2025年高級焊工培訓(xùn)：高強鋼的焊接工藝詳解
通常高強鋼是可以焊接的。高強鋼的焊接性能根據(jù)其生產(chǎn)方法和鋼材本身的特性略有不同。高強鋼的焊接工藝與普通鋼相比沒有顯著的差異，即所有常見的熔透焊方法都可以使用。然而，考慮到與高強鋼材料本身的復(fù)雜特性，需要由具備資質(zhì)的焊接工程師監(jiān)督和指導(dǎo)，對高強鋼焊接的操作過程和焊接質(zhì)量進行把控。
焊接缺陷可能位于焊縫金屬中，也可能位于與焊縫(或熱影響區(qū))相鄰的母材中。因此，焊材的化學(xué)成分對于焊縫是否能達到足夠的強度和韌性來說非常重要。為了避免焊接過程中由于升溫和降溫循環(huán)產(chǎn)生的缺陷，需要制訂和通過規(guī)范化的焊接程序并嚴(yán)格遵守。
現(xiàn)場焊接應(yīng)按照與工廠焊接相同的高標(biāo)準(zhǔn)進行，且必須由具備資質(zhì)的焊工按照焊接工藝規(guī)范進行操作，詳見后續(xù)章節(jié)�？赡苄枰槍ΜF(xiàn)場焊接提出額外的要求，例如需要保證安全通道以及保證焊接現(xiàn)場不受天氣的影響，不允許降低焊接質(zhì)量。BCSA 出版的指南 53 針對高強鋼的焊接提出了建議。
也可參照國標(biāo)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB 50661-2011和《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB 50205進行焊接質(zhì)量控制。
可焊性
碳當(dāng)量 (CEV) 以及焊材的供應(yīng)情況
在評估鋼材的可焊性時，通常會采用碳當(dāng)量值 (CEV) 作為參考。它實際上是由鋼材的化學(xué)成分有關(guān)的可硬化性指標(biāo)。有幾個計算 CEV 的公式。公式(10-1)是國際焊接學(xué)會(IIW)對 CEV 的定義，這個公式也被包括國標(biāo) GB 50661 在內(nèi)的很多鋼材焊接規(guī)范所采用。不過這個公式不適用于含硼鋼。
一般來說，碳當(dāng)量越高，鋼材的可硬化指標(biāo)越高，焊接節(jié)點越容易產(chǎn)生氫致冷裂紋。國標(biāo)高強鋼板材和空心型材允許的最大碳當(dāng)量值可參考表 10.3 和表 10.4。
熱機械軋制鋼的碳當(dāng)量較低，這說明這類鋼材的不容易產(chǎn)生熱影響區(qū)氫致冷裂紋。但要注意熱機械軋制鋼在焊接時可能發(fā)生一定程度的熱影響區(qū)軟化，因此通常建議限制熱輸入量，避免焊接節(jié)點的力學(xué)性能發(fā)生折減。
相比之下，調(diào)質(zhì)鋼的碳當(dāng)量和可硬化指標(biāo)更高，因此更容易產(chǎn)生熱影響區(qū)氫致冷裂紋。同樣也應(yīng)該限制焊接熱輸入量，避免鋼材的過度回火，導(dǎo)致力學(xué)性能的折減。調(diào)質(zhì)鋼的熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象不太明顯。
市售鋼材的碳當(dāng)量值可能低于表中列出的碳當(dāng)量最大允許值。因此，在訂購高強鋼時，可以針對可焊性，明確提出更嚴(yán)格的要求。具體要求應(yīng)由焊接協(xié)調(diào)員與鋼材供應(yīng)商進行協(xié)商后決定，以確保這些要求對滿足結(jié)構(gòu)性能有效且符合實際。
焊材應(yīng)當(dāng)根據(jù)焊縫的設(shè)計強度和韌性要求選擇合適的焊材。鋼鐵生產(chǎn)商和焊材供應(yīng)商會針對高強鋼焊材提出一些建議，包括采用低強匹配的焊材，避免氫致冷裂紋的產(chǎn)生，以及使用低氫含量的焊材進行焊接等。高強鋼的焊材通常比普通鋼焊材價格更高。焊材根據(jù)其強度等級和焊接工藝進行分類，針對不同的焊接工藝制定特定標(biāo)準(zhǔn)。高強鋼焊材的碳當(dāng)量高于用于普通鋼焊材。高強鋼母材通過嚴(yán)格控制微觀結(jié)構(gòu)，細化晶粒提高強度，而焊材則通過微合金化提高強度。這也表示高強鋼焊材同樣可能先于母材產(chǎn)生氫致冷裂紋。
與普通鋼焊接結(jié)構(gòu)一樣，可能需要根據(jù)焊材而非母材來控制焊接參數(shù)。
如果作用在焊縫上的應(yīng)力較高，需要選擇設(shè)計焊縫的抗拉強度接近母材強度或與之相等，并且采用等強匹配的焊材。如果焊縫的應(yīng)力水平較低，可以考慮采用低強匹配的焊材，有效避免焊接節(jié)點產(chǎn)生裂紋。
對于-20°C時的沖擊性能吸收能量不小于 40J正火鋼和熱機械軋制鋼，焊接時采用標(biāo)準(zhǔn)碳鋼高錳焊絲已經(jīng)可以滿足要求。 必須按照鋼構(gòu)加工商的建議選用合適的焊材。
焊接接頭的準(zhǔn)備和加工
通常采用熱切割和機械加工對焊接坡口進行準(zhǔn)備(參見 9.2 節(jié)和 9.7 節(jié))。所有常用的坡口加工方法都可用于高強鋼61。在熱切割過程中，接頭表面可能會形成一層較薄的氧化層，于焊接前先應(yīng)將其去除。對于厚度較小的鋼板，可采用剪切加工焊接坡口。建議去氧化層，保證焊接接頭的性能。對于強度等級高于 Q460 的鋼材，應(yīng)打磨切割區(qū)域，去除氧化層，并通過目測、著色滲透或磁粉探傷檢測等方法確保沒有裂紋生成�？赏ㄟ^打磨去除可見的裂紋，并調(diào)整坡口的幾何形狀。
焊接時應(yīng)注意避免焊渣產(chǎn)生飛濺，如果焊渣飛濺出焊縫熔合區(qū)以外，應(yīng)打磨鋼材表面并檢查。對強度高于 Q460 的鋼材，應(yīng)進行目測、著色滲透或磁粉探傷進行檢查，還應(yīng)該打磨去除焊渣。
焊接時應(yīng)盡可能減小臨時支撐。如果不能避免，應(yīng)與工程師或設(shè)計人員溝通，確定臨時支撐的位置。臨時支撐應(yīng)通過切割或打磨的方式去除，以免損壞母材，隨后應(yīng)小心打磨平整。對臨時支撐拆除的部位應(yīng)進行目測檢查，對強度等級高于 Q355 的鋼材應(yīng)進行無損檢測。未經(jīng)允許，不能對強度等級高于Q460 的鋼材進行切削。
與普通鋼相比，高強鋼在焊接過程中的產(chǎn)生的焊接變形更大。因此需要對焊接工藝進行更嚴(yán)格的控制，并且需要更多的夾具進行固定。
焊材的力學(xué)性能
熱輸入量
熔透焊的熱輸入量 (𝑄) 計算方法由式 (10-2) 給出。熱輸入量與電壓、電流和焊接速度有關(guān)。雖然對于傳統(tǒng)的焊接方法而言，熱輸入量越高，生產(chǎn)效率越高，但在實際生產(chǎn)過程中首先應(yīng)當(dāng)考慮減小熱輸入量，因為這會使鋼結(jié)構(gòu)的韌性更高、強度更高、變形更小(特別是厚度較小的高強鋼結(jié)構(gòu))、殘余應(yīng)力水平更低，且熱影響區(qū)(HAZ)寬度更小�？梢灾苯优c鋼鐵生產(chǎn)商溝通，以獲得適用于不同強度等級和交貨狀態(tài)的鋼材的熱輸入量建議取值。
冷卻時間 𝒕8/5
焊接過程中的升溫降溫循環(huán)對焊接接頭的力學(xué)性能有著顯著的影響。焊后冷卻時間 (𝑡8/5) 指的是焊縫從 800°C 冷卻到 500°C 所需的時間，以秒為單位。焊后冷卻速度對結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，因為正是在這個過程中，材料的微觀結(jié)構(gòu)，熱影響區(qū)的韌性、強度和硬度都發(fā)生改變。
在實際生產(chǎn)過程中，可以用兩個焊接參數(shù)調(diào)整 𝑡8/5：熱輸入量和預(yù)熱溫度。增大熱輸入量和預(yù)熱溫度會導(dǎo)致冷卻速度變慢，從而使冷卻時間 𝑡8/5 變長。確定焊接參數(shù)和幾何尺寸后，可以根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn) EN 1011-2 62確定冷卻時間 𝑡8/5。如果沒有可用的沖擊吸收能量、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和硬度與 𝑡8/5 之間的關(guān)系曲線，建議按照國標(biāo) GB/T 19869.163 和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15613 64進行焊接工藝評定試驗。需要確定 𝑡8/5 的上限和下限才能保證焊縫和熱影響區(qū)的力學(xué)性能滿足要求。當(dāng)冷卻時間 (𝑡8/5) 較短時(例如熱輸入量較低、板厚較大或工作溫度較低)，熱影響區(qū)的硬度可能會超過極限值，并產(chǎn)生氫致冷裂紋。冷卻時間過長會導(dǎo)致熱影響區(qū)的強度和韌性下降。對于強度等級最高為 Q700 的高強鋼而言，冷卻時間通常應(yīng)為 5 至 20 秒，對于更高強度的高強鋼，冷卻時間應(yīng)減少至 5 至 15 秒，以保證焊接結(jié)構(gòu)的性能滿足要求。
焊接熱影響區(qū) HAZ 的軟化
在高強鋼焊接過程中，由于微觀結(jié)構(gòu)的改變，可能會在熱影響區(qū)形成軟化。軟化區(qū)的寬度和硬度主要與材料的厚度和熱輸入量有關(guān)。如果板厚較小或熱輸入較高，則軟化區(qū)的寬度增加，且強度更低。如果采用合適的熱輸入量，則可以保證熱影響區(qū)的強度達到母材的設(shè)計強度。
氫致冷裂紋
當(dāng)焊接后熱影響區(qū)的溫度低于 200°C 時，如果微觀結(jié)構(gòu)韌性不夠，焊縫中存在氫，并且殘余應(yīng)力較高，則可能出現(xiàn)裂紋。這種裂紋的形成與鋼材的合金含量有關(guān)：碳當(dāng)量(CEV) 越低，焊接后越不容易產(chǎn)生氫致冷裂紋。
焊材或接頭表面可能存在鐵銹等雜質(zhì)，導(dǎo)致焊接區(qū)域存在氫。由于材料在冷卻時產(chǎn)生收縮，焊縫附近會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。
正如前文所提到的，熱機械軋制鋼的碳當(dāng)量較低，表面它們更不容易產(chǎn)生氫致冷裂紋。
相反，調(diào)質(zhì)鋼的碳當(dāng)量較高，因此往往對氫致冷裂紋的更敏感。不管在哪種情況下，都應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀苊猱a(chǎn)生氫致冷裂紋。歐盟標(biāo)準(zhǔn) EN 1011-2 附錄 C 針對如何調(diào)整最低預(yù)熱溫度，避免氫致裂紋提出了一些建議。
預(yù)熱和層間溫度
對構(gòu)件預(yù)熱可以降低了產(chǎn)生氫致裂紋的風(fēng)險。預(yù)熱會使構(gòu)件在焊接后冷卻速度降低，使氫有足夠的時間擴散出去。氫的擴散溫度主要在 100°C 和 300°C 之間。
除了預(yù)熱，焊接過程中還必須保持層間溫度。受熱的區(qū)域的寬度應(yīng)在焊縫兩側(cè)至少大于100 mm。層間溫度和熱輸入量應(yīng)保持相對較低，防止晶粒長大(導(dǎo)致韌性降低)和過度回火(導(dǎo)致強度降低)。
應(yīng)根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn) EN 1011-2 附錄 C 確定是否需要預(yù)熱。例如，當(dāng)明確了鋼材的碳當(dāng)量、焊接接頭的板件厚度、焊材的氫含量和熱輸入量時，可根據(jù) EN 1011-2，附錄 C 中的方法 A 中選擇合適的預(yù)熱溫度和層間溫度。
也可與鋼材生產(chǎn)商溝通，咨詢預(yù)熱溫度和層間溫度的相關(guān)建議。
焊接質(zhì)量檢驗
高強鋼焊縫的檢驗和測試應(yīng)根據(jù)國標(biāo) GB 50661 進行。在焊接后應(yīng)對結(jié)構(gòu)進行檢查和評估，并作為焊接工藝規(guī)范 (WPS) 的一部分。
氫致冷裂紋也被稱為“延遲裂紋”，因為它通常在焊接后才產(chǎn)生。對高強鋼焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)在焊接以后達到最低的保持時間的要求后進行磁粉探傷(NDT)。最低保持時間通常為 8 到 48 小時之間，如表 10.5 所示。
上述的焊后保持時間都是最低要求。對于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮更嚴(yán)格的要求。例如，在磁粉探傷之前，所有高強鋼都應(yīng)經(jīng)過 48 小時的保持時間，這也可能與相關(guān)鋼材的碳當(dāng)量有關(guān)。此外，應(yīng)考慮提高檢測的要求。
焊后熱處理
焊后熱處理 (PWHT) 主要用于降低構(gòu)件中的殘余應(yīng)力，或讓氫在鋼結(jié)構(gòu)中擴散開來，避免開裂。焊后熱處理通常在 200°C 左右進行。如果規(guī)范要求進行焊后熱處理，則應(yīng)與鋼鐵生產(chǎn)商溝通，以確保焊后熱處理不會對鋼材的力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響。
鋼構(gòu)加工商也應(yīng)當(dāng)證明所選用的高強鋼的焊后熱處理程序滿足要求。
異種材料的焊接
將高強鋼和普通鋼進行焊接時，必須同時考慮兩種鋼材的可焊性。異種材料在焊接時，應(yīng)與高強鋼焊接相同，焊材強度的選用應(yīng)基于強度更低的鋼材，并且要嚴(yán)格遵循有關(guān)熱輸入總量、焊材的維護和保養(yǎng)，焊材的選用以及控制焊材氫含量的程序。對于異種鋼的焊接，焊材的抗拉強度不一定要高于連接中強度最低的材料，但仍然需要注意控制氫的含量，避免產(chǎn)生氫致冷裂紋。
