Q355鋼焊接性及其與Q345鋼焊接技術(shù)的關(guān)鍵比較

陳浩 張曉 朱瑞芳

摘要：根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1591-2018《低合金高強(qiáng)鋼》和建筑鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，從鋼材的化學(xué)成分入手分析 Q355和 Q345的本質(zhì)區(qū)別，基于碳當(dāng)量概念進(jìn)一步闡述 Q355低碳、微合金、純凈化、細(xì)晶粒特點(diǎn)，進(jìn)一步論證了Q355是典型的細(xì)晶粒新鋼種這一客觀事實(shí)。分析認(rèn)為：高強(qiáng)鋼種焊接接頭的強(qiáng)度、細(xì)化晶粒等指標(biāo)與鋼材的微合金元素直接有關(guān)。焊接熱循環(huán)會(huì)造成合金元素的損失，因此，多一次熱循環(huán)，合金元素的損失會(huì)增加，必然降低焊接接頭的綜合性能，這就是焊接 Q355鋼的關(guān)鍵所在。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼;化學(xué)成分;合金系列;碳當(dāng)量;焊接技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TG457.11????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：1001-2303（2022）02-0109-05

Weldability of Q355 Steel and Key Comparison of Welding Technology between It and Q345 Steel

CHEN Hao， ZHANG Xiao， ZHU Ruifang

Meijian Building Systems （China） Co.， Ltd.， Shanghai 201199， China

Abstract： According to the national standard GB/T1591-2018"Low-alloy High-strength Steel" and the examples of steel structure construction， this paper analyzes the essential difference between Q355 and Q345 based upon the chemical compo‐ sition of the steel. It further expounds upon the characteristics of Q355 low carbon， micro-alloy， pure purification and fine grain with the concept of carbon equivalent， which illustrates the objective fact that Q355 is a typically new type of fine grain steel. Based on the analysis， this paper only considers that the strength and grain refinement of the welded joints of high-strength steel are directly related to the micro-alloyed elements of steel. The welding thermal cycle will cause the loss of alloying elements. Therefore， the loss of alloying elements will increase after one more thermal cycle， which is unfavor‐ able to the quality of welded joint and will inevitably reduce the comprehensive properties of the welded joint. This is the key to welding Q355 steel.

Keywords： high-strength steel; chemical composition; alloy series; carbon equivalent; welding technique

引用格式：陳浩，張曉，朱瑞芳. Q355鋼焊接性及其與Q345鋼焊接技術(shù)的關(guān)鍵比較[J].電焊機(jī)，2022，52（2）：109-113.

Citation：CHEN Hao， ZHANG Xiao， ZHU Ruifang. Weldability of Q355 Steel and Key Comparison of Welding Technology between It and Q345 Steel[J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（2）：109-113.

0? 前言

我國(guó)自2019年起不再生產(chǎn) Q345鋼，其應(yīng)用由 Q355取代。由此，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)全面進(jìn)入高強(qiáng)鋼焊接時(shí)代，這也是我國(guó)鋼材與國(guó)際接軌的重大舉措。根據(jù)高強(qiáng)鋼的相關(guān)技術(shù)內(nèi)涵，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1591-2008《低合金高強(qiáng)鋼》的全部鋼種均屬于高強(qiáng)鋼范疇，可是在貫徹標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中錯(cuò)誤地將 Q355認(rèn)同為 Q345的升級(jí)，認(rèn)為 Q345強(qiáng)度上限就是 Q355，于是采用Q345的焊接技術(shù)來(lái)焊接 Q355，焊接質(zhì)量不如人意。

由于對(duì)Q355鋼的特殊地位及其高強(qiáng)細(xì)晶粒鍋的特性不了解，加上貫徹相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)宣講觀點(diǎn)上的不準(zhǔn)確，施工單位幾乎沒(méi)人對(duì)此進(jìn)行分析研究，對(duì)上述“Q345強(qiáng)度上限就是 Q355”的觀點(diǎn)信以為真，于是違背客規(guī)律的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因而造成一些焊接質(zhì)量問(wèn)題。

1? 用Q345的焊接技術(shù)和工藝方法焊接Q355失敗的案例

（1）案例1：某單位采用埋弧焊做 Q355對(duì)接全熔透焊縫焊接工藝評(píng)定，焊絲為H08MnA，焊劑為 HJ431，其結(jié)果是力學(xué)性能不過(guò)關(guān)，最差的是沖擊韌性。當(dāng)改用H10Mn2焊絲、SJ101焊劑后，在焊接規(guī)范沒(méi)有變化的前提下，所有的力學(xué)指標(biāo)全部合格。

分析認(rèn)為：Q345適合高錳高硅焊劑和H08A焊絲，Q355則不適合，因?yàn)?Q355所含的氣體和雜質(zhì)少，顯然高錳高硅焊劑是不合適的，08焊絲屬沸騰鋼焊絲（沸騰鋼是指煉鋼時(shí)未能很好脫氧的鋼，沸騰鋼中的孔多，使結(jié)構(gòu)疏松，偏析也多，質(zhì)量較差，可用于不十分重要的鋼結(jié)構(gòu)中），有害氣體含量較高，這樣的配比焊接Q355會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

（2）案例2：某工廠(chǎng)采用SAW技術(shù)焊接Q355，焊絲為H08MnA，焊劑為HJ431，產(chǎn)生的裂紋如圖1所示，該裂紋十分特殊，比較接近熱裂紋，但區(qū)別于熱裂紋，這種裂紋形態(tài)是在焊絲和焊劑錯(cuò)誤的情況下產(chǎn)生的，其產(chǎn)生機(jī)理需進(jìn)一步研究。當(dāng)釆用H10Mn2焊絲，SJ101焊劑后，裂紋消失。

（3）案例3：在某工程工地上，Q355與鑄鋼件的焊接出現(xiàn)裂紋，如圖2所示。工地技術(shù)人員按Q345的成熟工藝焊接此接頭，焊完一半后停工，再次焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋。這個(gè)案例比較特殊，因?yàn)楹附庸に囉绣e(cuò)誤，但在以前用此工藝焊接 Q345和鑄鋼件并沒(méi)有出裂紋，分析認(rèn)為是Q355比Q345特殊，兩種錯(cuò)誤疊加產(chǎn)生了熱裂紋。

綜上所述，工程實(shí)踐證實(shí)，不能完全照搬Q345的技術(shù)來(lái)焊接Q355，因?yàn)镼355不是Q345的升級(jí)。

2 ??Q355鋼焊接性分析

鋼的化學(xué)成分決定了鋼的焊接性，鋼的合金化程度決定了鋼的特性。

2.1? 鋼中細(xì)化晶粒度的微合金化元素

鋼是鐵和碳（<2.1%）的合金，在工業(yè)用鋼中尚存在少量非有意加入的其他元素，例如一般含量的硅、錳、硫、磷等，這些元素通常稱(chēng)為常存元素或殘余元素。為了達(dá)到合金化的目的，即為改善或獲得鋼的某些性能，在冶煉過(guò)程中有意加入的元素稱(chēng)為合金元素。它們?cè)阡撝械暮扛饔胁煌?，有的可高達(dá)百分之幾十，有的則低至十萬(wàn)分之幾，含量低的元素就是所說(shuō)的微合金。微合金化元素在鋼中的作用主要是細(xì)化晶粒，阻礙再結(jié)晶進(jìn)行以及析出強(qiáng)化。

為了保證良好的綜合性能和焊接性，要求鋼中的含碳量不大于0.22%（實(shí)際上w（C）≤0.18%）。此外，添加一些合金元素，如 Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、 B、Cu等，這些元素可以推遲珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變，使產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率降低，以提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩(wěn)定性。

根據(jù)有關(guān)資料介紹，微合金在細(xì)化晶粒方面有幾種元素的作用十分明顯，比如鋁（Al），其熔點(diǎn)660℃，主要作用是脫氧和細(xì)化晶粒;鎳（Ni），熔點(diǎn)1 453℃，擴(kuò)鎳細(xì)化鐵素體晶粒，可改善鋼的低溫性能，特別是韌性;鈦（Ti），熔點(diǎn)1 812℃，由于它能細(xì)化鋼的晶粒并成為奧氏體分解時(shí)的有效晶核，反而降低鋼的淬透性，鈦含量高時(shí)析出彌散分布的拉氏相產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化作用;釩（V），熔點(diǎn)1 730℃，釩細(xì)化鋼的晶粒，可提高晶粒粗化溫度，從而降低鋼的過(guò)熱敏感性，并提高鋼的強(qiáng)度和韌性。

Q355鋼含有上述所有元素。Q355、Q390、Q420、 Q460鋼的化學(xué)成分如表1所示。

由表1可知，Q355是典型的細(xì)晶粒新鋼種，與 Q390、Q420、Q460鋼同為微合金強(qiáng)化系列，這是其與 Q345的最大區(qū)別。Q355和 Q345鋼的性能差別很大，特別是 Q355M鋼為 TMCP鋼（thermo-mecha- nical processed，也稱(chēng)“控制軋制”），具有一定的特殊性。 Q355M 除具有低碳、微合金性能外，S、P含量很低，晶粒度小，碳當(dāng)量和其他牌號(hào)的高強(qiáng)鋼幾乎相同，也就是說(shuō)其焊接性相似。因此，Q355M具有“低碳、微合金，純凈化、細(xì)晶?！钡奶攸c(diǎn)，除實(shí)際強(qiáng)度稍低外，其他基本符合高強(qiáng)鋼的基本特性，因此， Q355為高強(qiáng)鋼，焊接技術(shù)來(lái)不得半點(diǎn)馬虎。

2.2 ??Q355和Q390碳當(dāng)量CEV（Ceq）對(duì)比

衡量鋼材焊接性的重要指標(biāo)就是碳當(dāng)量。鋼的碳當(dāng)量就是把鋼中包括碳在內(nèi)的對(duì)淬硬、冷裂紋及脆化等有影響的合金元素含量換算成碳的相當(dāng)含量。通過(guò)對(duì)鋼的碳當(dāng)量和冷裂敏感指數(shù)的估算，可以初步衡量低合金高強(qiáng)度鋼冷裂敏感性的高低，這對(duì)于焊接工藝條件如預(yù)熱、焊后熱處理、線(xiàn)能量等的確定具有重要的指導(dǎo)作用。20世紀(jì)50年代初，鋼的強(qiáng)化主要采用碳、錳，在預(yù)測(cè)鋼的焊接性時(shí)，應(yīng)用較為廣泛的碳當(dāng)量公式主要有國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）所推薦的公式和日本JIS 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公式。20世紀(jì)60年代以后，人們?yōu)楦倪M(jìn)鋼的性能和焊接性，大力發(fā)展了低碳微量多合金之類(lèi)的低合金高強(qiáng)度鋼，同時(shí)又提出了許多新的碳當(dāng)量計(jì)算公式。對(duì)于低合金鋼，碳的含量影響最大，它決定鋼的“淬硬性”。為了比較各種合金元素對(duì)HSLA鋼的硬化傾向的影響，一般用碳當(dāng)量CE或Ceq來(lái)表示。兩個(gè)常用于非調(diào)質(zhì)鋼碳當(dāng)量公式有國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）公式：

Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15日本焊接協(xié)會(huì)（JWES）公式：

Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14

適用于調(diào)質(zhì)鋼的碳當(dāng)量公式有日本焊接協(xié)會(huì)（JWES）公式：

Ceq=C+Mn/9+Ni/40+Cr/20+Mo/8+V/10

一般來(lái)說(shuō)，鋼材的強(qiáng)度等級(jí)越高，碳當(dāng)量也越高。碳當(dāng)量越高，焊接性越差，根據(jù)碳當(dāng)量的大小，基本能判斷鋼材的可焊性，如表2所示。

由表2可知，熱軋狀態(tài)交貨板厚≥30～63 mm的 Q355鋼材的碳當(dāng)量不僅與 Q390鋼相同，而且與 Q420鋼一樣（該狀態(tài)的Q355鋼是目前用量最大的鋼材）。由此可判定，Q355的焊接性基本等同Q390（Q420）鋼材。那么，Q355鋼肯定不是 Q345升級(jí)版，即Q355鋼在焊接技術(shù)方面有很大不同于Q345鋼的地方，值得引起足夠重視。

3 ??Q355鋼焊接要盡量減少焊接熱循環(huán)次數(shù)（含火焰切割和碳孤氣刨）[2]

由上述分析可知，Q355屬于高強(qiáng)鋼系列，因此應(yīng)采用高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)。高強(qiáng)鋼焊接的首要關(guān)鍵技術(shù)是避免微量元素的損失過(guò)大，對(duì)此簡(jiǎn)要分析微量元素的損失機(jī)理如下：

世界上所有物質(zhì)都有固、液、氣三種狀態(tài)。水在4℃有最小的“臨界體積”，溫度升高和降低都會(huì)使體積膨脹，在0℃時(shí)形成冰水混合物，進(jìn)而變?yōu)楣虘B(tài)冰，在100℃時(shí)氣化成為水蒸氣。焊接過(guò)程中，除焊材中水分蒸發(fā)外，金屬元素和熔渣中各種化學(xué)成分在電弧高溫下也會(huì)蒸發(fā)成為蒸氣。各類(lèi)元素沸點(diǎn)比較如圖3所示。

由于各類(lèi)元素及化合物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)存在差距，故其在高溫區(qū)停留的時(shí)間不同;微合金元素及其化合物氣化，在高溫區(qū)停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，氣化較鐵及鐵的化合物更充分，從圖3看出金屬元素 Zn、Mg、Bb、Mn 的沸點(diǎn)較低。因此這是一種比例失調(diào)的損失。焊接本身就是多次進(jìn)行相同或者相似的熱循環(huán)，熱循環(huán)次數(shù)越多，比例失調(diào)也就越嚴(yán)重（工程實(shí)踐中稱(chēng)為微合金元素?zé)龘p），于是便形成了高強(qiáng)鋼（Q355）焊接的第一問(wèn)題：在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的放樣、下料、組裝、焊接、檢查返工直到合格驗(yàn)收的全過(guò)程，同一道焊縫和HAZ至少要經(jīng)歷5次不完全相同的熱循環(huán)（含碳弧氣的刨微合金元素?zé)龘p）。對(duì)高強(qiáng)鋼（Q355）性能而言，這5次焊接熱循環(huán)是致命的;完全可以設(shè)想，經(jīng)過(guò)5次熱循環(huán)部位的焊縫及 HAZ，特別是熔合線(xiàn)，微量元素的損失基本改變了鋼材的原配比，即已不再是原來(lái)的鋼種成分，而成分不同帶來(lái)的后果是綜合性能的變化，這種變化導(dǎo)致斷裂形式和位置的不同，焊接質(zhì)量直線(xiàn)下降[3]。

實(shí)踐研究證實(shí)，高強(qiáng)鋼（Q355）焊接接頭一次焊接成功，比返工后一次成功的焊縫，焊縫的綜合指標(biāo)要好很多?？衫斫鉃椋焊邚?qiáng)鋼種焊接接頭的強(qiáng)度、細(xì)化晶粒等指標(biāo)同鋼材的微合金元素直接有關(guān)。焊接熱循環(huán)會(huì)造成合金元素的損失，因此，多一次熱循環(huán)，合金元素的損失會(huì)增加，對(duì)焊接接頭質(zhì)量不利，必然降低焊接接頭的綜合性能，這就是焊接Q355鋼的關(guān)鍵所在[3-5]。

除此之外，根據(jù)GB50661《鋼結(jié)構(gòu)焊接標(biāo)準(zhǔn)》的強(qiáng)制規(guī)定6.2節(jié)焊接工藝評(píng)定替代規(guī)則：不同焊接方法的評(píng)定結(jié)果不得互相替代。不同焊接方法組合焊接可用相應(yīng)板厚的單種焊接方法評(píng)定結(jié)果替代，也可用不同焊接方法組合焊接評(píng)定，但彎曲及沖擊試樣切取位置應(yīng)包含不同的焊接方法;同種牌號(hào)鋼材中，質(zhì)量等級(jí)（沖擊韌性）高的鋼材可替代質(zhì)量等級(jí)低的鋼材，質(zhì)量等級(jí)（沖擊韌性）低的鋼材不可替代質(zhì)量等級(jí)高的鋼材。因此，施工單位在第一次焊接Q355鋼時(shí)，必須作焊接工藝評(píng)定（PQR），根據(jù)（PQR）作出焊接工藝規(guī)程（WPS）。

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