ISO/TR 17671-2標準與高強鋼焊接預熱溫度的確定

何珊珊，錢 強

機械工業哈爾濱焊接技術培訓中心，黑龍江 哈爾濱 150046

0 前言

ISO/TR 17671[1]系列標準給出了金屬材料在焊接工藝制定上的指導建議，為初步制定焊接工藝提供便利。此系列標準包括四個部分，第一部分是一般原則介紹，第二部分是鐵素體鋼的電弧焊焊接推薦工藝指南，第三部分是不銹鋼的電弧焊焊接推薦工藝指南，第四部分是鋁合金的電弧焊焊接推薦工藝指南；涉及鐵素體類鋼、不銹鋼及鋁合金三類材料。其中鐵素體類鋼主要指碳鋼碳錳鋼、低合金高強鋼、抗蠕變鋼及低溫鋼，這些鋼種均具有可焊性。

ISO/TR 17671的第二部分給出了鐵素體鋼（鐵素體不銹鋼除外）的焊接工藝指導建議，尤其是預估焊接預熱溫度的方法。低合金高強鋼屬于鐵素體類鋼種，是焊接常用鋼種之一，具有較高的強韌性。這類高強鋼的使用能夠實現減輕結構自身重量，但隨著強度增加及板厚增加，產生淬硬組織傾向增大，使其焊接時產生冷裂紋的風險加大。針對此類高強鋼焊接的工藝制定及預防冷裂紋方面國內外學者做了分析和研究[2-10]，其預防冷裂紋的關鍵措施之一是焊前適當預熱，但采用焊接試驗法確定預熱溫度的工作量和成本較高。因此ISO/TR 17671-2給出了低合金高強鋼預防冷裂紋方便可行的工藝措施，可作為初步制定焊接工藝的指南。

1 國內外典型低合金高強鋼及焊接性特點

1.1 國內外典型低合金高強鋼

低合金高強鋼也稱細晶粒結構鋼，國際標準、歐洲標準及國家標準在這類鋼種的生產要求上基本一致，即在化學成分上具有低碳、含微量合金元素及低雜質等特點。供貨狀態主要是正火軋制、熱機械軋制及調質處理等幾種方式。按照不同標準生產的鋼種能夠獲得相似的力學性能，如表1所示，但由于技術及各地資源等因素的不同，鋼材在加工性能上還存在一定差異。

表1 國內外典型低合金高強鋼對照Table 1 Comparison of domestic and foreign typical low alloy high-strength steel

按照國際標準ISO630第三部分和第四部分的要求供貨的鋼材為低合金高強鋼；按照歐洲標準EN10025第三部分、第四部分和第六部分的要求供貨的鋼材屬于低合金高強鋼；按照我國標準GB/T1591（2018）要求供貨的鋼材屬于低合金高強度結構鋼，按照GB/T 16270（2009）要求供貨的鋼材屬于高強度結構用調質鋼板；按照GB/T 34560.3（2018）要求供貨的鋼材屬于細晶粒結構鋼，按照GB/T 34560.4（2017）要求供貨的鋼材屬于淬火+回火高屈服強度結構鋼板。

上述標準中說明的各類鋼種均屬于低合金高強鋼品種，均可采用焊接方式進行加工制造，但不同品種鋼的焊接性有一定差異。

1.2 低合金高強鋼的焊接性

合金元素的添加使得低合金高強鋼焊接接頭的淬硬性增大，若冷卻速度較快，熱影響區易形成淬硬組織，有產生冷裂紋的傾向。碳當量是反映鋼中化學成分對淬硬程度的影響。當碳當量值小于0.4時，焊接性良好；當碳當量值在0.4 ～0.6之間時，在一定條件下焊接；當碳當量值大于0.6時，焊接性較差。因此，碳當量值增大，其冷裂傾向加大。隨著低合金高強鋼強度的提高及板厚的增加，碳當量也增加，如果冷卻速度過快，將形成淬硬組織。如EN10025-3正火細晶粒結構鋼S460N，當材料厚度在63 mm以下時，碳當量最大值為0.53；材料厚度大于100 mm時，碳當量最大值達0.55；N10025-6調質細晶粒結構鋼S690Q板厚在50 mm以上時，碳當量最大值可達0.7以上。

因此，隨著強度增加、板厚增大，碳當量增大、產生冷裂紋傾向加大。對于強度較高的品種其碳當量值較大，焊接時應控制冷卻速度，避免產生淬硬組織。焊前預熱是方便可行的減小冷卻速度的方法，是預防冷裂紋的主要工藝手段。

2 ISO/TR 17671-2標準簡介

ISO/TR 17671-2（2002）是鐵素體鋼的電弧焊推薦工藝指南，給出了除鐵素體不銹鋼外所有鐵素體鋼產品的手工、半機械化、機械化及自動化電弧焊的指導，并以附錄形式給出鐵素體鋼焊接可能產生的問題及解決措施。共介紹六方面內容：附錄A氫致裂紋、附錄B接頭設計細節、附錄C可能產生的有害現象、附錄D熱影響區硬度和韌性變化、附錄E結晶裂紋及附錄F層狀撕裂。附錄A中給出了避免氫致裂紋指導建議，A.2、A.3及A.4分別給出不同類型的鐵素體鋼焊接工藝方法，其中A.2和A.3方法適合的母材有非合金鋼、細晶粒鋼及低合金鋼，A.2適合鋼種主要合金成分含量要求見表2，根據經驗和數據主要是針對碳錳型鋼。A.3適合鋼種主要合金成分含量要求見表3，根據經驗和數據主要是針對低合金高強度鋼。A.4描述的方法適用于抗蠕變鋼和低溫鋼。

表2 A.2適合鋼種主要合金成分含量要求（質量分數，%）Table 2 Requirements of alloy composition forA.2（wt.%）

表3 A.3適合鋼種主要合金成分含量要求（質量分數，%）Table 3 Requirements of alloy composition forA.3（wt.%）

3 依據ISO/TR 17671-2標準預估預熱溫度

3.1 預估預熱溫度的步驟

低合金高強鋼焊接接頭產生冷裂紋主要受母材和焊縫金屬的化學成分、板厚、焊縫金屬氫含量、焊接過程中的熱輸入以及應力水平等因素的影響。生產中針對冷裂紋采取的主要工藝措施是焊前預熱，因此預熱溫度的確定十分關鍵。預熱溫度過低，仍然存在冷裂紋的危險；預熱溫度過高，對接頭性能又會產生不利影響。ISO/TR 17671-2標準的附錄A中A.3描述的方法給出了母材成分、板厚、擴散氫含量、熱輸入等因素與預熱溫度的關系。因此根據實際產品的具體情況結合關系曲線可以計算焊接需要的預熱溫度，如果要確定不預熱焊接是否可行，也可以根據相互之間的關系，調節其他影響因素來確定。

（1）根據母材成分確定預熱溫度。

影響鋼冷裂行為的化學成分可以用碳當量CET[1]來描述，使用的碳當量公式如下：

碳當量對預熱溫度影響較大。碳當量增大，淬硬傾向加大，冷裂紋傾向加大，通過預熱減緩冷卻速度，避免產生淬硬組織。碳當量CET和預熱溫度Tp之間的線性關系如圖1所示，由圖1可知，碳當量增加約0.01%，預熱溫度就會升高約7.5℃。因此，已知材料的碳當量CET，可以確定預熱溫度TpCET。

圖1 預熱溫度與碳當量CET的關系Fig.1 Relationship between preheating temperature and CET

（2）根據板厚確定預熱溫度。

隨著板厚的增加，冷卻速度加快，因此要控制冷卻速度避免產生淬硬組織產生。根據板厚d與預熱溫度Tp之間的關系曲線（見圖2）可知，材料越薄，預熱溫度對其影響越大，隨著材料厚度的增加，影響逐漸減小，當板厚在60 mm以上時，幾乎沒有影響。因此，已知材料厚度，結合圖2可以確定預熱溫度Tpd。較厚的板會使焊接預熱溫度有所提高。

圖2 預熱溫度與板厚d的關系Fig.2 Relations between preheating temperature and the plate thickness（d）

（3）根據擴散氫含量確定預熱溫度。

ISO 3690中確定了焊縫金屬擴散氫含量HD對預熱溫度的影響，如圖3所示。HD增加，預熱溫度TpHD也需增加，實際生產中盡可能采用低氫型焊材。

圖3 預熱溫度與焊縫金屬擴散氫含量的關系Fig.3 Relations between preheat temperature and weld metal hydrogen content，HD

（4）根據熱輸入確定預熱溫度。

預熱溫度與熱輸入的關系曲線如圖4所示?？梢钥闯?，適當增加熱輸入Q可以降低預熱溫度TpQ。

圖4 預熱溫度與熱輸入的關系Fig.4 Relations between preheat temperature and heat input

綜合以上因素影響，以碳當量CET為特征的化學成分、板厚d、焊縫金屬擴散氫含量HD和熱輸入Q，預熱溫度可用以下經驗公式計算：Tp=TpCET+Tpd+TpHD+TpQ（℃），其確定預熱溫度具體步驟見圖5。

圖5 確定預熱溫度步驟Fig.5 Determine the preheating temperature step

3.2 ISO/TR 17671-2標準預估Q690焊接預熱溫度

以文獻[11]選用的湘潭鋼鐵集團的Q690DZ25鋼為例，預估其預熱溫度。該鋼種的碳當量0.42%，厚度40 mm，采用焊條電弧焊，選取LB-80L型極低氫型焊條，焊接參數為：電流190A，電壓25 V，焊接速度145 mm/min。現依據ISO/TR 17671-2標準中的方法預估預熱溫度，具體步驟為：第一步，根據碳當量0.42%與預熱溫度的關系可知，TpCET約為165℃；第二步，根據板厚40 mm與預熱溫度的關系可知，Tpd約為20℃；第三步，因選用的是極低氫型焊條，擴散氫含量小于3 mL/100 g，由圖3可知，無需增加預熱溫度甚至預熱溫度可以再適當低一些，TpHD約為-20℃；第四步，焊接方法為焊條電弧焊，根據焊接參數計算出熱輸入，約為2 kJ/mm，查找圖5熱輸入與預熱溫度的關系可知，在此熱輸入下預熱溫度可以適當降低，TpQ約為-10℃。

綜合以上數據，文中選用鋼種Q690D根據公式Tp=TpCET+Tpd+TpHD+TpQ計算的預熱溫度約為155℃。與文獻[12]中經過焊接試驗得出的數據預熱溫度至少為150℃相似。

4 依據工藝試驗確定預熱溫度的對比實例

以國產低合金高強鋼典型鋼種Q690D為例。其對應的歐洲標準牌號為S690Q或者S690QL及國際標準牌號為S690QD，供貨方式為調質處理，最低屈服強度不低于690 MPa，被廣泛應用于煤礦機械、工程機械方面，如液壓支架、港口起重機、平板運輸車等。針對Q690焊接冷裂紋，近年來已有一些相關研究。如我國自主研制的“藍鯨”全回轉起重船主臂架主要采用30 mm厚度的Q690鋼，焊接時存在冷裂紋傾向，試驗從165 ～195℃共20個不同預熱溫度進行分析，得出采用TWE-110K3藥芯焊絲+MAG焊接時的最低預熱溫度為165℃，可避免產生冷裂紋[11]。文獻[11]分別在不預熱、預熱60 ℃、預熱100℃、預熱150℃四種條件下進行焊接裂紋試驗，分析裂紋情況，得出最低預熱溫度為150℃。譚震國[14]研究了風電行業和核電站配套的履帶吊部分用低合金高強鋼Q690D的焊接性能，為防止冷裂紋，焊前預熱溫度控制在150℃左右。文獻[16]介紹了海洋起重機之一桅桿式起重機采用低合金高強鋼S690QL，其結構厚度為65 mm，根據板厚、拘束度及低氫焊材的選擇，確定焊接預熱溫度為130℃；根據圖3可知，厚度增加其預熱溫度差別不大，材料厚度為40 mm和厚度為80 mm，其預熱溫度差約為30℃，又因產品采用埋弧焊工藝，其熱輸入相對大一些，根據圖5可知，預熱溫度可以低一些，因此，文獻中的結構雖然厚度較厚，但不需要更高的預熱溫度。文獻[17]海上吊機產品主要受力部件撥桿使用S690QL鋼管，尺寸為406mm×25mm，試驗研究得出其焊前預熱溫度在100 ～120 ℃。Knut Partes等[18]對大功率激光焊接6 mm厚S690QL預熱溫度進行了分析，采用維氏硬度法測定不預熱、預熱100℃、150℃、200℃的焊接接頭性能，其結論為不預熱時焊接接頭最大硬度為407 HV10，隨著預熱溫度增加其硬度值隨之下降，當預熱溫度為200℃時，其最大硬度值為325 HV10，而材料的初始硬度為285 HV10，因此，為了避免產生淬硬組織，需要預熱。文獻[19]建議S690QL材料的焊前預熱溫度為150 ～200°C（厚度為15 mm時為150°C），避免產生冷裂紋，但不建議溫度高于200°C，因為可能會導致力學性能下降。文獻[20]通過試驗得出S690QL為了避免冷裂紋，給出預熱溫度為150 ～200°C。同樣使用屈服強度為690 MPa的低合金高強鋼種，因不同產品的厚度不同，結構形式不同，工藝參數不同，導致焊前預熱溫度有一些差異，但總體上，屈服強度為690 MPa的低合金高強鋼焊前均需要預熱，針對此類低合金高強鋼焊接工藝的制定及確定焊前預熱溫度主要采取焊接工藝試驗及直接的裂紋實驗法進行分析，這種方法能夠準確評價其焊接性及制定焊接工藝，但增加了工作量及成本。

5 結論

ISO/TR 17671-2標準給出了與焊接性有關的因素并總結出相應規律，為材料焊接工藝制定提供了指導建議。為低合金高強鋼焊接工藝的制定，尤其是焊前預熱溫度的確定，提供了有效途徑。以屈服強度為690 MPa的低合金高強鋼為例，采用ISO/TR 17671-2標準中的方法進行預熱溫度的預估，并與文獻中經過工藝試驗確定的預熱溫度進行對比，其預熱溫度值有高度的一致性。因此，低合金高強鋼在初步制定工藝時，按照ISO/TR 17671-2標準中的方法進行預熱溫度的預估，可以避免直接通過大量的焊接試驗確定，既可以節約時間又能夠降低成本。也可以將計算得出的數據作為編制pWPS的依據，企業可以依據實際情況確定使用。