高强度钢的焊接

高强度钢的焊接
摘要：重点介绍了高强度钢焊接材料选用、焊接过程参数控制等几方面的技术要点，阐明了高强度钢焊接存在问题及预防解决措施，为高强度钢的焊接提供了参考依据。

关键词：高强度钢，焊接；冷裂纹；后热，焊接线能量
1 前言
高强度钢通常是指屈服强度大于600MPa的细晶粒钢，其屈服强度和抗拉强度均高于传统低合金钢。

高强度钢用于焊接结构的制造不仅能节约成本，提高生产效率，且能减小产品重量，优化产品结构，提高承载能力。

常用高强度钢的力学陛能指标如表1所示。

但由于高强度钢碳当量高，构件焊接过程中存在焊接氢致裂纹(冷裂纹)、焊接热影响区软化及韧性下降、焊接接头疲劳等问题。

文中针对高强度钢焊接中焊接材料的匹配、工艺参数的选择等问题进行论述。

表1 常用高强度钢的力学性能指标
2 高强度钢焊接材料的选择
高强度钢由于强度提高，钢材塑性、韧性不断下降。

如果仍采用等强原则，选用高组配的焊接接头，焊缝的韧性将进一步降低，可能导致由焊缝金属韧性不足产生低应力脆性破坏。

所以高强度钢焊接时应采用等韧性原则，选择焊缝韧性不低于基体金属的低组配焊接接头比较合理。

采用低强的焊缝金属并不表示焊接接头强度一定低于母材，只要焊缝金属强度不低于母材的87％，仍可保证接头与母材等强。

焊接材料的选择取决于焊接接头机械性能要求,按照以下几方面进行选择：
(1)低强度焊接金属(焊缝金属屈服强度低于母材的屈服强度)，
(2)等强度焊接金属(焊缝金属屈服强度等于母材的屈服强度)；
(3)高强度焊接金属(焊缝金属屈服强度高于母材的屈服强度)。

当所焊钢种的屈服强度处于700-1100MPa之间，且板材较厚时，需匹配不同成分的焊接材料。

根部焊道采用软基焊料打底，填充与盖面采用高强度焊料；角焊通常采用低强焊料。

选用低强焊接材料比选择高强焊接材料(倔服强度大于500MPa)具有焊缝金属韧性大、焊接接头延伸性能好、产生裂纹可能性小的优点。

熔敷金属的含氢量应不超过5ml/l00g，焊接金属的冲击韧JI生至少要与钢板的冲击韧性一样。

3 高强度钢焊接重要参数选择
3.1 预热和层间温度
适宜的预热和层间温度对于防止出现氢裂十分重要，按如下进行选择：
(1)同—钢种，厚度不同的钢板焊接时，预热和层间温度取决于厚度较大的钢板。

(2)不同钢种的钢板焊接时，预热和层间温度由需要最高预热和层间温度的钢板决定。

(3)如果焊材的碳当量高于钢板的碳当量，则预热温度由焊材决定。

(4)如果环境湿度大，或者温度低于+5℃，则在最低推荐预热温度基础上再增加25℃。

3.2 焊接线能量
焊接线能量直接影响焊缝的机械性能。

线能量大时，焊接冷却速度降低，会使焊缝与热影响区的晶粒变粗大，降低强度及韧性，还可能加大热影响区的软化程度，影响接头的高温性能。

采用低的线能量，可提高焊接冷却速度，有利于细化焊缝及热影响区的晶粒、提高其冲击韧性。

影响规律如图1所示。

图1 焊接线能量对焊缝机械性能的影响规律
3.3 保护气体
气体的含量和配比也直接影响焊接工艺性和力学性能指标，高强度钢焊接建议用气体配比为20％CO2+80％Ar。

其影响规律如图2所示。

图2 气体成分对焊接工艺性和力学性能指标的影响规律
3.4 焊接顺序与焊缝大小
避免焊缝出现氢裂的方法是：
(1)不要在弯角处开始与结束焊接。

必须焊接时，该焊接部位距离弯角至少5-10mm。

(2)焊缝间隙不得超过3mm。

4 防止冷裂纹措施
4．1 焊前预热
预热对于对接焊缝和根部焊道最为重要，焊接过程中和焊接后的温度越高，则氢越易从钢中逸出；钢板越厚，预热的必要性越大，因厚板冷却速度更陕，且比薄
板的碳当量值更高。

不同钢种焊接，预热温度由碳当量较高的母材决定。

若所用焊材的碳当量比母材高，则由焊材决定。

4．2 确保焊接面的清洁和干燥
产生冷裂纹的主要原因是有应力存在的焊缝金属中存在氢。

焊件在组装前应彻底清除坡口表面及附近母材上在焊接时会分解出氢而导致焊缝产生延迟裂纹或气孔，
使焊接接头性能受损的氧化皮、铁锈、油污及水份等各种脏物，直至露出金属光泽
并保证清理范围内无裂纹或夹层等缺陷。

4．3 减小构件内应力
采用良好的焊接顺序，合理组装，避免强力组对，以减少结构的焊后残余应力；
焊接组装时应将工件压紧或垫置牢固，以防止因焊接受热而产生附加应力和变形。

4．4 焊后后热消氢处理
焊接完成后，立即将焊件后热到150～250~C，并按每毫米板厚不少于5分钟的恒温处理后缓冷，总恒温时间不小于1小时，确保焊接接头中的残余氢扩散逸出，
减少延迟冷裂纹的产生。

4．5 焊后热处理
进行焊后热处理是为了减少焊接残余应力，高强度钢焊后—般不进行焊后热处理，除非有特殊设计说明，否则会使接头的某些机械性能诸如冲击韧性等下降，同时还
应注意其焊后热处理温度不能超过其调质回火温度。

5 高强度钢焊接接头的疲劳
高强度钢焊缝失效的主要形式为疲劳。

影响疲劳强度的因素有很多，如：动态应力、平均应力、焊接残余应力、结构材料的腐蚀、钢板厚度、载荷的频率和次
数等。

对于焊接接头而言，其疲劳强度要比基体母材低很多，抗疲劳性能很大程度上取决于焊缝的宏观和微观几何形状。

制造过程中，设计师、焊接工程师和焊工
对焊接结构的疲劳陛能均起到决定性作用。

设计和制作的过程中应注意以下事项：
(1)设计过程中尽可能使结构应力均匀，尽量避免采用突然改变截面的结构型式
或产生很大的刚度变化的结构型式。

(2)高应力区尽可能采用对接接头，而不采用角接接头。

必须采用时，焊接时也
要避免在根部产生起始疲劳裂纹。

(3)不要把焊缝和孔等设计在高应力区。

(4)将焊缝附近的应力集中降到最低，尽可能降低焊缝填充量，使角焊缝和母材
之间的凹面圆滑过渡，避免产生不连续的焊接接头。

(5)部分焊缝内部缺陷是表面缺陷的延展。

表面缺陷比内部缺陷更为危险(高达
4～5倍)。

(6)选择最好的焊接位置以保证焊接质量。

不允许强行组对，以免造成附加残余应
力。

(7)高应力的焊缝应进行打磨或采用氩弧焊封底，使焊缝与母材之间圆滑过渡。

(8)采用合理的焊接顺序从而降低构件的焊接残余应力。

(9)应进行消应力处理，如振动时效处理。

6 结论
高强度钢焊接的两大问题是：冷裂纹和焊接接头的疲劳。

产品在组立和焊接等关键工序中必须合理选择工艺参数，制定、采取相应的工艺方案和措施从而避免冷裂纹的产生，并使焊接接头处具有适当的抗拉强度和疲劳强度，获得良好的韧性。

高强度钢结构件焊接，虽然存在一定难度，但只要合理地选择焊接方法及工艺参数，加强焊接与制作过程质量监管，完全能够制造出高质量的高强度钢结构件。

参考文献
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