高强钢焊接技术在工程中应用

高强钢焊接技术在工程中应用
2014年2月24日
摘要:高强钢被广泛应用,焊接是关键
一：高强钢的应用发展状况
随着现代科技的发展，对各种新型材料新技术的需求越来越迫切，高强钢就是其中一种，对于高强钢的定义，国际上没有统一标准，一般认为屈服强度大于等于３４０MPA的钢材为高强钢。

以高强钢筋为例，世界各国标准对钢筋的强度级别或牌号的设置不尽相同，但大致可分为300MPa(低)、400MPa(中)和500MPa(高)3组，考虑到各国的具体情况，又分为可焊与非可焊或者抗震与非抗震。

从强度级别来看，我国335MPa钢筋的实际用量为60%左右，主力强度是低强度级别；日本与美国的主力强度级别是400MPa(420MPa)，属于中强度级别；欧洲、英国、澳大利亚与新西兰的主力强度级别是500MPa，属于高强度级别。

尤其是在英国与欧洲的标准中，高强化的趋势更加明显。

英国原来标准中的强度等级为460MPa，欧洲为450MPa，在标准一体化的过程中，欧洲共同体采用了英国标准，统一到500MPa，提高了钢筋的应用强度。

由于高强钢强度的大副提高，所以在工程施工过程中，使用高强钢可以减少钢材用量保证工程质量及结构力学性能不变，这样不仅节省资金，又减轻结构本身的重量，由于减轻了自重，对于车辆、船舶、工程机械等运行结构，可以节约能源、提高运载力和工作效率；由于减少了焊接工作量，为野外施工、吊装创造了条件；并且高强钢韧性和综合性能好，可以大大提高设备的耐用性，延长其使用寿命，由于钢材用量的降低，焊接工作量的减少，焊材使用量的减少，总体上降低的二氧化碳的排放，对于环境保护，雾霾的治理都有积极的作用。

二：高强钢的成分和性能特点
为达到高强钢的各种指标，一般在冶炼过程中加入一定的特种元素，以提高钢材的屈服强度和其他性能指标，由于其他元素的加入，碳当量提高，钢材的淬硬性增强，焊接性降低，过去传统高强钢只注重钢材本身的性能，对焊接性考虑很少，所以在使用过程中，若还用普通钢材的焊接工艺，焊缝产生气孔和裂纹等缺陷的概率大增加，为防止这一现象，现在高强钢冶炼则是从提高钢的强韧性及改善焊接性两个方面入手解决新钢种的冶金问题：
１．成分设计思想
打破传统的C、Mn、Si系钢的设计思想，而是采用降碳、多种微量元素（如V、Nb、Ti、Cu、Re、B等）合金化，并通过控轧控冷（TMCP）工艺提高强度，保证综合的力学性能。

该类钢种具有如下成分特征：
①降碳，是为了改善塑性、韧性和焊接性：碳是最主要的强化元素，但会强烈的恶化塑韧性和焊接性。

因此，新钢种都严格控制碳含量，如X70、X80钢中的碳含量小于0.07％，有的甚至达到超低碳（0.03%以下)水平。

②微合金化技术：通过向钢中加入少量合金元素如Ti、V、Nb、Al、Re、B等细化晶粒、净化基体，并实现沉淀强化[细小弥散的碳氮化物、氧化物{如TiN、Ti(C、N)、TiO等}，其中Ti的细化晶粒作用最强。

高洁净化：通过精炼，清除杂质，净化基体，控制S、P、O、N、H 的含量。

A．钢中杂质：普低钢：S+P+O+N+H<250PPm；
B．经济洁净钢: S+P+O+N+H<120PPm；
C．超洁净钢: S+P+O+N+H <50PPm
(我国微合金钢杂质含量水平: w(S) 、w(P) ≤30 PPm，w(O) ≤10 PPm，w(H) ≤1 PPm) ２．轧钢工艺
采用控轧控冷（TMCP）新技术，即控轧后立即加速冷却，以细化晶粒，在提高强度的同时提高塑韧性。

、
传统的细晶粒钢：晶粒直径<100μm。

TMCP细晶钢：晶粒直径＝10～50 μm；
超细晶粒钢：晶粒直径＝0.1～10 μm 。

３．提高焊接性要求:
冷裂纹敏感系数：Pcm≤0.2%；碳当量：CE≤0.4%
采用上述技术思想已经开发出了多种新钢种，如结构钢、压力容器用钢、建筑用钢、海上采油平台用钢、管线钢X60、X65、X70、X80、X100 、X120。

对于X80以下的钢级，我国已经能够正常生产并供货。

我国管线钢的应用和起步较晚，过去已铺设的油、气管线大部分采用Q235和16Mn钢。

“六五”期间，我国开始按照API标准研制X60、X65管线钢，并成功地与进口钢管一起用于管线敷设。

90年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X70管线钢，并在涩宁兰管道工程上得到成功应用。

三：高强钢在我国的发展和现状
我国钢产量已突破7亿吨，成为世界第一大钢钢材生产国和钢材消耗国。

品种和质量也在迅速发展和提高，但高强钢的应用与普及和发达国家相比还远远落后，随着近几年我国现代工业化完成，我国高强钢在的应用日益广泛，越来越受到工程界的重视。

并得到得较快发展，已广泛应用于民用设施、工业设施、国防建设和航天科技等各个领域，如楼房建筑、高压管道、压力容器、石油储罐、船舶舰艇、桥梁、建筑结构、铁路重轨、起重设备、矿山设备、电站设备、大型高炉、电力设备、化工设备、汽车车辆、工程机械、海上采油平台等，，高强钢将都为主要的工程材料发挥重要作用。

其中管线钢是高强钢中发展最早、应用最成熟的钢种。

目前，全世界石油、天然气管道每年以3%的速度增加。

近几年，我国管道建设发展非常迅速,全国已建成的管线已达4万多km。

如涩－宁－兰、兰－成－渝、忠-武、西气东输一线、涌－沪－宁、西部管道、港-枣和陕京复线等大型管道。

2008年2月22日已正式开工的西气东输二线管道工程是“十一五”期间国家规划的特大型基础建设和能源通道建设项目，西气东输二线管道工程是我国距离最长（上万多公里）、口径最大（1219mm）、管线钢级最高（X80）、压力最大（12MPa）、站场最多及多级加压，以及采用先进钢材的世界级的天然气干线管道。

西气东输三线(2012年10月16日举行了开工仪式)、四线、五线管道工程也将陆续开工，将再建管线2万多公里。

四：高强钢的焊接
钢材能否发挥其作用，关键要看能否焊接成形，只有焊接成形的钢材才能为人民服务，所以焊接是钢材实现其价值的关键一环，由于高强钢为达到各种指标，在冶炼过程中加入了一定的特种元素，提高了钢材的屈服强度和其他性能指标，由于其他元素的加入，碳当量提高，钢材的淬硬性增强，焊接性降低，若还用普通钢材的焊接工艺，焊缝产生气孔和裂纹等缺陷的概率大增加；并且高强钢的焊接应采用合适的焊接材料，配备相应的焊接设备，我们应制定相应的焊接工艺，以保证焊接接头质量和母材性能，来满足我们工程质量需要，高强钢的焊接应主流以下面几个方面：
１．选取合适的焊材
按焊缝金属化学成分和力学性能与母材相当的原则，并同时要满足焊接材料熔敷金属的晶相下转变点与材相当的原则选取焊材。

２．控制焊接工艺参数；
①控制线能量（J/cm）：焊接线能量大，焊缝金属在高温（11000C）停留时间长，晶粒长大变脆，致使焊缝韧性降低。

因此，在保证焊透的情况下采用较小的线能量，能减小产生焊接缺陷产生的机率，减小焊接变形，改善焊接接头性能。

②采取焊前预热、焊层层间保温、焊后保热措施等；
③控制高温停留时间tH和t8/5（800~500℃冷却时间），避免晶粒长大；避免第二相粒子的集聚长大和不均匀的溶解与析出；获得高韧性的组织。

３．选择合适的焊接设备
根据母材和焊材性能特点选择适合焊接设备也是重要一环，任何新工艺的产生，都要求有与之相匹配的设备，最近几年，新型焊接设备在我国的生产领域得到了广泛的应用，如二保焊，氩弧焊，埋弧焊，电渣焊，磨擦焊，激光焊等离子焊等焊接设备已广泛应用于各个领域，而不是以前的以单一的手弧接方式。

特种钢的焊接要根据的成分与性能选择合适的焊接设备。

4．焊后热处理
由于特种钢都有强度高、硬度大、韧性差等性能特征，又由于焊接过程又是个急热急冷的过程，所以在焊后采取热处理，可大改善焊接接头组织，提高性能，如T92焊后一般都采取热处理，T92钢马氏体转变终了温度大约为1000C。

确定焊口施焊完毕冷却至室温后1h 进行焊后热处理。

热处理恒温温度为（760±10）0C，恒温1h（管子壁厚<12.5mm）或者2h （管子壁厚>12.5mm），热处理升降温度为1500C/h，保证焊缝马氏体得到充分回火形成回火马氏体。

5．加强焊缝的检测与修补
焊接完成后，要及时无损检测，现在一般采用超声波和X光探伤，发现缺陷后及时修补，直至达到合格为止。