高强钢焊接前沿技术的开发研究

戴为志，李 华，何乔生，张建平，曾祥文，陆安洪

(1.中国工程建设焊接协会，北京 100088;2.四川玛瑞电子设备有限公司，四川 成都 610000;3.浙江精工钢结构集团有限公司，浙江 绍兴 312030)

0 前言

首先提出了“高强钢焊接前沿技术”的观点，同时开展对观点认同的讨论。要弄清这一问题，首先必须清楚什么是“前沿技术”，举例说明:

在我国钢结构行业的发展进程中，有两次因钢种发生变化带来的焊接技术冲击。

第一次是在20世纪60年代末期至20世纪70年代初期，建设行业的以A3为代表的低碳钢逐渐被以16Mn为代表的低合金高强钢所替代。在当时最引人注目是钢制储氧罐(压力容器)采用了厚度为38 mm的16Mn钢板，在技术界引起不小震动，为了适应16Mn的焊接特性，开始使用低氢型焊条和直流焊机;为了解决受力焊缝全熔透质量缺陷，开始研究开发碳弧气刨技术，极大地推动了焊接技术进步。这些技术就是“前沿技术”，当时最先掌握这些技术的单位就是掌握了“前沿技术”对焊接技术进步有贡献的单位。

第二次变化的开始是在“奥运、世博”工程中，建设行业开始应用Q420、Q460钢材，传统的低合金高强钢逐渐被高强钢替代，因此即将引发一场技术上的革命!于是讨论进入到“高强钢焊接前沿技术”的实质。

高强钢通常指屈服强度下限ReL≥400 MPa、抗拉强度Rm=500～1 200 MPa，并考虑焊接性而生产制造的钢材;Rm≥1 200 MPa一般称为超高强度钢。

高强钢分为轧制后经调质处理的调质钢和不经调质处理的非调质钢。调质钢和非调质钢在力学性能、焊接性和接头性能方面差异明显，非调质钢 Rm≤600 MPa，调质钢 Rm≥600 MPa。

高强钢易产生的焊接问题主要是焊接裂纹和热影响区脆化，对于Rm≥800 MPa、ReL/Rm≥0.85的调质钢，还存在软化问题。

高强钢较普通低合金高强钢而言，在焊接技术上有很多特点，其中主要有:

a.高强钢的屈强比 ReL/Rm(σs/σb)是建筑钢结构抗震受力构件设计必须考虑的重要指标，ReL/Rm不同，焊接工艺不同;b.焊接热循环会造成高强钢合金微量元素的损失，从而影响焊接接头的综合性能，必须严格控制;c.高强钢要控制焊接裂纹;d.高强钢要控制焊接热影响区的脆化;e.高强钢要保证焊缝金属的强韧化。

那么“高强钢前沿技术”有什么技术内涵呢?

科技进步的三大要素就是“高强钢焊接前沿技术”的全部内涵:工艺装备、人员素质、科技成果的开发应用。

首先是现有优秀焊接技术资源的强－强联合:即采用技术最先进的焊机;采用适合母材强度配比的最好焊接材料;应用最优秀的焊接工艺;从而提高焊接效率，保证焊接质量。这就是“高强钢焊接前沿技术”的精髓。

客观地说，目前钢结构行业主体用钢仍然是低合金高强钢，但这类钢的生产和使用的范围正在逐渐缩小，经济发展的客观需求和冶金技术的迅速发展必将推动钢结构行业用钢逐渐进入高强钢领域。

2012年8月1日开始执行的GB50661－2011《钢结构焊接规范》拉开了钢结构大规模采用高强钢的序幕。

在GB/T 1591－1994标准中设立Q295、Q345、Q390、Q420、Q460共五个牌号;在 GB/T 16270－1996《高强度结构钢热处理和控轧钢板、钢带》中设立 Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690 共六个牌号。

GB50661《钢结构焊接规范》所述材料表中，从Ⅲ类钢材开始已经进入到高强钢(高性能钢)的范畴。相对于普通钢结构，高强钢的钢结构有以下优点:

a.钢材强度的提高能减少钢板的厚度，缩小构件的断面尺寸，从而减少用钢量，降低自重，且能够削弱地震对钢结构的破坏作用。

b.钢板厚度的减少能大幅度降低焊缝坡口尺寸，提高工效，降低工程成本。

c.有效地支持我国钢铁生产的技术进步;减产高效，在相同或减少能耗的前提下，生产出附加值更高的高端产品。

1 高强钢主要焊接难点分析

(1)焊接裂纹的危险性。

微合金控轧控冷钢的碳和杂质含量低，C、S、P等元素得到有效控制，焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小。但在焊接成形和安装过程中存在较大的成形应力或附加应力，特别是在采用多丝大线能量埋弧焊时，由于焊缝晶粒过分长大，出现C、S、P局部偏析也容易引起结晶裂纹。

随着强度级别的提高、板厚的增大，仍然具有一定的冷裂纹倾向。热输入量(线能量)小，冷却速度较快，熔敷金属含氢量高，会增加冷裂纹的敏感性，强度越高，冷裂问题越突出。

(2)热影响区中局部脆化区对韧性的影响。

高强钢在成分和热轧工艺上的特点，使韧性得到了很大的提高，由于韧性一般由裂纹起裂和裂纹扩展两部分所需的能量来度量，这种钢在焊接条件下，热影响区会形成局部脆化区，因而会降低裂纹起裂所需的能量。作为多层焊接接头的局部脆化区，一般有四个部位被认为是关键部位:粗晶热影响区、临界温度区间热影响区、临界温度区间粗晶热影响区、亚临界温度区粗晶热影响区。

(3)焊接接头软化。

高强钢的部分高温度是在热轧工艺中采用加速冷却将能量储存在位错组织中而获得的，这一能量在高温下可以释放，这样就会导致在焊接条件下产生在临界温度区间和亚临界温度区间的加热区，甚至在缓慢冷却的粗晶区的加热区中，形成硬度比母材金属低的区域，即软化区。软化使接头的强度降低。如在埋弧焊的条件下，板厚为40 mm的焊接接头中会发现有强度下降25%的软化区。

可以这样理解，新钢种的强度、细化晶粒等指标与钢材的微合金元素直接有关，焊接会造成合金元素的损失，必然降低焊接接头的综合性能。

理论分析，钢材中的微合金及其化合物的熔点均比纯铁和铁的化合物低，在焊接热循环中，微合金元素及其化合物必须随纯铁及铁的化合物从固态 液态 气态的变化，各种元素所气化的部分就是损失的部分，其余部分又开始从液态 固态变化形成焊缝，完成所有热循环。研究认为，由于各类元素及化合物熔点上的差距，在高温区停留的时间不同。微合金元素及其化合物气化在高温区停留的时间相对较长，气化较铁及铁的化合物充分，因此微量元素损失的程度比铁及铁的化合物气化损失高得多，这是一种比例失调的损失;对焊接而言，是多次进行相同或者相似的热循环;分析认为热循环次数越多，比例失调也就越严重(工程实践中称:微合金元素烧损)，于是形成了高强钢焊接的第一问题。

综上所述，在焊接这些新钢种时，除严格控制热输入外，减少焊缝及其HAZ焊接热循环的次数，降低微合金元素及其化合物和铁及铁的化合物比例失调程度的研究，保证焊缝与母材等强或合适的低强(0.86)，逐渐引起了人们的关注。

为防止冷裂纹，应采取相应的预热和后热措施，选用低氢型和超低氢型焊接材料。抗拉强度800 MPa以上的钢种，还可以考虑选择低强匹配的焊材，以保证其综合指标。

为减少热影响区脆化，主要是限制焊接热输入，多层多道错位焊接技术能减少HAZ高温停留时间，对防止焊接接头脆性断裂有很大作用。同时应根据钢种、板厚和性能要求等，通过工艺评定试验，选择合适的焊接参数。热影响区中的软化区也可以通过限制热输入来减小软化区宽度和软化程度。

2 高强钢快速脉冲压缩电弧焊接新技术的开发研究

高强钢快速脉冲压缩电弧焊接新技术是一项高强钢焊接领域内较为前沿的试验研究工作，是一项具有实战价值的开发研究技术，涉及工艺装备、人员素质、科技成果的开发与应用三大要素，具有一定的现实意义。

2.1 高强钢高标准焊接技术问题的提出

众所周知，GMAW是理论上的无氢焊接，具有抗裂性强、熔深大、抗疲劳、焊接效率高等优点。然而GMAW焊接时电弧稳定性差、飞溅大，工艺性差，焊工掌握困难，焊缝成形较差。为了克服这些缺点，针对高强钢的焊接，目前在国内外特别在欧洲，正在深入研究富氩气体保护焊接技术，并取得重大突破。

在我国，开始使用双元—三元气体保护，以改善喷射过渡形式，取得了一定效果(GMAW的飞溅大大减少，焊缝成形质量大幅度提高)。但是研究发现:随着Ar比例的增加，焊缝的熔深逐渐下降，熔敷效率提高不大;说明单纯在保护气体上作文章显然是不够的，应考虑采用性能优良的设备，配以已经成功的二—三元气体。这是高强钢焊接试验研究的基本思想，也是目前唯一正确的技术路线。

有关研究证实，由于CO2气体在弧柱中的吸热分解反应，对焊接电弧的强烈冷却作用，与氩弧焊比较，其焊接电弧弧柱区窄，电弧斑点尺寸小。随着保护气体的CO2含量增加，焊接宽度明显减小，电弧面积明显收缩，如表1所示。

表1 富氩CO2气体保护焊气体比例与电弧形态关联性

焊接过程中，在相同焊接规范的前提下，电弧面积越小，电弧密度也就越大;CO2比例越高，焊接电流越大，电弧面积收缩越小;比例差距越大，焊接HAZ熔深也随之增大。由表1可知，要增加焊接HAZ的熔深，就必须增加CO2的含量，最好是采用φ(CO2)100%作保护气体，但是电弧的稳定性变差，飞溅变大，合金成分不成比例烧损也随之增加;于是人们在需要焊接HAZ熔深和电弧稳定性之间陷入迷茫，难以作出选择。

从工程价值的角度上看，普通低合金高强钢采用GMAW技术是合理的，由于采用高强和等强配比，焊缝及HAZ强韧性储备较高，合金元素的烧损不会影响焊接接头的综合性能;飞溅不是焊缝质量的否决指标，通过人工处理完全可以满足技术要求;在强韧性要求较严的场合，人们更看重成本低、抗裂性能好的GMAW技术。

然而在高强钢的焊接中，尽管φ(CO2)20%+φ(Ar)80%富氩气体保护焊能满足高强钢焊接中电弧稳定和减少飞溅的部分技术要求，但是对电弧的稳定性及焊缝表面质量的高标准要求，特别是减少微合金元素的烧损，增加焊接HAZ的熔深，表1的结论无法满足，迫使人们研究更新的焊接技术。

2.2 新型脉冲MIG焊机的开发应用，为实现快速脉冲压缩电弧焊接工艺提供了技术支持

研究证实，采用新型脉冲MIG焊机，应用φ(CO2)20%+φ(Ar)80%富氩气体，实现快速脉冲压缩电弧焊接工艺是解决高强钢高品质焊接的有效途径。

脉冲压缩电弧喷射速度高，电流密度大，热损失小，稳定性强，熔深大，适合高品质焊接，特别适合高强度细晶粒钢的焊接。

采用新型脉冲MIG焊机的主要优点是可以在很低的电流下实现射流过渡。在普通直流MIG熔机，电流要在250 A以上才能实现射流过渡，而采用新型脉冲MIG焊机在60 A的电流下便可实现射流过渡。具有TIG的高质量和MIG的高效率的优点，还可实现快速脉冲压缩电弧，获得综合性能良好的焊接接头。

某厂进行Q420GJB的高速焊接试验研究工作内容如下。

(1)采用了目前国内先进的新型脉冲MIG无飞溅焊机。

新型脉冲MIG焊机(见图1)高速射流过渡无飞溅、焊缝成形美观、焊接HAZ熔深大、可全位置焊。电源采用了全桥软开关结构与数字控制相结合的方式，达到快速控制熔滴过渡的目的;高频脉冲实现一脉一滴的熔滴过渡，由于脉冲频率很高，一脉一滴的射流速度很快，在大气压下形成强大的压差，速度越高，压差越大，对射流电弧和熔滴进行有效的压缩，从而形成电流密度极高的压缩电弧，进而提高了焊接HAZ熔深，如图2所示。

图1 DSP－500MIG焊机

图2 电流密度极高的压缩电弧

这种脉冲焊接方式减少了母材的热输入，可以获得熔宽均匀、美观的纹状焊缝，还增加了熔池的搅拌作用，将金属内形成的气泡等缺陷的因素排除，同时细化了焊缝晶粒，降低了裂纹敏感性，提高了焊缝的整体质量。

2.3 采用新型无镀铜焊丝ER50－6和φ(CO2)20%+φ(Ar)80%保护气体

与镀铜焊丝相比，GMAW无镀铜焊丝的飞溅更小，在焊缝外观上最直接的表现是其焊缝的润湿性更好，焊缝更加平滑，镀铜焊丝焊缝金属凸起。无镀铜焊丝焊接后的成形更加美观，光洁性好，焊缝更加白亮。无镀铜焊丝导电性能好，试验使用和工程试用中没有出现因导电问题而产生断弧的现象，在小电流工况下优势尤为突出。浙江精工焊接实验证实，采用GMAW方法，焊接电流80 A时，GMAW无镀铜焊丝焊接稳定性大大好于GMAW镀铜焊丝;这是因为GMAW无镀铜焊丝化学膜不耐压，在不足10 V电压下就被击穿(焊接电压远远超过击穿电压)，导电性能好于GMAW镀铜焊丝。

与GMAW镀铜焊丝相比较，GMAW无镀铜焊丝焊接工艺性能良好，焊接时产生较低的飞溅和焊接烟雾，焊缝成形性良好。GMAW无镀铜焊丝彻底解决了焊丝生产和使用环节的铜污染问题，排除了对环境的污染和对焊工的身体影响的大部分因素。根据采用新型脉冲焊机的需要和研究方向，采用了φ(CO2)20%+φ(Ar)80%双元气体作为试验的保护气体。

上述组合实现了焊接优良资源的强—强联合，形成了目前高强钢焊接的前沿技术。

3 快速脉冲压缩电弧进行焊接、对比试验

为了证实快速脉冲压缩电弧焊接工艺是目前高强钢焊接最佳工艺之一，选择GMAW焊接工艺作对比试验，对其试验结果进行综合分析对比。

采用自动焊，模拟机器人焊接，如图3所示。

图3 模拟机器人设备调试现场

模拟机器人焊接的目的是最大限度排除人为因素的干扰，使试验结论更加准确，为将来机器人正式焊接提供技术储备。

试验方法使用同一设备、同一焊材、同一焊接规范进行对比，对比试验焊接规范如表2所示。

表2 试验焊接规范对比

3.1 焊接飞溅对比试验

焊接飞溅是非常明显的观感指标，如图4～图7所示。

图4 快速脉冲压缩电弧无飞溅焊接

图5 GMAW传统焊接工艺(飞溅较大)

图6 快速脉冲压缩电弧及无飞溅焊接焊缝外观(试件焊态，没有进行表面清理)

图7 用钢丝刷清理后的快速脉冲压缩电弧试件表面质量

快速脉冲压缩电弧焊接工艺几乎没有飞溅(只在坡口不均匀时稍有一点飞溅)，焊缝成形良好，观感几乎同φ(Ar)100%(TIG)焊接一样。

3.2 熔敷效率对比试验

采用相同焊接规范，Q420GJB试件、长600 mm、厚45 mm的全熔透焊缝，模拟机器人自动焊，用快速脉冲压缩电弧工艺焊接28道，常规GMAW纯CO2焊接32道，熔敷效率对比如图8所示。

图8 熔敷效率对比试验

经分析，快速脉冲压缩电弧焊接工艺较GMAW常规纯CO2焊接工艺熔敷效率提高12.5%。

3.3 焊接HAZ熔深对比试验

采用模拟机器人进行角焊缝焊接，与前述一样，使用同一设备、同一焊材、同一焊接规范进行对比。对比试验焊接规范见表2，宏观金相分析及熔深测试如图9、图10所示。

图9 快速脉冲压缩电弧焊接工艺(最大熔深4.5 mm)

图10 GMAW(最大熔深3.5 mm)

由上述可知:

a.快速脉冲压缩电弧焊接工艺焊接HAZ熔深为4.5 mm;GMAW焊接HAZ熔深为3.5 mm。

b.快速脉冲压缩电弧焊接工艺试件焊接HAZ熔深平均水平大于GMAW焊接HAZ熔深。

这一结论是焊接应用技术的一项突破，彻底释放了人们对φ(CO2)20%+φ(Ar)80%富氩气体保护焊的疑虑，试验中提高了焊接接头的综合性能，为高强钢动载焊接提供了技术支持。

3.4 快速脉冲压缩电弧焊接工件力学性能检测

快速脉冲压缩电弧焊接工艺焊接HAZ熔深大，提高了焊接接头的综合性能，试件的力学指标良好，证实了该技术的优势所在。

(1)快速脉冲压缩电弧焊接工艺试件拉伸、侧弯试验。

从理论上分析，本次试验采用低强配比，按照国际通纾惯例，焊接接头的拉伸强度不小于母材强度86%即为合格。试件检测结果见表3。

表3 快速脉冲压缩电弧焊接工艺试件拉伸、侧弯试验

由表3可知，力学拉伸弯曲指标合格，在低强配比的焊接接头中，焊缝断裂强度仍大于母材。

(2)快速脉冲压缩电弧焊接工艺试件低温冲击韧性指标检测。

焊接接头冲击韧性指标十分重要，它间接地反应了焊接接头的强韧性储备和抵抗脆断的能力。为了进一步探索快速脉冲压缩电弧焊接工艺的核心机理，把Q420GJC常温20℃冲击改变为负温(－30℃)冲击，检测指标如表4所示。

表4 快速脉冲压缩电弧焊接工艺试件低温冲击韧性指标检测

Q420GJB冲击温度的技术要求为20℃、34 J;试件的冲击温度为－30℃、均超过100 J。这一结果证实，本试验焊接接头综合性能优于传统GMAW工艺。

3.5 综合结论

a.该技术是一项综合技术，是目前焊接技术优良资产的强—强联合，其研究工作指导思想值得推广应用。

b.该项技术无飞溅，焊接HAZ熔深大，焊接效率高，焊接接头力学性能优良、可靠，是我国目前高强钢焊接的首选技术，具有较大的推广应用价值。

c.快速脉冲压缩电弧焊接工艺适合机器人自动焊。

4 快速脉冲压缩电弧立下进焊接工艺

在高强钢焊接操作技术中，目前广泛使用多层多道错位焊接技术。多层多道错位焊接技术是不完整的技术，在立焊位置从下向上焊接只能用摆动技术。这是因为目前世界上只有立下进焊条，无立下进焊丝，所以无论机器人或者人工操作只能摆动，在立焊条件下，焊接速度慢，HAZ高温停留时间长。因此，在“鸟巢”钢结构工程中，相比之下立焊的力学性能最差。

焊接工作者曾经用GMAW做过立下进焊试验，均因熔深太浅而以失败告终!

所谓多层焊技术，不是一次成形，而是多层成形，焊接运条手法允许摆动，焊接厚度一般不控制，适合低碳钢厚板焊接。

多层多道焊就是在多层焊的基础上，焊接手法上不允许摆动，焊接厚度要明确规定，以限制焊缝的热输入量，一般规定GMAW、FCAW－G每一道不超过5 mm(通常是3～5 mm);SMAW用AV值来确定每一道的厚度(AV=一根焊条所焊焊缝的长度/一根焊条除焊条头外的长度)，通常AV≥0.6;在立焊位置允许摆动，但限制摆幅(SMAW允许宽度为焊条直径的三倍，GMAW、FCAW－G允许摆动15～20 mm)。

多层多道错位焊接技术就是在多层多道焊接技术的基础上，加入焊接接头每一道次错位连接，即接头不在一个平面内，通常错位50 mm以上。这种技术特别适合于高强钢厚板的焊接。

4.1 快速脉冲压缩电弧立下进焊接试验

采用先进的新型脉冲MIG无飞溅焊机(型号:DSP－500)，其快速脉冲压缩电弧能够提高焊接HAZ的熔深。采用人工操作进行立下进焊接试验，如图11所示，焊接规范如表5所示。

图11 快速脉冲压缩电弧立下进试验

表5 立下进试验焊接规范

根据资料统计，立下进的焊接速度比向上立焊快两倍以上，盖面速度可与自动焊平焊速度相比，值得推广。

4.2 快速脉冲压缩电弧立下进焊接试验结果

(1)焊缝表面成形。

焊缝表面质量良好，如图12所示。

图12 快速脉冲压缩电弧立下进焊接试验

(2)焊缝熔深检测。

立下进焊接成功与否关键是焊接HAZ的熔深，试件熔深检测如图13所示。

图13 焊缝熔深检测

快速脉冲压缩电弧立下进焊接试件最大熔深4 mm，超过GMAW平焊最大熔深3.5 mm;最小熔深为2 mm，平均3 mm。

应用快速脉冲压缩电弧立下进焊接技术试件熔深符合强韧性要求。

(3)快速脉冲压缩电弧立下进焊接试件力学性能检测。

焊接HAZ熔深大，焊接接头力学性能良好，力学性能检测指标如图14、表6所示。

图14 力学性能检测试件

4.3 小结

a.应用快速脉冲压缩电弧进行立下进焊接，是应用技术上的一项突破，丰富、完善和发展了“多层多道错位焊接技术”，推动了技术进步。

b.快速脉冲压缩电焊立下进焊接技术能够实现焊接HAZ较大的熔深，较高的焊接速度，优秀的力学性能，完全可以取代向上摆动立焊技术，具有广泛的推广应用价值。

c.快速脉冲压缩电弧立下进焊接技术适合机器人自动立下进焊。

表6 检测报告