焊接工藝和材料的理化反應對鋼結構性能的影響

陳欽燁 李武俊 馬尚城

摘要：Q460合金結構鋼是電力鋼結構工程中的選材之一，在這一類型鋼結構實施焊接中，容易導致材料金屬和焊接材料發(fā)生物理反應，出現(xiàn)偏折問題，引發(fā)出現(xiàn)各種焊接質量問題；為此需要提高對Q460鋼結構焊接質量的重視。針對鋼材化學成分中的碳當量、冷裂紋敏感指數(shù)等指標實施分析，實現(xiàn)對其焊接裂紋敏感性的認識；另外針對鋼材的焊接冷、熱裂紋敏感性研究，結果發(fā)現(xiàn)這一合金結構鋼在焊接中具有良好的抗冷、熱裂紋能力，可以在電力鋼結構工程中推廣應用。在正交試驗方法的應用下，針對電力鋼結構工程的 Q460鋼焊接工藝實施評定，評定結果焊接作業(yè)中電流上限為290～319 A。

關鍵詞：焊接工藝；材料；電力；鋼結構工程

中圖分類號：TG44?????????????? 文獻標志碼：A???????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0056-04

Effect of welding process and physical and chemical reaction of material on properties of steel structure

CHEN Qinye，LI Wujun，MA Shangcheng

（Wenzhou Taichang Iron Tower Manufacturing Co.，Ltd. Wenzhou 325000，Zhejiang China）

Abstract：Q460 alloy structural steel is one of the materials selected in power steel structure engineering. In the welding of this type of steel structure，it is easy to cause physical reactions between the material metal and the weld- ing material，resulting in deflection problems，thus causing various welding quality. Therefore，it is necessary to pay more attention to the welding quality of Q460 steel structure. The carbon equivalent，cold crack sensitivity index and other indicators in the chemical composition of the steel were analyzed to realize the understanding of the weld- ing crack sensitivity. In addition，the cold and hot crack sensitivity of the steel was studied. The results show that this weldedalloy structural steel has good resistance to cold and hot cracks，and can be popularized and applied in power steel structure engineering. In addition，under the application of the orthogonal test method，the Q460 steel welding process for electric power steel structure engineering was evaluated，and the result of the evaluation show that the upper limit of the current in the welding operation，is 290～319A.

Keywords：welding process；material；electric power；steel structure engineering

在電力鋼結構工程中，Q460鋼作為選材之一，在焊接中需要對這一鋼材的焊接性能有準確了解。其中Q460材料在生產(chǎn)中，是采用焊接方式實現(xiàn)，然而焊接過程中溫度非常高，容易導致熔渣和金屬間發(fā)生物理反應，引發(fā)焊接元素發(fā)生氧化-還原反應，有機會改變金屬化學成分和機械性能，因此需要對其焊接性能有所了解。另外在焊接過程中并嚴格依照相關規(guī)程要求，提升焊接質量。本次關于電力鋼結構工程中的焊接工藝和材料實施研究。

1 Q460鋼材化學成分及其性能分析

1.1 化學成分

本次實驗采用的是Q460鋼為18 mm和20 mm鋼材；試驗采用的焊條結合強韌性匹配原則選擇JL-815，直徑為4 mm；熔敷金屬化學成分組成：C為0.071%、Si為0.530%、Mn為1.600%、S為0.010%、P為0.016%、Ni為0.021%、Cr為0.023%、Mo為0.018%。

1.2? 實驗評估依據(jù)

1.2.1 碳當量評定依據(jù)

關于碳當量的定義即為針對鋼中的合金元素含量，其中也包括碳，依照作用對其進行碳的相當含量換算，以此實現(xiàn)對鋼材淬硬、催化以及冷裂紋等焊接性能實施評定。目前國際上采用的碳當量計算公式，主要是由國際焊接學會（IIW）提出的w（C）eq，即：

這一公式抗拉強度在500～900 MPa的非調(diào)質低合金高強度鋼中適用。

當前在我國鋼結構標準和常用歐洲結構鋼標準 EN 10025《熱軋結構鋼產(chǎn)品》均是將其作為是焊接性能評價指標。在針對板材厚度在20 mm以下鋼材評定中，若計算結果顯示w（C）eq 小于0.4%，即為鋼材的淬硬傾向不明顯，具有良好的焊接性能，焊接工藝開始前也不必實施預熱；若計算結果w（C）eq 在0.4%～0.6%，尤其是在0.5%以上情況下，即為這一鋼材容易淬硬，相對焊接性能比較差，為對其焊接裂紋發(fā)生實施預防需要提前預熱，焊材厚度越大或w（C）eq 值越大，一般情況需要適當?shù)奶嵘A熱溫度。針對本次選取的鋼材化學成分在公式中代入計算，所得碳當量計算結果分別為18 mm鋼材w（C）eq=0.362；20 mm鋼材w（C）eq=0.447，均在0.5%以下，具有一定淬硬傾向[2]。

1.2.2 冷裂紋敏感指數(shù)評定依據(jù)

最初創(chuàng)立w（C）eq 的時候，鋼材強化方式即為碳錳強化，即為通過針對大量w（C）eq 在0.18%以上鋼種進行試驗所得。當前世界范圍內(nèi)針對低碳微量多合金元素低合金高強度鋼也提出了一個新的碳當量計算公式，即為20世紀60年代日本學者伊藤提出的冷裂紋敏感指數(shù)計算公式：

式中：δ為鋼材厚度；[H]為擴散氫含量，mL/（100 g）。針對以上公式將擴散氫含量和板材厚度因素進行去除，可以獲取焊接裂紋敏感性指數(shù)（Pcm），即：

式（3）在 w（C）eq 為0.07%～0.22%，抗拉強度在400～1000 MPa低合金高強度鋼中較為適用。

1.2.3 熱裂紋敏感指數(shù)評定依據(jù)

為能夠進一步探討鋼材化學成分和焊接熱裂紋之間關聯(lián)性，廣大學者經(jīng)過實驗研究提出了能夠對低合金鋼熱裂紋傾向實施預測或平度的熱裂紋敏感指數(shù)（HCS），具體計算公式為：

日本焊接學會 JWS 也針對臨界應變增長率（CST）提出了相應的計算公式，具體為：

在評估過程中，若HCS在4或以下，CST在6.5×10-4或以上情況下，即為焊接中通常不會出現(xiàn)裂紋；反之，HCS越大或CST越小，也就具備比較高的熱裂紋敏感性，裂紋發(fā)生率較高。

1.3 試驗設計

1.3.1 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗設計

本次針對Q460鋼熱影響區(qū)最高硬度試驗分析，選取的2種規(guī)格鋼材分別采用3種焊接熱輸入實施焊接，具體為低、中、中高。焊接過程中溫度控制在16℃ ，焊接前烘干焊條，空氣相對濕度保持為77%[3]。

針對試件實施焊接完成后，48 h切取試樣對其實施研磨拋光、腐蝕處理，之后采用維氏硬度檢測儀開展相應的硬度試驗，試驗過程中施加荷載100 N。

1.3.2 斜Y形坡口焊接裂紋試驗設計

試件針對本次鋼材樣品實施焊條電弧焊處理，以便于開展斜Y形坡口焊接裂紋試驗，具體焊接工藝為：電流極性為直接反接、焊接電流為（170±10）A、電弧電壓（24±2）V、焊接速度（150±10）mm/min、E ≈16.3 kJ/cm。焊接完成后正常室溫環(huán)境下進行冷卻，之后檢測分析試件裂紋。肉眼用10倍放大鏡對表面、根部裂紋實施檢查，針對φ（HNO3）8%酒精溶液腐蝕處理斷面研磨后，采用10倍放大鏡對其檢查[4]。

1.3.3 T形接頭焊接裂紋試驗設計

本次試驗采用中、中高焊接輸入焊條電弧焊針對試件實施焊接，具體工藝為：電流極性為直接反接、焊接電流為（170±10）A、電弧電壓（24±2）V、焊接速度（150±10）mm/min、E ≈16.3 kJ/cm；電流極性為直接反接、焊接電流為（200±10）A、電弧電壓（30±2）V、焊接速度（150±10）mm/min、E約24.0 kJ/cm。完成焊接后在室溫中實施空冷，之后實施裂紋檢查。肉眼用5倍放大鏡實施觀察，之后實施磁粉檢測，如果均未發(fā)現(xiàn)裂紋即為焊材焊接熱裂紋發(fā)生幾率不高[5]。

1.4 結果分析

Q460鋼碳當量評估中，針對本次選取的鋼材化學成分在式（1）中代入計算，所得碳當量計算結果分別為18 mm 鋼材w（C）eq=0.362，20 mm 鋼材w（C）eq=0.447，二者均在0.5%以下，具有一定淬硬傾向。

冷裂紋敏感指數(shù)評定，將化學成分在式（3）中代入計算，結果為18 mm鋼材Pcm=0.194%，22 mm鋼材Pcm=0.271。通過計算可以發(fā)現(xiàn)18 mm 鋼材Pcm在0.20%以下，即為相對焊接冷裂傾向偏低；22 mm鋼材Pcm在0.20%以上，即為存在有一定冷裂傾向。

熱裂紋敏感指數(shù)評定，將化學成分在式（4）和式（5）中輸入，所得結果為18 mm鋼材HCS=1.13，CST=12.76×10-4；22 mm鋼材 HCS=2.33，CST=10.33×10-4。通過結果分析能夠發(fā)現(xiàn)2種鋼材的熱裂紋敏感性均比較低，通常焊接過程中熱裂紋產(chǎn)生風險不大。

焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗分析中發(fā)現(xiàn)其在本次2種鋼材編號為2焊接工藝參數(shù)中，焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為 HV249以及 HV250。采用3種不同焊熱輸入焊熱，對其熱影響區(qū)硬度影響差異不大。針對22 mm鋼材，相對較小的熱輸入焊接中硬度高于中、中高熱輸入焊接最高硬度，編號為1最高硬度為 HV329，其他均在250以下，能夠發(fā)現(xiàn)22 mm鋼材如果是在采用過小的熱輸入焊接中淬硬組織的產(chǎn)生幾率比較高。通常低合金鋼焊接影響區(qū)最高容許硬度即為HV350，若超出這一范圍即存在較高的冷裂傾向，檢測結果顯示本次選取的2種鋼材冷裂傾向不顯著。斜 Y形坡口焊接裂紋試驗發(fā)現(xiàn)常溫情況下，2種鋼材均未出現(xiàn)冷裂紋，因此實際焊接中可以不對其實施預熱處理。T形接口焊接裂紋試驗中發(fā)現(xiàn)，2種鋼材均未出現(xiàn)裂紋，即表明2種鋼材焊接中熱裂紋產(chǎn)生的風險不大[6]。

2 焊接工藝正交試驗評定

2.1 試驗設計

結合相關焊接經(jīng)驗，因為本次試驗針對3個因素實施分析，忽視因素間交互作用，各因素對應3個水平等級，在 L9（34）正交表應用下對其試驗安排，試驗因素結果如表1所示。

2.2 試驗分析

2.2.1 各因素指標分析

針對電流因素水平等級1實施試驗過程中，針對電壓和焊接速度因素分別開展3個水平等級實施試驗，依次針對各因素實施研究，所得試驗直觀分析數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知：抗拉強度中，電壓因素T2=1984 MPa，電流因素 T3 =1973 MPa ，焊接速度因素 T2 =1998 MPa；沖擊功中，熱影響區(qū)電壓因素T1=254MPa，電流因素T1=272 MPa，焊接速度因素T3=250MPa，焊接區(qū)電壓因素T1=284MPa，電流因素 T1=302 MPa，焊接速度因素 T3=282 MPa。3個實驗中T（-）1、T（-）2、T（-）3分別為平均值，通過其結果差異可以發(fā)現(xiàn)電流因素3個水平等級中存在差異，主要是在試驗過程中，電壓因素和焊接速度因素基本條件相同，結果也發(fā)現(xiàn)電流因素水平中抗拉強度最好的為水平等級3。隨之可以發(fā)現(xiàn)電壓因素和焊接速度因素中抗拉強度指標中較好的為水平等級2；電流因素和電壓因素中沖擊功指標較好的為水平等級1；焊接速度因素較好的為水平等級2。2.2.2 各因素影響程度

不同因素的不同水平等級下的抗拉強度比對于指標的影響作用，具體如圖1～圖3所示。

通過圖中可發(fā)現(xiàn)，在焊接電流提升進程中，試件抗拉強度也出現(xiàn)了持續(xù)性上升，由此可見抗拉強度隨著電流的逐漸提升而提升，二者為正比關系[7]。在焊接電流逐漸提升進程中，試件焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)的沖擊功變化趨勢為持續(xù)性下降，即為試件沖擊功隨著焊接電流的逐漸提升而出現(xiàn)下降趨勢，二者為反比關系，然而最終分析結果和沖擊功指標下限還存在一定距離，與之同時焊接電流具有較大影響作用。所以結合試驗研究的焊接評定結果可以確定焊接作業(yè)中，焊接電流的上限應該為290～319 A。

針對鋼結構實施焊接過程中，存在較高的脆性斷裂以及裂紋發(fā)生率，所以在鋼結構焊接工藝中也需要提高對焊接質量的重視，以能夠提升鋼結構使用壽命。焊接過程中也需要有效控制焊縫熱量情況，在完成焊接工藝后還需要有效控制焊縫的冷卻速度，以此實現(xiàn)對裂紋發(fā)生的有效預防，為焊接質量提供有效保障。焊接過程中也需要保證具備非常小的線能量，可以采用多道焊方式實施焊接，由此可以有效保障實現(xiàn)晶粒細化，也有助于進一步提升材料韌性。還有一個重要措施，即為焊接過程中需要確保焊縫的金屬比例非常少，可以結合實際情況針對鋼材焊接前實施預熱處理，以此有助于顯著改善熱影響區(qū)的組織以及力學性能，有效消除殘余應力，也能夠進一步提升鋼結構焊接質量，為其使用安全性提供有效保障。在電力鋼結構焊接工藝及材料中，最為重要的工作即為提升鋼結構質量，通過以上試驗研究可以發(fā)現(xiàn)能夠對Q460鋼材實施推廣應用，對其焊接工藝參數(shù)可以結合實際情況進行確定。

3 結語

（1）針對Q460鋼化學成分實施分析，發(fā)現(xiàn)18 mm 鋼材的冷裂敏感性比較低，22 mm鋼材具有一定冷裂敏感性。同時對于熱裂紋敏感性指數(shù)以及臨界應變增長率實施計算分析，發(fā)現(xiàn)2種鋼材相對來講熱裂紋敏感均不高；

（2）針對 Q460鋼焊接工藝試驗分析，結果發(fā)現(xiàn)3種不同輸入焊熱情況下，對2種鋼材的熱影響區(qū)硬度影響差異不大。通常低合金鋼焊接影響區(qū)最高容許硬度即為HV350，若超出這一范圍即存在較高的冷裂傾向，檢測結果顯示本次選取的2種鋼材冷裂傾向不顯著。斜Y形坡口焊接裂紋試驗發(fā)現(xiàn)常溫情況下，2種鋼材均未出現(xiàn)冷裂紋，因此實際焊接中可以不對其實施預熱處理。T形接口焊接裂紋試驗中發(fā)現(xiàn)，2種鋼材均未出現(xiàn)裂紋，即表明2種鋼材焊接中熱裂紋產(chǎn)生的風險不大；

（3）通過 Q460鋼焊接工藝的正交試驗評定，發(fā)現(xiàn)焊接作業(yè)中焊接電流的上限應該為290～319 A。在實際電力鋼結構中，需要結合焊接生產(chǎn)實際情況以及生產(chǎn)需求，可以采用少量試驗對其焊接工藝和參數(shù)實施科學評定，以確定一個比較良好的參數(shù)方案，不但要對其焊接產(chǎn)品質量提供保障，另外，也需要考慮到降低焊接評定標準。

【參考文獻】

[1] 朱全平，朱芳磊，蔡浩浩，等.一種深水環(huán)氧涂層材料的制備和性能研究[J].粘接，2021，46（4）：16-19.

[2]? 陳曉婕.環(huán)氧膠泥在鋼結構與混凝土粘接中的應用[J].粘接，2022，49（7）：36-40.

[3] 譚平，劉成果. FXD3機車玻璃鋼頭罩與鋼結構車體粘接工藝研究[J].機車車輛工藝，2021（4）：29-31.

[4] 張渺.環(huán)氧樹脂膠粘劑在鋼結構施工中的現(xiàn)場配置及使用[J].粘接，2022，49（5）：40-43.

[5] 錢若霖，黎豪，王劭琨.鋼結構人行天橋自振頻率模態(tài)分析研究[J].粘接，2022，49（3）：116-119.

[6] 王慶龍.膠粘劑在大型鋼結構建筑工程施工中的應用[J].粘接，2022，49（1）：192-196.

[7] 朱貴剛.鋼柱外包混凝土加固技術在鋼結構廠房加固設計中的應用研究[J].粘接，2021，46（4）：154-157.