Q420高强钢焊接工艺的研究

Q420高强钢性能分析和焊接工艺研究

张宇

南通新华钢结构工程有限公司

摘要：通过对低合金高强度结构钢的焊接影响因素的分析, 为制定合理的焊接工艺提供了依据, 应用该工艺保证了低合金高强度钢的焊接效果。 关键词：焊接性；影响因素；工艺

引言

自20世纪60年代以来，低合金高强钢领域取得了惊人的进展，由此而形成了“现代低合金高强钢”，在合金设计及生产工艺诸方面导入了很多新的概念，主要的是：

（1）Nb 、V 、Ti 等强烈碳化物形成元素的应用，以及晶粒细化和析出强化为主要内容的钢的强韧化机理的建立，出现了新一代的低合金高强钢，即以低碳、高纯净度为特征的微合金化钢；

（2）低合金高强度钢不再是“简易”生产的普通低合金钢，而是采用一系列现代冶金新技术生产的精细钢类，包括铁水预处理、顶底复吹转炉冶炼、钢包冶金、连铸、控扎控冷（热机械处理）等技术得到普遍应用，已成为低合金高强度钢的基本生产流程。

高强钢的焊接性能也是塔杆设计和制造部门比较关心的一个问题，这主要包括两个方面，一时裂纹敏感性，二是焊接热影响区的力学性能。如果焊接工艺不当，高强钢焊接时，有焊接热影响区脆化倾向，易形成热裂纹，冷却速度较快时，有明显的冷裂倾向。

1、焊接性试验的相关内容

1.1 试验目的

评价母材焊接性能的好坏，确定合理的焊接工艺参数。

1.2 试验方法

最常用的方法（直接法）：焊接裂纹试验（冷裂纹试验、热裂纹试验、再热裂纹试验、脆性断裂）。

计算法（间接法）：碳当量法、焊接裂纹敏感指数法。

B V Mo Ni Cu Cr Mn Si

C Pcm H T Pcm Pc 510/15/60/20)/(30/60

/600/++++++++=++=裂纹敏感指数 式中：

g ml H mm

T Pcm 100/%

扩散氢含量，

刚才厚度，开裂碳当量，--- 39214403.0-=︒>Pc C To Pc ）

（预热温度）

有冷裂倾向（根部裂纹 1.3 焊接冷裂纹敏感性分析

钢材的焊接冷裂纹敏感性一般与母材和焊缝金属的化学成分有关，为了说明

冷裂纹敏感性与钢材化学成分的关系，通常用碳当量来表示。计算碳当量的公式很多，对于Q420钢，采用了国际焊接学会(IIW)推荐的非调质钢碳当量Ceq （IIW ）计算公式（公式1）和日本工艺标准（JIS ）推荐的碳当量Ceq （JIS ）计算公式（公式2）进行计算。

)1(144540246)(V Mo Cr Ni Si Mn C IIW Ceq ++++++= )2(1556)(Ni Cu V Cr Mo Mn C JIS Ceq ++++++= 根据JGJ81—2002规定：钢材碳当量小于0.38，焊接难度一般；在0.38—0.45

范围内，焊接程度较难。

1.4 热影响区最高硬度试验

热影响区最高硬度试验是以测定焊接热影响区的淬硬倾向来评定钢材的冷裂纹敏感性。试验按照GB4675.5—84《焊接热影响区最高硬度试验方法》的规定进行。

试验检测面经打磨抛光后，用2%硝酸酒精溶液浅腐蚀后，参照GB4675.5如图1所示。

图1 硬度的检测位置

1.5 斜Y 坡口焊接裂纹试验

斜Y 坡口焊接裂纹试验（小铁研）主要是评定焊接热影响区产生冷裂纹的倾向性。试参照GB4975.1—84《斜Y 坡口焊接裂纹试验方法》的规定进行。试验焊缝结束后，经48小时后进行裂纹检查。

1.6 钢材的韧脆转变温度

以得到27J 的V 型夏比冲击值所对应的试验温度作为韧脆转变温度，测定Q420的韧脆转变温度。测定方法如下：直接将角钢加工成冲击试样，并分别在20℃、0℃、-20℃和-40℃下进行冲击实验，根据实验结果推断出冲击值为27J 时所对应的温度即为韧脆转变温度。冲击功值见图2。

图2 Q420韧脆转变温度

结果表明：0℃时Q420角钢的冲击值大于27J，-5℃时冲击值约在27J，因此Q420的韧脆转变温度约在-5℃。

加工单位应注意：在寒冷地带施工时不要造成构件的损伤，如缺口等。2、Q420焊接影响因素的控制

2.1 焊接方法的选择

高强钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、CO 2 气体保护焊等，为了减少电弧热量对母材的影响, 应采用能量较为集中的焊接方式, 如CO 2 气体保护焊和混合气体保护焊。为限制线能量, 不能采用大直径的焊条或焊丝, CO 2 气体保护焊时宜采用ф1.2或ф1.6的焊丝。

2.2 焊接材料

选择焊接材料时一般要求所得焊缝金属在焊态下应具有接近于母材的机械性能, 即“等强匹配”。在特殊条件下, 如结构的刚度很大、冷裂纹很难避免时, 选择比母材强度稍低的材料作为填充金属, 即“低强匹配”, 在少许牺牲焊缝强度而提高韧性的情况下, 对焊接接头的性能更为有利。

2.3 保护气体

在用CO 2 气体保护焊焊接高强钢时，CO 2 气体纯度是影响高强钢焊接的重要因素之一, 应符合HG/T2537-1993规定或达到GB/T6052-1985规定的优等品要求，一般要求CO 2 的体积分数在99.5% 以上。试验表明: CO 2 的体积分数小于98.7% 时在焊缝中易出现气孔, 当CO 2 体积分数高于99.11% 时才能得到致密焊缝。对CO 2 气体的提纯有两种方法: 一是在使用前将气瓶倒立静置放水的简易方式; 二是在供气装置和设备间设置2 个～ 3 个干燥器, 以得到纯度较高的气体。

2.4 坡口处理

坡口内的锈蚀、水分、油污等也会导致气孔和冷裂的产生, 所以在进行低合金高强钢的焊接时, 一定要把坡口处理干净。为了减少焊接量, 在板厚大于

20mm 的钢板拼接时尽量采用熔敷量较小的U形或X形坡口。

3、工艺参数的选择

3.1 焊接顺序

焊接顺序的选择应遵循以下原则:

（1）尽可能让焊缝能自由收缩, 减少施焊时的拘束度, 图纸设计时应避免交叉