建筑钢结构高强钢不适合大线能量焊接

高　良，周云芳，戴为志

（1．浙江精工钢结构集团有限公司，浙江绍兴312030；2．中国工程建设焊接协会，北京100084）

建筑钢结构高强钢不适合大线能量焊接

高良1，周云芳2，戴为志2

（1．浙江精工钢结构集团有限公司，浙江绍兴312030；2．中国工程建设焊接协会，北京100084）

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，尤其是焊接性岀发。因此，建筑钢结构焊接工程所采用的钢材是钢结构焊接工程的第一质量要素。针对目前建筑钢结构高强钢焊接技术准备不足的现状，阐述了建筑钢结构高强钢不适合大线能量焊接的道理。从高强钢的基础知识到高强钢焊接技术的具体讨论进行了详细的论证。目的在于引起设计、施工焊接从业人员的注意和思考，迅速调整思路，进入到符合客观规律的正轨，从而保证工程质量和进度。

高强钢焊接；建筑钢结构；大线能量

0　前言

根据我国标准，建筑钢结构钢材分四个类别，类别越高，钢材的强度越高：第一类，以Q235为代表的优质碳素钢；第二类，以Q345为代表的高强度低合金钢；第三类，以Q420为代表的高强钢；第四类，以Q460E-Z35为代表的高强钢。

这四个类别钢材又分为A、B、C、D、E级（Q460无A、B级）；A级代表钢材无冲击韧性要求；B级代表20℃冲击韧性要求；C级代表0℃冲击韧性要求；D级代表-20℃低温冲击韧性要求；E级代表-40℃低温冲击韧性要求。

为了防止层状撕裂的产生，钢材又有厚度方向断面收缩率的要求。一般防止层状撕裂要求的钢材为Z15；较高防止层状撕裂要求的钢材为Z25；很高防止层状撕裂要求的钢材为Z35。

1　高强钢的定义

高强度钢是指屈服强度下限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称为超高强度钢。

高强度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。

金属学和热处理把“淬火+高温回火”定义为调质处理，而焊接工程中认为钢材淬火后不论经高温回火还是低温回火均为“调质”，经过“淬火+回火”的钢称为调质钢（QT钢）。

调质钢和非调质钢在力学性能、焊接性和接头性能方面有很大的差异。非调质钢的Rm≤600 MPa；而调质钢的Rm≥600 MPa。

2　高强钢焊接的主要特点

较普通低合金高强钢而言，高强钢在焊接技术上有很多特点，其中主要有：

（1）高强钢的屈强比ReL/Rm（σs/σb）是建筑钢结构抗震受力构件的设计必须考虑的重要指标，ReL/Rm不同，是否在0.85上下，直接影响焊接工艺。

（2）焊接热循环会造成高强钢合金微量元素的损失进而影响焊接接头的综合性能，必须严格控制。

（3）高强钢要控制焊接裂纹。

（4）高强钢要控制焊接热影响区的脆化。

（5）高强钢要保证焊缝金属的强韧化。

（6）必须严格控制高强钢焊接线能量，否则会降低焊接接头的综合性能。

3　建筑钢结构高强钢新钢种焊接性分析

碳及合金元素的增加往往会给钢的焊接性带来不利影响。不同钢种所出现的焊接性问题不一。在合金结构钢中，随着碳及合金元素含量增多，势必会引起接头的脆化、软化及裂纹倾向增大。这些焊接性问题的出现，往往会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期破坏。

3.1焊接裂纹

近代开发的高强钢，大多采用降低含碳量并加入多元微量合金化元素，用控轧和热处理达到控制强韧性的目的。微合金控轧控冷钢碳及杂质含量低，C、S、P等元素得到有效控制，因此焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小。但由于在成形焊接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局部偏析易引起结晶裂纹；因此，建筑钢结构在高强钢节点的焊接中禁用超大线能量的电渣焊。

随着强度级别的提高，板厚的增大，高强钢仍然具有一定的冷裂纹倾向。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，冷裂问题将越突出。

3.2热影响区的脆化及软化

高强钢焊接HAZ是组织和性能极不均匀的部位，其特点是整个HAZ同时存在脆化和软化现象。在焊接热循环的作用下，高强低碳调质钢HAZ区AC1～AC3附近区域发生脆化（即强韧性降低的现象）。即使高强低碳调质钢母材本身具有较高的韧性，结构运行中也容易在HAZ脆化严重的部位产生和发展焊接微裂纹，导致接头区域出现脆性断裂的可能性。此外，受焊接热循环的影响，高强低碳调质钢可能存在强化效果损失的现象（称为软化和失强），焊前母材强化程度越大，焊后HAZ的软化程度（失强率）越大。

热影响区的脆化是细晶钢焊接时常发生的问题，一般所用线能量越大，脆化倾向越严重。HAZ的脆化问题主要有粗晶区（CGHAZ）脆化、临界热影响区（ICHAZ）脆化、多层焊时临界粗晶热影响区（IRCGHAZ）脆化、过临界粗晶热影响区脆化（SRCG HAZ）、亚临界粗晶热影响区（SCGHAZ）脆化等。其中，CGHAZ、IRCGHAZ和SCGHAZ是微合金钢焊接时最应引起重视的脆化区域。

为防止热影响区的脆化，采用合适的焊接工艺参数并在焊接时通过调整焊接工艺参数（焊接线能量小于等于25 kJ/cm），减小高温停留时间，避免奥氏体晶粒长大；采用合适的t8/5，使HAZ获得韧化组织。

这是因为避免高强低碳调质钢HAZ区AC1～AC3区出现M-A混合组织，可改善抗脆能力，有利于提高该区域冲击韧性。实际高强低碳调质钢HAZ受到多次焊接热循环作用（即采用多层多道错位焊接技术），先焊焊道的HAZ受后焊焊道影响加热和冷却后，前次热循环脆化组织得到改善，冲击韧性明显提高。

高强低碳调质钢HAZ发生软化，与碳化物的沉淀和聚集长大过程密切相关。HAZ峰值温度直接影响奥氏体晶粒度，碳化物溶解以及冷却时的组织转变。HAZ软化最明显的部位是峰值温度处于AC1～AC3之间的区域，这与该区不完全淬火过程有密切关系。焊接HAZ区AC1～AC3温度区是不完全淬火区域，回火后的组织为铁素体，粗大碳化物和低碳奥氏体分解产物，塑性变形抗力很小，表现为软化失强，硬度明显降低。

软化区强度一定时，板厚越大，焊接线能量越小，初始预热温度越低，焊接接头的失强率越小，强度也就越大。焊接中只有设法减小软化区的宽度，才可将焊接HAZ软化的危害降到最低程度。因此，高强低碳调质钢焊接时，不宜采用大的焊接线能量或较高的预热温度。

3.3焊缝金属的强韧化

由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接时面临焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等严重问题。

对于焊缝金属强韧性配比的选择问题，长期以来高强钢焊接多采用“等强配比”（实际上无法做到、不是超强便是低强）。在高强钢焊接研究中发现，对于抗拉强度Rm≥800 MPa高强钢，除考虑强度外，还必须考虑焊接区韧性及裂纹的敏感性，为此，人们往往采用“低强配比”，低强配比的焊接接头力学性能和抗裂性能有时不比等强配比焊接接头逊色。

焊缝金属主要是通过合金化控制焊缝的组织实现强韧化。针状铁素体（AF）可以改善原始焊缝的低温冲击韧性，当焊缝中存在高比例的针状铁素体时，低温韧性显著提高；对于400 MPa级细晶钢，只要通过调整焊缝组织使其获得针状铁素体就可获得理想的强韧性，这对建筑钢结构而言已经足够。

3.4热影响区的晶粒长大倾向

高强钢的部分高强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获得，该能量在高温下可以释放，这样就会导致在焊接条件下产生的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，形成硬度低于母材金属的区域，即软化区。软化降低了接头的强度，如在埋弧焊条件下，板厚为40 mm的焊接接头中会出现强度下降25％的软化区。

对于超细晶粒钢，焊接时均会出现严重的晶粒长大倾向。既会造成HAZ的脆化，还会导致HAZ的软化。

如前所述，在建筑钢结构焊接工程中，控制焊接线能量十分重要。无论在理论还是实际工作中，对新一代钢种都有一个认识过程，即施工单位在相当长的时期内，都要进行了解和掌握新一代钢种的相关试验研究工作，特别是同新一代钢种相配套的焊接材料的开发研究以及目前焊接材料的配比的焊接工艺评定。

4　国内常用钢材焊接技术的探讨

根据GB50661-2011《钢结构焊接规范》钢材分类，第三类Q420开始己经进入高强钢焊接领域，如表1所示。

国内学者认为，目前提高高强钢焊接效率有三个途径：a.采用科学合理的焊接工艺；b.采用大线能量承受能力强的钢材；c.采用先进设备。

4.1采用科学合理的焊接工艺

高强钢焊接不宜摆动，正确的操作方法就是“多层多道错位焊接技术”。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，一般不控制焊接厚度，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，以限制焊缝的线能量，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。

4.2采用大线能量承受能力强的钢材

国内研制了一种大线能量低焊接裂纹敏感性压力容器用钢，研究了母材及其焊接粗晶热影响区（CGHAZ）的微观组织结构特征及力学性能，结果表明：研制的新钢种集高强度（σs≥490 MPa、σb≥610～730 MPa）、高韧性（-20℃横向Akv≥47 J）、优异的焊接性能于一体，且能承受大线能量（50～100 kJ/cm）焊接。CGHAZ中弥散分布稳定的复合氧化物夹杂物促使针状铁素体的形成，针状铁素体的数量与输入线能量有关并显著影响CGHAZ的力学性能，如表2所示。

表1　常用国内钢材分类

表2　常见钢种类别性能

4.3采用先进设备

众所周知，企业技术进步的三大要素是：工艺装备；人员素质；科技成果的开发与应用。对钢结构焊接工程而言，推动企业的技术进步首先是设备和焊材，而焊接工艺就是它们的灵魂。

建筑钢结构焊接工程在拼装和安装阶段采用GMAW、FCAW-G（F、H、V）和SMAW（O）技术，因为厚板长焊缝和露天作业，所以对焊机有很高的技术要求：焊机能够承受大规范、快速、长时间、不间断的焊接，焊机在上述工况下，在50～70 m内不产生影响焊接规范的电压（流）降，且各项指标稳定可靠；焊机还要承受酷暑严寒、风吹雨打和因频繁转场而发生的碰撞，且性能不变。

因此，要求焊接设备具有良好的适应性、可靠性、先进性、经济性以及高的自动化程度，同时要求焊材同钢材匹配，其熔敷金属的化学成分逐渐向母材接近。

4.3.1高强钢焊接对SAW及机器人自动焊设备的要求

由于建筑钢结构工程构件不固定，钢结构焊接生产的自动化难度很大。为了提高工效，人们设法提高现有自动焊设备的熔敷效率，先后开发了SAW双丝双弧焊机（粗丝、细丝）、SAW双丝单弧焊机（细丝）、SAW三丝三弧（细丝）焊机，推动了技术进步，如图1、图2所示。

图1　SAW双丝单弧（细丝）（优点：熔敷效率高）

图2　SAW双丝双弧（粗丝、细丝）（优点：抗气孔能力强）

（1）粗丝、细丝自动焊设备应用。

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由数学公式推算，焊丝直径增加一倍，截面积增加四倍，焊接熔敷效率也会增加四倍。于是，焊丝进一步加粗，相应设备应运而生。

SAW双丝双弧（粗丝）焊机的出现，对提高生产效率起到很大作用。但是，由于焊丝直径大，电流密度较细丝小，焊接速度较慢，因此对母材的焊接热输入显然大于细丝焊机。在焊接屈服强度超过400 MPa带有淬硬倾向的钢材时更应慎重。

SAW双丝双弧、单弧（细丝）焊机正好弥补了这些不足，由于电流密度大、温度高、焊接速度快，因此对母材的热输入小，特别适合高强钢的焊接，如图3所示。

图3　SAW双丝单弧（细丝）焊机焊接实况

利用双丝双弧焊可提高焊缝及熔合区韧性，获得理想的焊缝强度。

试验证实，焊丝直径为2 mm的双丝双弧焊机焊接的焊接接头质量，优于焊丝直径为2 mm单丝单弧焊机焊接的焊接接头质量，更优于焊丝直径为5 mm单丝单弧焊机焊接的焊接接头质量。另外，双丝双弧焊的总线能量E比单丝单弧焊大得多，因而焊接生产率高得多，但熔合区及热影响区的热输入反而相对较小，韧性也相当高，这是由于细丝熔敷率的提高和双丝双弧焊热量分散并形成狭长的温度场所致。由此可知，双丝双弧焊机会成为将来提高焊接接头综合性能的途径。

（2）新型多头、多丝SAW焊机的研制开发。

根据双丝双弧（细丝）SAW焊机工作原理，相关部门应当着手研究一种高效、低热输入的多头多丝焊机。

理论和实践证实，在SAW双丝双弧（单弧）细丝焊机的基础上，开发研究多丝、多弧高效低线能量焊机完全可能；国外在这方面有很大进展，如图4所示。

（3）建筑钢结构焊接自动化。

自动焊是一种借助于机械和电气等方法使焊接过程实现自动化、程序化的焊接施工方法。该技术对操作人员的焊接技术水平要求较低，焊接过程中受人为因素的影响小，并具有焊缝成形美观、焊接过程稳定、焊接效率高等优势。在厚壁、长焊缝、多位置焊接的建筑钢结构工程建设中，自动焊具有很大的应用空间。

据查，目前世界工业发达国家焊接自动化程度已达80％，因此在工效和质量上都有很大的优势。而在我国按手工焊和自动焊消耗的焊材估算，名义上焊接自动化程度为30％，存在很大差距。随着建筑焊接结构朝大型化、重型化、高参数精密化方向发展，焊接手工操作的低效率和质量不稳定往往成为生产效率的提高和产品质量稳定性的最大障碍。为适应高强、厚板、长焊缝的特殊要求，焊接水平特别是自动焊水平的提高是实现钢结构技术快速发展的关键，因此，提高我国焊接自动化程度已经成为一项刻不容缓的重要任务。

图4　国外的多丝多头SAW焊机

焊接机器人是指具有三个或三个以上可自由编程的轴，并能将焊接工具按要求送到预定空间位置，按要求轨迹及速度移动焊接工具（焊枪）的机器。

机器人自动焊接首要条件是工件相对固定，然而建筑钢结构焊接工程很难做到这一点。

在箱型杆件的焊接中有工厂耗重资进口了伊萨的双头自动焊机，大大提高了焊接质量和生产率。而要进一步实现箱型杆件的高水平机器人自动焊，就需要适应厚板长焊缝带有智能化的爬行机器人。

国外已有能够自动检测焊接坡口形状、长度、厚度，并自动调节焊接参数，自动进行焊接直到全部焊完的“迷你”型机器人，这正是建筑钢结构所需要的机器人。国内虽然已经进入示教机器人领域，但同国外相比尚有一定差距。

4.4高强钢焊接对焊材的具体需求

由于冶金技术取得长足进步，新钢种层出不穷，而同钢材技术进步相比较，焊材的研究开发的过程存在较大的差距。首先是研发进度上的不同步，不能满足焊接质量和工艺上的要求，在国产匹配中，有钢材没焊材；其次，有的焊材的韧性指标远远低于等强母材的指标，在控制杂质元素上，焊缝中的杂质明显高于母材，这些不对等的指标或要求主要源于焊材本身性能上的差距，达不到母材的技术要求，所以在钢结构焊接工程中，不得不降低标准。

借鉴钢铁冶金行业的技术成就，焊材研发的技术进步也应该是，充分考虑熔池纯净化、晶粒细化、微合金化和组织调控方法。如在SAW焊接中，采用微合金化的焊丝配碱性烧结焊剂是焊接材料与母材合理匹配，能获得综合性能良好的焊接接头。

有研究表明，在高强钢的焊接中，应用金属粉芯焊丝气体保护焊来代替工厂焊接中的手工焊和CO2气体保护焊能够显著提高焊缝性能，通过调整金属粉芯焊丝中Mo、B、Ti、Re的含量可以在大线能量下将针状铁素体含量由20％增加到90％，因而可使vTs脆性转变温度由0℃降到-60℃。

目前，在高强钢的焊接中，焊接工艺和技术上已经有一些阶段性成果：

（1）低强匹配。焊缝强度低于母材的匹配称为低强匹配（焊缝强度高于等于母材强度的0.86）。如采用590 MPa级的焊材焊接780 MPa的钢材，能够获得良好的焊接质量。

（2）异质焊材匹配。焊接9Ni钢时选用镍基合金焊接材料，效果较好。

（3）采用多层多道错位焊接技术能获得理想晶粒度和良好的冲击韧性指标。

（4）推广采用导电性能好、飞溅少、工艺性能好、污染少的新型焊材无镀铜焊丝。无镀铜焊丝是我国乃至世界焊材的发展方向。焊丝工艺性好；抗锈能力强；小电流时导电率比镀铜焊丝好；熔敷金属有良好的低温冲击性能；焊接过程中不堵塞导电嘴而使焊接顺利进行全自动贴角焊工艺；全自动不清根板对接接头工艺；全自动不清根角接接头工艺；成本低。因此，无镀铜焊丝它是一种理想焊接材料。

上述方法对解决目前高强钢焊材“无米之炊”是值得借鉴的。

纵观建筑钢结构全行业，推动焊接技术进步的压力和难度都很大。但是，在实现中华民族复兴的伟大事业中，随着时间的推移，焊接工艺的日趋成熟、先进，必将推动焊接先进工艺的研究和设备、焊材的研制，会出现更多的新工艺、新设备和新焊材，我国焊接技术必将产生质的飞跃。

Construction of high strength steel is not suitable for steel structure of large line energy welding

GAO Liang1，ZHOU Yuanfang2，DAI Weizhi2
（1．Jinggong Steel Building Group，Shaoxing 312030，China；2．CECWA，Beijing 100084，China）

In construction steel structure welding engineering，steel is the first object of welding，all welding process must be from the characteristic of steel，especially the weldability file，therefore，construction steel structure welding engineering steel is welded steel structure adopted by the engineering quality of the first elements.In this paper，aiming at the current situation of the construction technology of high strength steel welding steel structure to inadequate preparation，this paper expounds the construction of high strength steel is not suitable for steel structure of large line energy welding.Starting from the identity of the basic knowledge of high strength steel welding technology to the specific discussion of the auspicious fine argument.The purpose is to attract the attention of design，construction welding workers and thinking，quickly adjust to the idea，on track to conform to the objective laws，to ensure the engineering quality and progress.

high strength steel welding；steel structure；great line energy

TG457.11

A

1001－2303（2016）02－0001-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.01

2015－09－26；

2015－12－20

高良（1979—），男，浙江萧山人，学士，高级工程师，现任长江精工钢结构（集团）股份有限公司总师办主任，先后获得浙江省技术发明二等奖一项，浙江省科技进步三等奖二项，中国钢结构协会科技进步一等奖一项，主要从事钢结构焊接及管理方面的工作。