Q 4 6 0 E-Z 3 5与G S 2 0 M n 5 V异种钢焊接

孙开敏，贾宝华

(1.淮北华星工贸有限责任公司，安徽 淮北 235025；2.浙江精工钢结构有限公司，浙江 绍兴 312030)

Q 4 6 0 E-Z 3 5与G S 2 0 M n 5 V异种钢焊接

孙开敏1，贾宝华2

(1.淮北华星工贸有限责任公司，安徽 淮北 235025；2.浙江精工钢结构有限公司，浙江 绍兴 312030)

在建筑钢结构焊接工程中，钢材是焊接的第一对象，所有的焊接工艺必须从钢材的特性，特别是焊接性考虑。国家体育场钢结构焊接工程采用Q460E-Z35钢，引起了我国技术界的高度重视。针对Q460E-Z35与GS20Mn5V异种钢焊接，从理论上阐述异种钢焊接的技术特点，剖析焊接技术难点，并提出相关的解决办法。保证了焊接质量，提高了焊接技术水平，并为建筑钢结构焊接提供了重要的参考价值。

Q460E-Z35；GS20Mn5V；碳当量；预热

0 前言

随着国民经济的迅速发展和科学技术的不断进步，新结构、新设备层出不穷，新材料和新工艺的应用日益广泛，现代动力机械、化工、石油设备的许多零部件要求特殊材料，单独一种材料很难同时满足上述各种要求。为了节约大量优质贵重的材料，降低成本，简化制造工艺，保证在不同的工作条件下使用不同的材料，充分发挥不同材料的性能优势，异种材料焊接结构将越来越多。

根据目前焊接技术应用理论的观点，常见的异种钢材焊接分为两大类；

(1)α类钢——能发生相变的钢，包括：铁素体为基础的钢、C钢、低合金钢、Cr-Mo耐热钢、高合金铁素体钢及马氏体钢等。

(2)γ类钢——不能发生相变的奥氏体钢，包括18-8型、18-12Mo型、25-20型钢等。

异种钢焊接分三种情况：α+γ、γ1+γ2、α1+α2。

在建筑钢结构工程中常见的异种钢焊接为α1+α2，一般为碳素钢与低合金高强度钢、碳素钢与铸钢、低合金高强度钢与铸钢，难度最大的是低合金高强度钢与铸钢的焊接。

精工钢构公司根据《国家体育场工程Q460EZ35钢热加工、焊接性方案》，在前期Q460E-Z35钢焊接性试验取得的阶段性成果的基础上，进行刚性接头焊接试验。为了使试验结果具有针对性，结合实际构件中异种钢的焊接方式进行刚性接头试件的焊接，并进行了相关的力学性能试验，目的是得出该钢种在不同焊接方法、不同线能量和刚性固定条件下的综合力学性能，并综合评定其焊接性，从而形成可靠的焊接工艺。

1 异种钢焊接的技术特点和问题

异种材料的焊接与同种材料焊接相比有着较大的不同，一般要比同种材料的焊接困难。异种钢的焊接性主要取决于两种材料的冶金相容性、物理性能、表面状态等，两种材料的差异越大，焊接性越差。

相同金相组织的异种钢焊接时，对焊接性影响不大。不同金相组织的异种钢焊接比同种钢焊接困难得多。因为两种不同金相组织的钢材存在结晶化学性(晶格参数、晶格类型、原子半径等)差异、物理性能(熔点、线膨胀系数、热传导系数、电阻比等)差异、力学性能差异、表面状态差异，以及焊缝稀释、熔合区形成过渡层和扩散层等，导致金相组织变化或产生新组织，影响焊接热循环过程和结晶条件，使接头性能变差，熔合区和焊接热影响区的力学性能尤其是塑性下降，以及增大焊接残余应力和产生裂纹。

1.1 冶金相容性的差异

晶格类型、晶格参数、原子半径等的差异也就是通常说的“冶金相容性的差异”。

两种金属材料在冶金学上是否相容，取决于它们在液态和固态的互溶性以及在焊接过程中是否可以产生金属间化合物(脆性相)，只有在液态和固态下都具有良好互溶性的金属或合金才能在熔焊时形成良好的接头。当两种金属的晶格类型相同，晶格常数、原子半径及其负电性均比较相近时，其溶质原子能够连续固溶于溶剂；否则易形成金属化合物，大幅度降低焊缝性能。能够形成连续固溶体的异种材料具有良好的焊接性。

为了改善异种金属焊接性能，对不能形成无限固溶的异种金属，可在两种被焊金属之间加入过渡层。选择的过渡层金属与两种金属均能形成无限固溶体。

1.2 物理性能的差异

两种材料的物理性能差异主要是指熔化温度、线膨胀系数、热导系数电阻系数等差异，它们将直接影响焊接的热循环过程、结晶条件和接头质量。当异种材料热性能的差异大时会使熔化情况不一致，给焊接造成困难；线膨胀系数相差较大时，会造成接头较大的残余应力和变形，易使焊缝及热影响区产生裂纹；异种材料电磁性相差较大时，而使焊接电弧不稳定、焊缝成形不好甚至形成不了焊缝。

1.3 表面状态的差异

材料表面状态复杂，如表面氧化层(氧化膜)、结晶表面层、吸附的氧离子和空气分子、水、油污、杂质等状态，将直接影响异种材料的焊接性，必须给予充分重视。

此外，在焊接异种材料时，会产生一层成分、组织及性能与母材不同的过渡层，过渡层的性能给焊接接头的整体性能带来了重大的影响，处理好异种材料的过渡层对于获得满意的焊接质量至关重要，过大的熔合比会增大焊缝金属的稀释率，使过渡层更为明显；焊缝金属与母材的化学性能相差越大，熔池金属越不容易充分混合，过渡层越明显；熔池金属存在时间越长，越容易混合均匀。

2 Q460E-Z35与GS-20Mn5V可焊性分析和焊接难点

2.1 可焊性分析

(1)碳当量计算。

Q460E-Z35和GS-20Mn5V化学成分分别见

表2 铸钢GS-20Mn5V化学成分(钢号DIN 17182-85)%

则Ceq＝0.543%。

计算GS-20Mn5V碳当量时，其化学成分均取上限，实际GS-20Mn5V碳当量控制在0.50%。

碳当量数值越大，被焊金属的淬硬倾向越大，热影响区越容易产生冷裂纹。

碳当量Ceq＜0.4%时，淬硬倾向不大，焊接性良好；当碳当量Ceq＝0.4%～0.6%时，钢材易淬硬，说明焊接性已变差，焊接时需预热，随着板厚的增大，预热温度也需适当提高。Q460E-Z35碳当量为0.49%，GS-20Mn5V碳当量也约为0.50%，远大于0.4%，所以淬硬倾向大，抗裂性能差，焊接性也较差。

2.2 Q460E-Z35与GS-20Mn5V焊接难点

(1)化学成分、力学性能及物理性能的差异。

由于铸钢与低合金钢的化学成分、力学性能和物理性能不同，焊接时会产生很多缺陷，例如气孔、裂纹等，给焊接带来很大困难。

(2)两种材料稀释率差异。

GS20Mn5V+Q460E-Z35的焊接，稀释率更是人们所关心的问题，此时有可能由两种材料产生不希望得到的有害化合物。例如采用具有垫板的对接接头时应注意垫板的成分，因为它的有害成分对接头的稀释有可能导致裂纹的产生。

建筑钢结构厚板焊缝大多采用单V型带衬板的坡口型式，V型坡口的根部肯定是稀释率最大的地方，同时也是应力最集中的地方，在打底焊接结束后，每一层的焊肉全都对焊缝根部加载，致使根部质量极不稳定。所以降低稀释率是保证厚板焊缝质量的重要措施。

(3)供货状态的差异。

GS20Mn5V供货状态为调质钢，Q460E-Z35的供货状态为正火钢。由于两者供货状态的不同，各材料焊接特点不同，焊接难度加大。

a.正火钢的焊接特点。

正火钢焊接热输入的确定主要依据防止过热区脆化和焊接裂纹两个方面。由于各种正火钢的脆化倾向和冷裂倾向不同，因此对热输入的要求也不同。

对于含钒、铌、钛等强度级别较低的正火钢，如Q420等，为了防止沉淀相溶入和晶粒长大引起的脆化，宜选择偏小的焊接热输入。

正火钢对许多焊接方法都适应，选择时主要考虑产品结构、板厚、性能要求和生产条件等因素，其中最为常用的是焊条电弧焊、埋弧焊和熔化极气体保护焊。钨极氩弧焊通常用于薄板或要求全焊透的薄壁管和厚壁管道等工件的封底焊。

b.调质钢(淬火+高温回火)的焊接特点。

调质钢焊接不宜采用大直径的焊条或焊丝。尽量采用多层多道焊工艺，最好采用窄焊道而不用横向摆动的运条技术。这样不仅使焊接热影响区和焊缝金属有较好的韧性，还可以减少焊接变形。双面施焊的焊缝，背面焊道应采用碳弧气刨清理焊根并打磨气刨表面后再进行施焊。如果采用大电流埋弧焊和电渣焊工艺，由于焊接能量大，焊接区加热时间长，冷却缓慢，焊接热影响区韧性急剧下降，因此调质高强钢在经过大电流埋弧焊和电渣焊后必须进行淬火+回火处理。

调质钢焊接时为了防止冷裂纹产生，有时需要采用预热和焊后热处理。

综上所述，GS20Mn5V+Q460E-Z35的焊接为调质钢与正火钢的焊接，两种钢材在焊接工艺上存在差异，导致焊接难度增加。

3 焊接方法的选择

选择焊接方法主要根据能否获得优质的焊接接头、接头形式、母材性能构件工作条件和生产批量等因素。还应考虑使母材金属熔化量降到最小限度，即尽可能降低熔合比，防止在焊缝过渡区出现脆性的淬火组织和裂纹等缺陷。

采用焊条电弧焊，工艺较灵活，熔合小；埋弧焊生产效率高；二氧化碳气体保护焊具有广泛的实用性。

比较SMAW、GMAW、FCAW-G后确认，SMAW稀释率为最小。由于GS20Mn5V+Q460E-Z35焊接是现场焊接，焊接位置和焊接操作上存在一定难度，为提高焊接速度，保证焊接质量，仰焊采用焊条电弧焊(SMAW)，其他位置采用焊条电弧焊(SMAW)打底，二氧化碳气体保护焊(GMAW)填充的工艺。发挥了各项技术的特长，不仅焊缝成形良好，而且一次合格率高。

采用焊条电弧焊打底的目的是降低焊缝稀释率；降低因两侧金属稀释率不同而使焊缝产生裂纹的可能性，从而提高焊接质量。

4 焊接材料的选择

4.1 异种钢焊接材料的选用原则

(1)保证焊接接头的使用性能，即保证焊缝金属和焊接热影响区具有良好的力学性能和综合性能。

(2)保证焊缝金属具有一定的致密性，即没有气孔、夹渣或气孔，夹渣的数量、尺寸形状不超过允许标准。

(3)能防止在焊接接头内产生冷裂纹和热裂纹，即对冷裂、热裂不敏感。

(4)焊缝金属具有符合要求的热强性、耐热性、耐蚀性、耐磨性等，不产生脆性组织，尽可能降低或消除熔合区脆性。

(5)工艺性良好，即具有良好的操作性能，能适应多层多道焊和全位置焊接等，并有一定的焊接效率。

(6)焊缝组织具有稳定性，其物理性能要与两母材相适应。

4.2 Q460E-Z35与GS-20Mn5V焊接材料的选择

GS-20Mn5V在钢材分类中没有明确规定，但它属于合金钢的一种形式，铸造组织和锻造(轧制)组织的区别在于综合性能上的差别，一般说来铸造组织硬度较高，而质地比锻造(轧制)组织疏松，但是它比较接近于焊缝，焊缝也是铸造组织。Q460E是结构钢中最高级别的钢种，GS-20Mn5V虽质地优良，但在综合性能和强度级别方面与Q460E相比有很大差别。这两种钢的焊接在焊接材料选择方面仅仅从强度理论上着手显然是不够的，这是因为除了强度差别外，还需重点满足焊缝的抗裂性能要求，也是整个焊接技术的难点。因此在焊材的选用上，首先需满足GS-20Mn5V的强度要求，希望焊缝能达到与GS-20Mn5V等强的要求，同时考虑Q460E具有淬硬倾向、抗裂性能差的特点，重点应用了微合金元素提高焊缝综合指标的机理，既保证了50级的强度，又具有良好的塑性和韧性储备，以提高焊缝的抗裂能力。由此，在进行多项试验的基础上，选择CHE507RH、JM58、JM56、TWE-711Ni1等焊接材料作为Q460E+GS-20Mn5V焊接的试验焊材。在确定焊材的基础上，同时对焊接工艺作了进一步的改进。

5 焊前预热和后热

5.1 焊前预热

焊前预热的作用：延长焊缝金属从峰值温度降到室温的冷却时间，使焊缝中的扩散氢有充分的时间溢出，避免产生冷裂纹，延长焊接接头从800℃到500℃的冷却时间，改善焊缝金属和热影响区的显微组织，降低热影响区的最高硬度，提高焊接接头的抗裂性。

根据《现代焊接技术手册》的估算预热温度公式，化学成分影响的碳当量为

[C]化＝C+Mn／9+Cr／9+Ni／18+Mo／13考虑厚度因素，用厚度碳当量计算板厚影响的碳当量

总的碳当量公式

焊接预热温度可根据经验公式计算

确定的Q460-Z35(110mm)与GS-20Mn5V(100mm)预热温度如表3所示。

表3 Q460E-Z35(110 mm)与GS-20Mn5V(100 mm)预热温度的确定

根据异种钢焊接时，预热温度应以预热温度高的钢材一侧为最低预热温度，故焊接前预热温度选取不小于150℃，且不超过200℃。

5.2 后热

由于GS-20Mn5V含杂质较多，焊接后氢含量较高，为保证氢能及时逸出，防止产生冷裂纹。焊接完毕后，紧急进行后热处理，后热温度300℃～350℃，后热时间2 h。后热完成，岩棉被保温缓冷至环境温度。

6 焊接工艺

6.1 焊接参数的选择

根据工艺评定，特制订以下工艺供施工时参考，如表4所示。

6.2 焊前准备

(1)焊条在使用前必须按规定烘焙，CHE507RH焊条的烘焙温度为350℃。烘焙1 h后冷却到150℃保温，随用随取，领取的焊条应放入保温筒内。

表4 焊接工艺参数

(2)不得使用药皮脱落或焊芯生锈的变质焊条、锈蚀或折弯的焊丝。

(3)二氧化碳气体的纯度必须大于99.7%，含水率小于等于0.005%，瓶装气体必须留1 MPa气体压力，不得用尽。

(4)施焊前，清除焊缝坡口及附近50 mm范围内的油、锈等污物。

(5)施焊前，复查组装质量、定位焊质量和焊接部位的清理情况，如不符合要求，修正合格后方可施焊。

(6)焊条电弧焊现场风速不大于8 m／s、气体保护焊现场风速不大于2 m／s，应设防风装置。

(7)焊接前，检查各焊接设备是否处于正常运行状态。

(8)检查坡口尺寸是否达到要求。

(9)焊工必须持证上岗。

6.3 现场焊接工艺

(1)焊前清理。Q460E钢热切割试验结果表明Q460E钢具有淬硬倾向，因此在焊接前对Q460E钢的热切割面用角向磨光机进行打磨处理，打磨厚度2 mm，且至露出原始金属光泽。同时对坡口加工造成的钝边、凹槽进行打磨处理，要求不留钝边和避免坡口面留有加工凹槽。

(2)坡口形状控制。要求在加工和安装过程中严格执行图纸要求，坡口角度35°，间隙8 mm。焊前进行坡口形状检查，项目为间隙、错边、焊缝原始宽度三项。

(3)预热、层间温度和后热温度控制。预热温度和层间温度150℃～200℃。焊接完毕后立即进行后热处理，后热温度300℃～350℃，后热时间2 h。后热完成，岩棉被保温缓冷至环境温度。

(4)加热方法。采用电加热方法，加热板设置在焊缝正反两面，预热温度达到设定值后，拆除焊缝正面的加热板，焊缝背面的加热板作为伴随预热，焊后热处理时再重新布置正面加热板，并用岩棉被包裹严密。

(5)测温方法。测温采用红外测温仪和接触式测温仪两种，测温点设置在焊缝原始边缘两侧各75 mm处。使用红外测温仪时，测温仪需垂直于测温表面，距离不得大于20 cm。层间温度测温点应在焊道起点，距离焊道熄弧端300 mm以上。后热温度测温点应在焊道表面。

(6)焊接环境要求。焊接要求在正温焊接，当环境温度在负温时，需搭设保温棚，确保焊接环境温度在0℃以上，环境风速需小于2 m／s方可施焊。

(7)焊接技术要求。焊接过程严格执行多层多道、窄焊道薄焊层的焊接方法，在平、横、仰焊位禁止焊枪摆动，立焊位焊枪摆幅不得大于20 mm，每层厚度不得大于5 mm。层间清理采用风动打渣机清除焊渣和飞溅物，同时对焊缝进行同频率锤击，起到消应处理的作用。

(8)其他要求。母材上禁止焊接卡码和连接板等临时设施，如必须焊接，在焊前按照正式焊接要求对母材进行预热，预热温度150℃～200℃。在切割临时设施时，也必须进行预热150℃～200℃，尽量避免伤及母材，如发生该种情况，必须及时焊补，后打磨圆滑过渡。在焊接过程中，严禁在母材上出现随意打火或由于拖拉焊把或焊枪对母材造成的电弧擦伤。如发生该种情况，应立即报告技术人员，并采取措施进行焊补和打磨，预热和后热温度同正常焊接。

6.4 焊接缺陷和修复

(1)焊缝表面缺陷超过相应的质量验收标准时，对气孔、夹渣、焊瘤、余高过大等缺陷应用砂轮打磨、铲凿、钻、铣等方法去除，必要时进行焊补；对焊缝尺寸不足、咬边、弧坑未填满等缺陷应进行焊补。

(2)经无损检测确定焊缝内部存在超标缺陷时应进行返修，返修应符合下列规定：

a.返修前应由施工企业编写返修方案。

b.根据无损检测确定的缺陷位置、深度，用砂轮打磨或碳弧气刨清除缺陷。缺陷为裂纹时，碳弧气刨前应在裂纹两端钻止裂孔，并清除裂纹及其两端各50 mm长的焊缝或母材。

c.清除缺陷时应将刨槽加工成四侧边斜角大于10°的坡口，并修整表面、磨除气刨渗碳层，必要时应用渗透探伤或磁粉探伤方法确定裂纹是否彻底清除。

d.焊补时应在坡口内引弧，熄弧时应填满弧坑；多层焊的焊层之间接头应错开，焊缝长度应不小于100 mm；当焊缝长度超过500 mm时，应采用分段退焊法。

e.返修部位应连续焊接。如中断焊接时，应采取后热、保温措施，防止产生裂纹。再次焊接前宜用磁粉或渗透探伤方法检查，确认无裂纹后方可继续补焊。

f.焊接修补的预热温度应比相同条件下正常焊接的预热温度高，并根据工程节点的实际情况确定是否需用采用超低氢型焊条焊接或进行焊后消氢处理。

g.焊缝正、反面各作为一个部位，同一部位返修不宜超过两次。

h.对两次返修后仍不合格的部位应重新制订返修方案，经工程技术负责人审批，并报监理工程师认可后方可执行。

7 结论

(1)GS20Mn5V+Q460E-Z35的焊接中，为提高焊接接头的抗裂性，需要进行焊前预热。

(2)稀释率对GS20Mn5V+Q460E-Z35的焊缝影响很大，可能有两种材料产生有害的化合物，由于焊条电弧焊稀释率较小，在GS20Mn5V+Q460E-Z35的焊接中被广泛使用。

(3)由于铸钢件质地疏松，材质化学成分不易控制，后热在焊接过程中显得尤其重要。

Analysis of the heterogeneity steel welding of Q460E-Z35 and GS20Mn5V

SUN Kai-min1，JIA Bao-hua2
(1.Huaibei Huaxing Industry＆Trade Co.，Ltd.，Huaibei 235025，China；2.Zhejiang Jinggong Steel Building Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China)

In the construction steel structure welding engineering,steel is the first object of the welding;all of the welding process must be take into account the characteristics of the steel，especially the weldability.So，the Q460E-Z35 steel attracted highly attention，which was used in the steel structure welding engineering of the National Stadium.Aimting at the welding of Q460E-Z35 and GS20Mn5V dissimilar steel，this paper introduces the welding technological properties of Q460E-Z35 and GS20Mn5V dissimilar steel.And dissected the difficulties of the welding technology，and put forward the relevant solution,ensure the welding quality，improve the welding technology level；and provides important reference value for construction steel structure welding.

Q460E-Z35；GS20Mn5V；Ceq；preheating

TG457.11

A

1001-2303(2012)08-0020-06

2012-01-04

孙开敏(1966—)，男，安徽淮北人，学士，工程师，主要从事焊接工程与管理工作。