于焊絲直徑大，電流密度較細絲小，焊接速度較慢，因此對母材的焊接熱輸入顯然大于細絲焊機。在焊接屈服強度超過400 MPa帶有淬硬傾向的鋼材時更應慎重。

SAW雙絲雙弧、單弧（細絲）焊機正好彌補了這些不足，由于電流密度大、溫度高、焊接速度快，因此對母材的熱輸入小，特別適合高強鋼的焊接，如圖3所示。

圖3　SAW雙絲單弧（細絲）焊機焊接實況

利用雙絲雙弧焊可提高焊縫及熔合區韌性，獲得理想的焊縫強度。

試驗證實，焊絲直徑為2 mm的雙絲雙弧焊機焊接的焊接接頭質量，優于焊絲直徑為2 mm單絲單弧焊機焊接的焊接接頭質量，更優于焊絲直徑為5 mm單絲單弧焊機焊接的焊接接頭質量。另外，雙絲雙弧焊的總線能量E比單絲單弧焊大得多，因而焊接生產率高得多，但熔合區及熱影響區的熱輸入反而相對較小，韌性也相當高，這是由于細絲熔敷率的提高和雙絲雙弧焊熱量分散并形成狹長的溫度場所致。由此可知，雙絲雙弧焊機會成為將來提高焊接接頭綜合性能的途徑。

（2）新型多頭、多絲SAW焊機的研制開發。

根據雙絲雙弧（細絲）SAW焊機工作原理，相關部門應當著手研究一種高效、低熱輸入的多頭多絲焊機。

理論和實踐證實，在SAW雙絲雙弧（單弧）細絲焊機的基礎上，開發研究多絲、多弧高效低線能量焊機完全可能；國外在這方面有很大進展，如圖4所示。

（3）建筑鋼結構焊接自動化。

自動焊是一種借助于機械和電氣等方法使焊接過程實現自動化、程序化的焊接施工方法。該技術對操作人員的焊接技術水平要求較低，焊接過程中受人為因素的影響小，并具有焊縫成形美觀、焊接過程穩定、焊接效率高等優勢。在厚壁、長焊縫、多位置焊接的建筑鋼結構工程建設中，自動焊具有很大的應用空間。

據查，目前世界工業發達國家焊接自動化程度已達80％，因此在工效和質量上都有很大的優勢。而在我國按手工焊和自動焊消耗的焊材估算，名義上焊接自動化程度為30％，存在很大差距。隨著建筑焊接結構朝大型化、重型化、高參數精密化方向發展，焊接手工操作的低效率和質量不穩定往往成為生產效率的提高和產品質量穩定性的最大障礙。為適應高強、厚板、長焊縫的特殊要求，焊接水平特別是自動焊水平的提高是實現鋼結構技術快速發展的關鍵，因此，提高我國焊接自動化程度已經成為一項刻不容緩的重要任務。

圖4　國外的多絲多頭SAW焊機

焊接機器人是指具有三個或三個以上可自由編程的軸，并能將焊接工具按要求送到預定空間位置，按要求軌跡及速度移動焊接工具（焊槍）的機器。

機器人自動焊接首要條件是工件相對固定，然而建筑鋼結構焊接工程很難做到這一點。

在箱型桿件的焊接中有工廠耗重資進口了伊薩的雙頭自動焊機，大大提高了焊接質量和生產率。而要進一步實現箱型桿件的高水平機器人自動焊，就需要適應厚板長焊縫帶有智能化的爬行機器人。

國外已有能夠自動檢測焊接坡口形狀、長度、厚度，并自動調節焊接參數，自動進行焊接直到全部焊完的“迷你”型機器人，這正是建筑鋼結構所需要的機器人。國內雖然已經進入示教機器人領域，但同國外相比尚有一定差距。

4.4高強鋼焊接對焊材的具體需求

由于冶金技術取得長足進步，新鋼種層出不窮，而同鋼材技術進步相比較，焊材的研究開發的過程存在較大的差距。首先是研發進度上的不同步，不能滿足焊接質量和工藝上的要求，在國產匹配中，有鋼材沒焊材；其次，有的焊材的韌性指標遠遠低于等強母材的指標，在控制雜質元素上，焊縫中的雜質明顯高于母材，這些不對等的指標或要求主要源于焊材本身性能上的差距，達不到母材的技術要求，所以在鋼結構焊接工程中，不得不降低標準。

借鑒鋼鐵冶金行業的技術成就，焊材研發的技術進步也應該是，充分考慮熔池純凈化、晶粒細化、微合金化和組織調控方法。如在SAW焊接中，采用微合金化的焊絲配堿性燒結焊劑是焊接材料與母材合理匹配，能獲得綜合性能良好的焊接接頭。

有研究表明，在高強鋼的焊接中，應用金屬粉芯焊絲氣體保護焊來代替工廠焊接中的手工焊和CO2氣體保護焊能夠顯著提高焊縫性能，通過調整金屬粉芯焊絲中Mo、B、Ti、Re的含量可以在大線能量下將針狀鐵素體含量由20％增加到90％，因而可使vTs脆性轉變溫度由0℃降到-60℃。

目前，在高強鋼的焊接中，焊接工藝和技術上已經有一些階段性成果：

（1）低強匹配。焊縫強度低于母材的匹配稱為低強匹配（焊縫強度高于等于母材強度的0.86）。如采用590 MPa級的焊材焊接780 MPa的鋼材，能夠獲得良好的焊接質量。

（2）異質焊材匹配。焊接9Ni鋼時選用鎳基合金焊接材料，效果較好。

（3）采用多層多道錯位焊接技術能獲得理想晶粒度和良好的沖擊韌性指標。

（4）推廣采用導電性能好、飛濺少、工藝性能好、污染少的新型焊材無鍍銅焊絲。無鍍銅焊絲是我國乃至世界焊材的發展方向。焊絲工藝性好；抗銹能力強；小電流時導電率比鍍銅焊絲好；熔敷金屬有良好的低溫沖擊性能；焊接過程中不堵塞導電嘴而使焊接順利進行全自動貼角焊工藝；全自動不清根板對接接頭工藝；全自動不清根角接接頭工藝；成本低。因此，無鍍銅焊絲它是一種理想焊接材料。

上述方法對解決目前高強鋼焊材“無米之炊”是值得借鑒的。

縱觀建筑鋼結構全行業，推動焊接技術進步的壓力和難度都很大。但是，在實現中華民族復興的偉大事業中，隨著時間的推移，焊接工藝的日趨成熟、先進，必將推動焊接先進工藝的研究和設備、焊材的研制，會出現更多的新工藝、新設備和新焊材，我國焊接技術必將產生質的飛躍。

Construction of high strength steel is not suitable for steel structure of large line energy welding

GAO Liang1，ZHOU Yuanfang2，DAI Weizhi2
（1．Jinggong Steel Building Group，Shaoxing 312030，China；2．CECWA，Beijing 100084，China）

In construction steel structure welding engineering，steel is the first object of welding，all welding process must be from the characteristic of steel，especially the weldability file，therefore，construction steel structure welding engineering steel is welded steel structure adopted by the engineering quality of the first elements.In this paper，aiming at the current situation of the construction technology of high strength steel welding steel structure to inadequate preparation，this paper expounds the construction of high strength steel is not suitable for steel structure of large line energy welding.Starting from the identity of the basic knowledge of high strength steel welding technology to the specific discussion of the auspicious fine argument.The purpose is to attract the attention of design，construction welding workers and thinking，quickly adjust to the idea，on track to conform to the objective laws，to ensure the engineering quality and progress.

high strength steel welding；steel structure；great line energy

TG457.11

A

1001－2303（2016）02－0001-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.01

2015－09－26；

2015－12－20

高良（1979—），男，浙江蕭山人，學士，高級工程師，現任長江精工鋼結構（集團）股份有限公司總師辦主任，先后獲得浙江省技術發明二等獎一項，浙江省科技進步三等獎二項，中國鋼結構協會科技進步一等獎一項，主要從事鋼結構焊接及管理方面的工作。