钢结构高强钢焊接性及关键技术

2020-07-08戴为志

金属加工(热加工) 2020年7期

戴为志

中国工程建设焊接协会北京 100082

高强度钢通常指屈服强度≥390MPa、抗拉强度为500~1200MPa，并考虑焊接性而生产制造的钢材。抗拉强度≥1200MPa一般称为超高强度钢。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。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。非调质钢的抗拉强度≤600MPa；而调质钢的抗拉强度≥600MPa。在GB/T 1591—2018 《低合金高强度结构钢》标准中设立的Q355、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690等8个牌号属高强钢范畴。

1 高强钢的焊接特性

近代开发的高强钢，大多采用降低碳含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。

高强钢焊接HAZ组织主要受母材的化学成分和焊接热循环条件影响。焊接HAZ各部位的热循环不同，导致焊接HAZ是多种显微组织共存的区域。靠近熔合线附近加热温度高，奥氏体晶粒明显长大。如果钢中合金元素含量减少，铁素体容易长大成魏氏体组织；若钢中合金元素种类多或合金元素的含量高，将形成贝氏体、马氏体和岛状马氏体组织。熔合区附近HAZ过热区对焊接接头的性能有至关重要的影响，在相同冷却速度下，晶粒越粗大越易于获得马氏体，见表1。

1.1 高强钢热裂纹倾向

微合金控轧控冷钢的碳及杂质含量低， C、S、P等元素得到有效控制，为了保证良好的综合性能和焊接性，要求钢中添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B及Cu等，添加这些合金元素主要为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。这些元素可以推迟珠光体和贝氏体的转变，使产生马氏体转变的临界冷却速率降低。由于碳含量低，淬火后得到低碳马氏体，而且会发生“自回火”现象，脆性小，具有良好的焊接性，因此焊接时热裂纹（液化裂纹和结晶裂纹）倾向很小。

表1 高强钢（调质）焊接接头HAZ各特征区的温度和特征

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热输入埋弧焊时，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。

1.2 焊接高强钢重点防止冷裂纹的产生

由于高强钢具有淬硬倾向，是冷裂纹产生的必要条件，同普通低合金钢相比，在扩散氢、拉应力场的共同作用下极易产生冷裂纹；近期桥梁及建筑钢结构高强钢（Q390、Q420）焊接工程中不断出现冷裂纹便是最好的例证。

随着强度级别的提高，板厚的增大，冷裂纹倾向变大。热输入小，冷却速度较快，熔敷金属氢含量高，会增加冷裂纹的敏感性，强度越高，冷裂问题将越突出。

1.3 高强钢焊接脆断倾向

高强钢在成分和热轧工艺上的特点，使韧性得到了很大的改善，但是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。在焊接条件下，高强钢热影响区中会形成局部脆化区，这些局部脆化区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4个部位被认为是关键部位。

热影响区的脆化是细晶钢焊接时常常发生的问题，一般所用的热输入越大，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（SRCGHAZ）及亚临界粗晶热影响区（SCGHAZ）脆化等。其中，CGHAZ、IRCGHAZ和SCGHAZ的脆化是微合金钢焊接时最应引起重视的脆化区域。

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同时存在着脆化和软化现象。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）。既使高强低碳调质钢母材本身具有较高的韧性，结构运行中焊接微裂纹也容易在HAZ脆化严重的部位产生和发展，导致接头区域出现脆性断裂的可能性。

为防止热影响区的脆化，采用合适的焊接参数焊接时（焊接热输入≤20kJ/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。

1.4 高强钢焊接软化倾向

受焊接热循环的影响，高强低碳调质钢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。

高强调质钢HAZ发生软化，与碳化物的沉淀和聚集长大过程有密切联系。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，回火后的组织是铁素体，粗大碳化物及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，焊接热输入越小，初始预热温度越低，焊接接头的失强率越小，强度也就越大。

焊接中只有设法减少软化区的宽度，即可将焊接HAZ软化的危害降到最低程度。因此，在高强调质钢焊接时，不宜采用大的焊接热输入或较高的预热温度。

热轧及正火条件下，合金元素对塑性和韧性的影响与其强化作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性降低越多，当钢中合金元素的含量超过一定范围后，会出现韧性大幅度下降的现象。因此，抗拉强度＞600MPa的高强钢一般都需要进行调质处理；我国的高强钢抗拉强度一般为600～1200MPa；但对于抗拉强度＞800MPa的调质高强钢，焊接HAZ区，特别是HAZ粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向。对焊后不进行热处理的焊件，必须严格控制焊接区的扩散氢含量以及选择合适的焊接方法、焊接热输入以及最佳焊接参数。

1.5 高强钢细晶粒特性对焊接的特殊要求

高强钢为细（超细）晶粒钢，焊接时均会出现严重的晶粒长大倾向。这不仅会造成HAZ的脆化，还会导致HAZ的软化。不同的焊接工艺会产生不同的晶粒度。

由于高强钢材料晶粒极度细化，焊接时面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等问题。高强钢的强度、细化晶粒等指标同钢材的微合金元素直接有关，焊接会造成合金元素的损失。

试验结果表明，晶粒粗大能使其脆性解理断裂的危险性增大：随着晶粒尺寸的增大，临界断裂应力σo下降，发生脆性解理断裂的危险性增大。晶界上夹杂物的聚集使材料塑性大为降低。由于晶粒尺寸与晶面尺寸总面积成反比，所以晶粒尺寸越小，脆断危险性也越小；表面能γ值越大，σo也越大，从而降低脆断危险性。另外，γ值又与晶界上的夹杂物状态有关，晶界尺寸增大，γ值减小。此外，晶粒尺寸增大，在一个晶粒内的位错塞积随之增强，塞积尖端的应力集中程度增加，因而解理脆断的危险性也越大。

对于目前大量应用的结构钢，断裂强度取决于晶粒尺寸，钢的力学性能与晶粒尺寸平方根的倒数成反比；焊接结构使用的材料，绝大多数为轧制钢板、型材和管材，以及锻件和铸件。在加工过程中，经过冷热变形，产生各向异性，导致晶粒和晶轴偏向某一方向，或形成织构，出现金属纤维化。此时，晶粒被拉长，形成线状和带状夹杂物和第二相粒子。因此，在轧制过程中金属的“流动”方向对材料性能有明显影响。沿平行于和垂直于轧制方向取样，材料的强度、塑性和韧性必然有所不同。

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度，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400MPa级细晶钢，只要通过调整焊缝组织使其获得针状铁素体即可获得理想的强韧性。

1.6 重视高强钢焊接强度配比的研究

对于焊缝金属强度选择问题，传统观念及有关规定大多主张“等强配比”或“超强配比”，认为焊缝强度高一些更为安全。但是，近年来美国、日本等国家工程技术人员从防止冷裂纹的角度考虑，对“低强配比”焊接接头组织性能进行了研究并取得进展。选用“低强配比（0.86）”焊材使焊接裂纹显著减少，这一发现已在工程应用中获得成功。该研究主要适用于承受压应力的焊缝，对于承受拉应力的焊缝，这方面的研究结果尚有较大分歧。

在高强钢焊接研究中发现，对于抗拉强度≥800MPa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”；但有时低强配比的焊接接头力学性能和抗裂性能，比“等强配比”所得焊接接头更优异。

“低强配比”焊材并不意味着焊接接头强度一定低于母材。这是因为理论上的强度配比不等于焊接接头实际的强度配比，在工程中通常是按产品样本规定的熔敷金属名义保证值（或焊材标称强度）选择焊材。但是，焊缝强度不同于熔敷金属强度。事实上焊缝金属的实际强度往往超出熔敷金属的保证值。按名义强度选择的低强焊接材料，实际所得到的焊缝强度未必低强。

考虑冶金因素、熔合比（稀释率）和力学上的拘束强化效果，高强钢焊缝的实际强度可能远远高出熔敷金属的名义保证值。因此，选用“低强配比”的焊材，焊接接头实际强度未必低强，可能等强，甚至稍许超强；而按“等强配比”选择焊材则可能造成超强过多的效果，造成焊缝金属强韧性和抗裂性的下降。

2 高强钢焊接的主要关键技术[1]

试验证实：高强钢焊接接头一次焊接成功所获得的焊缝，比返工后一次成功的焊缝的综合指标要好很多。因此，行业中对高强钢焊缝中存在不是裂纹的超标焊缝“紧急放行”的作法值得肯定。

完全可以这样理解：高强钢焊接接头的强度、细化晶粒等指标同钢材的微合金元素直接有关，焊接热循环会造成合金元素的损失。因此，多一次热循环，合金元素的损失会增加，对焊接接头质量不利，必然降低焊接接头的综合性能。

焊接过程中，除焊材中水分蒸发外，金属元素和熔渣中各种成分在电弧高温下也会蒸发成为蒸气。沸点越低的物质越容易产生蒸气。从图1可看出，Zn、Mg、Bb、Mn等部分元素的沸点较低，因此在熔滴形成和过渡过程中最易蒸发。氟化物也因沸点低而易于蒸发。

图1 各类元素沸点比较

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（工程实践中称为微合金元素烧损）；于是便形成了高强钢焊接的第一问题：有用元素蒸发不仅造成合金元素损失，影响焊接质量，还增加了焊接烟尘，污染环境，影响焊工健康。

2.1 减少高强钢焊接热循环次数的关键环节

（1）在钢结构的下料工艺中采用新技术传统燃气下料切割是钢结构焊接接头的第一次热循环。研究中发现：在切割带淬硬倾向钢材时，切割表面形成近1mm的淬硬层，对焊接及其不利。在研究高强钢焊接性试验中，认为以下4种方式可避免和减少下料切割工序热循环的影响。

1）水切割：这种技术是采用300MPa以上带磨料的高压水切割钢板，由于切割口完全没有热影响区，避免了一次热循环。这种技术适合中薄板高强钢的下料切割，在国外已被大量采用（见图2）。

图2 水切割设备（展品）

2）水下等离子切割：切割口几乎没有热影响区，已被国内外大量采用。

3）机械加工：几乎没有热影响区。

4）火焰切割后机械磨除淬硬层：可以减少下料切割工序热循环的影响。目前，在我国大量采用此种技术，但由于受人为干扰因素大，所以质量问题时有发生。

（2）减少或取消碳弧气刨碳弧气刨的热循环形式虽然不同于焊接，但碳弧气刨瞬间热输入比普通焊接大很多。在钢材气刨热影响区中，仍然是和焊接相似的热循环，同时气刨表面硬度增加，焊缝会有渗碳层出现；碳弧气刨噪声、粉尘、比焊接明亮数倍的弧光，也会形成综合污染，影响环境和焊工健康，同时造成极大浪费，增加工程成本。

综上所述，在高强钢焊接性试验的研究中，提出了“减少或取消碳弧气刨”的观点。因此，碳弧气刨技术在高强钢的焊接工程中，正在逐渐缩小应用范围。

减少或消除碳弧气刨的途径是在钢结构制作、安装工程中，采用“不清根”焊接技术。例如：双面双弧同步同向打底成形技术，焊接试验如图3所示。该技术是一项专门技术，可取代技术难度较高的单面焊双面成形技术，广泛应用在全熔透对接立焊缝、全熔透T形角焊缝，以及特殊条件下的平焊对接焊缝。由于焊缝在打底成形之后直接进行填充、盖面，取消了碳弧气刨清根工序，大大提高了工效，同时降低了工人单面焊双面成形技术难度，保证了焊接质量，因此具有极大的推广应用价值。

图3 双面双弧同步同向打底成形技术试验

在“鸟巢”钢结构焊接工程中率先采用了“双面双弧同步同向打底成形技术”，获得成功（见图4）[2，3]。

图4 “鸟巢”13号柱脚双面双弧同步同向打底成形技术

双面双弧同步同向打底成形技术无淬硬组织生成。前电弧对后电弧有预热作用，而后电弧对前电弧有后热作用，正因为这个双面双弧同步同向打底成形技术特性，尤其在厚板高强钢上，使焊缝区的扩散氢有更多的逸出时间，焊缝组织出现针状铁素体，淬硬倾向小，同时焊接同向收缩，焊后残余应力小，因此更适合大厚板高强钢的焊接，同时此种技术也适合于机器人自动化焊接。

2.2 高强钢焊接必须采用多层多道错位焊接技术

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”。为了证实上述观点，在高强钢焊接工艺研究中进行了一系列试验。

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，一般规定：GMAW、FCAW-G每一道不超过5mm（通常是3~5mm）；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3倍；GMAW、FCAW-G允许摆动15~20mm。

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50mm以上。这种技术特别适合于高强钢厚板的焊接。

在焊接过程中，一次结晶对焊缝金属组织有较大影响，主要影响因素有气孔、裂纹和偏析，其中偏析影响最大。大摆动焊接时，由于焊接速度过慢，导致焊接热输入过大，焊接接头在高温停留时间过长，过热现象越严重，晶粒粗大，极易产生偏析严重的柱状晶，因而塑性和韧性下降越明显，甚至造成冷脆。

在焊后冷却过程中，焊缝从接近基本金属开始凝固，单道焊的组织为典型的柱状结晶，且共晶粒通常是沿等温曲线法向方向（即最大温度梯度方向）长大。由于凝固是从纯度较高的高熔点物质开始，所以在最后凝固部分及柱状晶的间隙处，便会留下低熔点不纯物质。在多层焊时，对前一道焊缝重新加热，加热超过900℃的部分可以消除柱状晶并使晶粒细化。因此，多层焊比单层焊的力学性能要好，特别是冲击韧度有显著的提高。

3 快速压缩脉冲电弧适合高强钢焊接[4]

众所周知：GMAW是理论上的无氢焊接，具有抗裂性强、熔深大、抗疲劳及焊接效率高等优点；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，所以焊缝成形较差。为了克服GMAW缺点，目前在国内外，特别在欧洲正在深入研究高强钢的富氩气体保护焊接技术，并取得重大突破。

在我国，人们开始使用双元-三元气体保护，以改善喷射过渡形式，确实取得了一定效果，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，应当考虑采用性能优良的设备，配以己经成功的二元气体，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，对焊接电弧有强烈冷却作用，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，焊接宽度明显降低，电弧面积明显收缩，见表2。

表2 富氩CO2气体保护焊气体比例与电弧形态关联性

一般说来，在焊接过程中，在相同焊接参数的前提下，电弧面积越小，电弧密度也就越大；同时也发现：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。根据表2结论，要增加焊接HAZ的熔深，就必须增加CO2的含量，最好是100%采用CO2作为保护气体，然而电弧的稳定性会变差，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。

3.1 新型脉冲MIG焊机高速射流过渡

新型脉冲MIG焊机高速射流过渡无飞溅、焊缝成形美观、焊接HAZ熔深大、可全位置焊接。在电源上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过程的目的。由于脉冲频率很高，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（高速脉冲压缩电弧），进而提高了焊接HAZ熔深（见图5）。

图5 电流密度极高的高速脉冲压缩电弧

这种脉冲焊接方式减少了母材的热输入，可获得熔宽均匀、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影响因素排除，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。为了证实高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，选择了GMAW焊接工艺作对比试验，对其试验结果进行综合分析对比。

试验方式：采用自动焊模拟机器人焊接（见图6）。

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，表面焊接质量几乎同100%Ar（TIG）焊接一样（见图7）。