钢结构中低合金高强钢的焊接

本期策划 王 颖

随着高层建筑的日益增多，钢结构越来越复杂，钢材的强度也越来越高，从而促使高强钢在钢结构领域得到大规模的应用。针对高强钢的性能特点，对焊接工艺及焊接装备都提出了新的要求。为了了解目前钢结构领域高强钢焊接的发展状况，本期特邀在相关领域工作的技术人员，针对高强钢的焊接难点、对焊接设备与焊材的需求以及未来的发展趋势进行交流，望广大读者能够从中有所收获。

中建钢构华中大区武汉厂杨高阳

河南天丰钢结构有限公司宋统战

上海中远川崎重工钢结构有限公司刘绪明

湖北精工钢结构有限公司姜殿忠

低合金高强钢焊接存在哪些焊接难点，如何解决

杨高阳：低合金高强钢除了具有足够高的强度（主要指屈服强度）外，还具有良好的加工性、焊接性和耐蚀性等。与低碳钢相比，低合金高强钢热影响区容易淬硬，对氢的敏感性强，当焊接接头承受较大应力时容易产生各种裂纹。此外，在焊接热循环的作用下，使热影响区组织性能发生变化，增大了脆性破坏的倾向，特别是厚板结构。因此这类钢焊接的主要难点在于防止裂纹（包括冷裂纹、热裂纹以及层状撕裂等）和提高焊接接头的韧性。

高强钢焊接时采取的主要工艺措施如下：

（1）所用焊丝要经过去除油污及烘干处理，烘干温度为350～400℃。

（2）严格控制焊前预热温度和层间温度，预热应用火焰加热器加热或电加热片进行，预热的加热区域应在焊接坡口两侧，宽度应各为焊件施焊处厚度的1.5倍以上且≥100mm，焊接层(道)间温度控制在≤250℃，不低于最低预热温度。

（3）采用中等焊接电流进行多层多道焊。

（4）在保证电弧稳定性的前提下适当增加焊丝干伸长。

（5）注意坡口表面清理。

（6）焊后进行消氢处理，消氢处理的加热温度应为200~250℃，保温时间应根据工件板厚按每25mm板厚≥0.5h，且总保温时间不得小于1h，达到保温时间后应缓冷至常温。

钢结构中高强钢常用的焊接方法及设备如下：

（1）SMAW(焊条电弧焊) 主要用于钢结构制作中辅助焊缝的焊接，其配套的焊条有CJ607RH、CJ707RH、CJ807RH和CJ107等。

（2）SAW（埋弧焊） 主要用于钢结构制作中主焊缝的焊接工作，其配套的焊丝、焊剂为H10Mn2和SJ101，H08MnA和HJ431。我公司常用的焊接设备型号为MZ-1000/1250埋弧焊机、LHC悬臂式埋弧焊机和LHE箱型龙门式三丝埋弧焊机，如图1~图3所示。

图1 MZ-1000/1250埋弧焊机

图2 LHC悬臂式埋弧焊机

图3 LHE箱型龙门式三丝埋弧焊机

（3）GMAW（CO2实芯焊丝气体保护焊) 主要用于现场安装及制作工程的主、次焊缝的焊接，常用的焊丝有WH50—6、WH60—G、WH70—G三种，常用的设备为奥太NBC—500（见图4）、松下KRⅡ500（见图5）以及XQ15悬臂式气保焊机。

图4 奥太NBC-500

图5 松下KRⅡ500

（4）FCAW—G（CO2药芯焊丝气体保护焊）主要用于现场安装及制作工程主、次焊缝的焊接，常用的焊丝为CHT711。

（5）ESW（电渣焊） 主要用于BOX构件肋板的焊接，常用的焊丝、焊剂为WH50-6和JF600，常用的设备型号为XSD15悬臂式丝极电渣焊机（见图6）。

（6）SW、SW—P(栓钉焊） 主要用于劲性构件的栓焊和楼层板的穿透焊。

图6 XSD15悬臂式丝极电渣焊机

宋统战：目前钢结构领域中常用的低合金高强度钢通常是指抗拉强度在500~1000 MPa的钢材，而抗拉强度在1000MPa以上的一般称为超高强度钢。低合金高强钢的种类可以分为非调质钢和调质钢。经常应用的是热轧钢、控轧钢和正火钢等，一般非调质钢指常温抗拉强度600MPa以下的钢材。

1. 高强钢焊接存在的问题

随着钢中合金元素的增加，强度级别提高（屈服强度≥315MPa），钢的焊接性逐渐变差，出现的主要问题是：①热影响区的淬硬倾向：焊接时快速冷却会导致热影响区出现马氏体组织。②冷裂纹：焊接时冷裂纹的倾向加大，并且具有延迟性。如定位焊缝很容易开裂，其原因就是焊缝尺寸小、长度短、冷却速度快。③热裂纹：屈服强度在315~400 MPa的热轧、正火钢热裂倾向不大，但在厚壁板材高稀释率焊道（如根部焊道或接近坡口边缘的多层埋弧焊焊道）中会出现热裂纹。④粗晶区脆化：热影响区被加热至1100℃以上的粗晶区，焊接热输入过大时晶粒将迅速长大或出现魏氏组织，产生脆化现象。

2. 高强度钢焊接时主要工艺措施

（1）预热 预热是防止裂纹的有效措施，并且还有助于改善接头性能，但会恶化劳动条件，使生产工艺复杂化，过高的预热温度还会降低接头的韧性。因此，焊前是否需要预热及预热温度的确定应根据母材的成分（碳当量）、板厚、结构形状、刚度大小及环境温度确定。

（2）焊接热输入的选择 对于碳当量较高（含V、Nb、Ti）的钢种，为降低热影响区粗晶脆化所造成的不利影响，应选择较小的焊接热输入，一般应控制在35kJ/cm以下。

（3）后热及焊后热处理 后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后，将焊件立即加热至200~250℃，并保温一段时间（2h左右），使接头中的氢扩散逸出，防止延迟裂纹产生。对于厚板及应力复杂区域，焊后应采取后热工艺措施或覆盖上足够厚的保温棉/毡进行缓冷。当现场条件允许时，焊后应及时进行消除应力的高温回火，其目的是消除焊接残余应力，改善组织，无需再进行后热处理。

（4）焊材选用 高强钢焊接用焊材选用为等强原则。

3.现有的焊接方法和工艺

（1）焊条电弧焊 适用于各种不规则形状、各种焊接位置的焊缝。焊条电弧焊时主要根据焊件厚度、坡口形式、焊缝位置等选择焊接参数。多层焊的第一层以及非平焊位置焊接时，焊条直径应小一些。焊条电弧焊使用范围广，焊接材料与工艺成熟，对于500~1000MPa内的钢种都可采用此焊接方法，其配套的焊条有CJ607RH、CJ707RH、CJ807RH及CJ107等。一般在保证焊接质量的前提下，应尽可能采用大直径焊条和大电流焊接，以提高生产效率。

（2）埋弧焊 由于具有熔敷效率高、大熔深以及机械自动操作的优点，所以特别适用于大型焊接结构的制造，多用于平焊和平角焊位置。对于抗拉强度500~700MPa的钢种，目前都可采用埋弧焊进行平焊与平角焊，焊接结构有钢结构、管线、桥梁等，配套的焊丝有CJGNH—1、CJQ—1、CJGX—1、H10Mn2、CH62CF和H70Q等。对于抗拉强度700MPa以上的钢种，使用埋弧焊进行焊接的实例不是很多，主要是埋弧焊的焊接热输入大，导致焊缝及热影响区的晶粒粗大，因增加了脆性而降低了韧性。

（3）CO2气体保护焊 目前大力推广的高效焊接方法，其包含CO2气体保护焊实芯焊丝与药芯焊丝，其实芯焊丝应用范围较广，500~900MPa的高强钢都采用了实芯焊丝，应用领域基本包括了现有的结构，使用效果较好。气保焊丝的窄间隙焊具有生产率高、焊接热输入小、热影响区窄等优点，其配套的焊丝有WH50—6、WH60—G、WH70—G、WH80—G和WH90—G等。

（4）自保护药芯焊丝 由于芯内组成物和焊条药皮相似，焊接时起着造渣、造气、稳弧和脱氧等作用，所以焊接时不需另加任何保护气体。自保药芯焊丝的焊接效率高，适应性强，特别适合野外焊接，如管线建设。我国西气东输管道用X80管线钢焊接的自保护药芯焊丝。

（5）电渣焊与气电立焊 两者在焊接接头形式、方式及焊接效率都有类似之处，焊接效率非常高，焊接热输入大。特别是气电立焊，采用的是药芯焊丝，其焊缝内在质量高，成形美观，在船体大合拢、储油罐的建造等应用量日益增加。由于电渣焊焊缝及热影响区过热，晶粒粗化，所以焊后需进行正火处理。

刘绪明：中国钢结构经过近十多年的发展，又有了质的飞跃。在钢结构迅速发展的同时，高强度钢材、厚板和各种型材随工程的需求和发展而迅速提高；与此同时，高强钢、厚板焊接和大热量输入焊接技术也得到了广泛应用，这些均是中国钢结构进入世界先进行列的基石。

从近十年钢结构采用的高强钢来看，除传统的低合金高强度结构钢Q345以外，更高强度级别的Q390、Q420、Q460（以下统称高强钢）也不同程度地用于北京奥运工程的“鸟巢”、水立方、上海环球金融中心、央视新台址，以及正在施工或即已完工的上海中心、深圳平安大厦和深圳京基100中心广场等工程。

高强钢焊接过程中影响焊接接头性能的主要因素，除钢材性能本身的影响外，主要取决于焊接方法、焊接用填充材料及焊接工艺。

从应用的高强钢焊接方法而言，主要有实芯焊丝气体保护焊（GMAW）、单丝或多丝埋弧焊（SAW）、电渣焊（ESW）和装配时的焊条电弧焊（SMAW），药芯焊丝气体保护焊（FCAW）因其熔深相对较小，一般不推荐用于高强钢的焊接。

就高强钢与普通Q345相比，由于其强度较高，因此其碳当量也较高，由此带来的热加工（切割、矫正）性和焊接性变差、热影响区淬硬倾向变大。

实际应用中，确保焊接接头性能、组装点焊开裂、大热输入焊接热裂纹的产生和热影响区性能下降等是高强钢焊接的主要问题，为此，在确定不同焊接方法的焊接工艺时应充分考虑以下因素。

（1）材料本身的焊接性 包括碳含量以及添加的微量元素；碳当量以及裂纹敏感性指数；被焊材料的厚度。

（2）焊接方法 不需要后热处理；大热输入焊接时HAZ韧性好。

（3）填充金属 熔敷金属扩散氢含量；微量金属的添加量。

（4）焊接工艺 热输入量及周围环境温度；坡口形状（仅限于半熔透情况、应力集中系数）；焊道（单焊道还是多焊道）；预热方法（加热速度、预热宽度）；接头的拘束。

总之，在焊接技术上首先应保障焊接接头性能达到设计的要求，在等强设计中，除接头强度能够达到母材“等级”外，应尽可能控制其强度最大值，以降低接头脆性断裂的风险；其次预防冷热裂纹的产生，特别是冷裂纹。由于材料的高强度，冶炼时添加了更多的微量元素，所以在碳元素含量较高时，必须慎重选择焊接参数和焊接辅助措施。

姜殿忠：目前我国建筑钢结构行业已从发展阶段逐步向成熟阶段迈进，钢产量和用钢量均居世界首位。在众多钢结构工程中，为了满足建筑造型及结构载荷的要求，厚板高强钢在建筑工程中的应用越来越广泛。

高强钢焊接过程中的重点及难点：①根据国际惯例，新钢种焊接性试验研究应由生产厂家和研究机构来承担，而在我国关于此类焊接性试验没有明确规定，一般由施工单位来承担，因此新钢种焊接性试验研究将会成为建筑钢结构工程中的重点和难点。②在合金结构中，随着合金元素的增多势必会影响焊接接头的硬化、软化及裂纹倾向，因此如何预防焊接裂纹及热影响区出现脆化现象也将成为高强钢焊接过程中的重点和难点。③预防厚板高强钢在焊接过程中出现层状撕裂也是高强钢焊接所要控制的重点和难点。④由于厚板高强钢坡口的大小直接影响着施工工期及焊缝内部质量，因此厚板焊接接头坡口的设计一直是工艺制作过程中关注的重点。

针对上述焊接过程中重点及难点，采取的主要工艺措施如下：

（1）选择与母材相匹配的焊材 在焊材的选取中尽量选择低氢、超低氢焊材，以减少焊接过程中出现裂纹、气孔等焊接缺陷的，具体焊材选用标准请参照GB8110—2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》、GB/T5293《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》标准最新版本之规定。

（2）坡口设计 由于厚板焊接工程量大、难度高，若采用窄而深的小坡口进行焊接，则不仅焊缝成形系数偏小、影响一次结晶、容易产生区域偏析，而且在拘束应力大的前提下进而导致焊接热裂纹的产生；若采用大坡口进行焊接，不仅增加焊接量，焊缝的焊接残余应力也随之增加，这对钢结构体系初始应力的控制极其不利，同时也影响工程工期，因此在工程施工中尽量采用30°～ 35°坡口（坡口角度和母材板厚成正比），坡口间隙6～10mm，当板厚超过40mm时要求开防层状撕裂坡口。

坡口加工要求采用火焰切割机进行，尽量避免手动开坡口进而影响后期的焊接质量。

（3）控制焊接裂纹的措施 ①焊前对焊缝及其周围100mm范围进行预热，预热温度参见GB50661《钢结构焊接规范》。②焊接过程中严格控制层间温度，要求不低于预热温度，焊接时尽量采用小电流控制焊接热输入，能有效地减少焊接变形及焊接应力；采用多层多道焊进行焊接时严禁摆弧。③焊后要及时对焊缝进行后热及消氢处理，可以使焊缝中存留的氢离子及时逸出，减小冷裂纹倾向。

低合金高强钢焊接对焊接设备和焊材的具体需求

杨高阳：高强钢焊接对焊接设备的需求在于高效快速、自动化、低的焊接热输入。目前多丝多弧埋弧焊机已经广泛应用于建筑钢结构领域，大大提高了生产效率。逆变焊机如果采用微处理器控制, 只需变更软件或改变面板的操作功能指示,即可实现各种焊接方法，如MAG、TIG、MIG和PulseMIG等，而且动特性可调。

目前焊材的发展滞后于钢材的发展，随着高品质钢材强度的提高，焊材将成为制约这些高品质钢材推广应用的瓶颈，因此高品质焊材的发展是亟待解决的重要课题。

（1）选用高洁净度的钢带和焊丝盘圆。

（2）原辅材料的洁净化，严格控制原辅材料中各种铁合金、矿物质的杂质含量。

（3）通过优化配方和工艺参数，降低焊丝中S、P、O、H、N等杂质的含量。

（4）研制新型焊条、焊丝和焊剂，通过微合金化措施，阻止焊缝金属高温奥氏体晶粒长大，细化焊缝金属的组织，使焊缝获得细晶铁素体、针状铁素体等强韧化组织，对于强度更高（＞600MPa）的微合金钢及超低碳贝氏体钢，可通过降碳并优化合金元素及微合金元素加入量，使焊缝金属成为超低碳贝氏体组织，强韧焊缝组织。

（5）对实芯焊丝CO2气体保护焊，在焊丝中增加其他表面活性元素，或采用含有表面活性元素的特种涂层焊丝（不镀铜焊丝），使焊丝中含硫量降至极低，在焊接时降低飞溅，改善焊缝成形。

宋统战：企业现有自动化焊接设备（含焊接机器人）占总焊接设备的比例为10%~15%。而国外同行业的先进企业焊接自动化设备占焊接设备的比例为50%以上，部分已达到90%。因此，中国焊接自动化市场发展空间巨大。 国外企业应用的数字化焊接电源占全部电源的25%~30%，并且还有逐年增高的趋势。国内企业近年来刚刚开始使用数字化焊接电源，发展速度较快，国外主要数字化焊接电源企业三年期间在中国销售数量增加了三倍，尽管如此，国内企业应用的数字化焊接电源占全部电源的比率仍低于5%。船舶、钢结构、桥梁、冶金设备及采矿机械等重点制造业都需要装备自动化程度高，性能优良，可靠性好的各种自动化专用成套焊接设备，焊接机器人工作站和焊接生产线，其市场容量相当大，发展前景乐观。

对焊接设备和焊材的具体需求如下：

（1）高效、高速、节能的焊接工艺趋势引起的电焊机发展，带有多丝（枪）协调功能的高效MIG/MAG焊机、TIG焊机；实现高速焊接的MIG/MAG焊机、TIG焊机；与激光协调的MIG/MAG焊机、TIG焊机。

（2）在当前逆变焊机基础上，采用新材料、新工艺、新控制方式追求进一步降低能耗的电弧焊机。

（3）低热输入量、低飞溅的MIG/MAG焊机。

（4）开发高级管线钢（如X70、X80、X100、X120等）和焊材，包括纤维素向下焊条、低氢铁粉型向下焊条、气体保护和埋弧焊用实芯焊丝、自保护药芯焊丝等。

（5）与耐火、耐侯等高强钢配套的焊材。

（6）高层及大跨度钢结构焊材及焊接热输入达1000kJ/cm 实芯焊丝。高品质焊材目前占国内焊材总量的20%左右，预计未来可达30%~40%，总量可达50万~60万t。

刘绪明：在焊接高强钢时，对设备和填充金属（焊材）的控制与选择也十分重要。对于焊接设备，第一，应确保设备的正常工作，包括电流、电压、气体流量表的精准度；第二，稳定的电源（电网的稳定性）；第三，在稳定的电源条件下，实现电弧稳定性。

对高强钢焊接用焊材的选择，对强度等级的要求只是指标之一。由于高强钢添加了微量合金和采用了控轧控冷技术，在实际应用中应充分考虑以下要素：①熔敷金属扩散氢含量。②熔敷金属本身的抗裂性。③大热输入焊接时，焊丝和焊剂的匹配以及特殊熔嘴电极等。

姜殿忠：为了实现高质量、高效率、高可靠性的厚板窄间隙焊接，需解决窄而深的坡口内侧壁焊接熔合质量、焊接飞溅聚集、工艺参数稳定性及焊接操作的可靠性等问题，避免坡口内焊缝金属的一次结晶产生区域偏析，进而产生热裂纹。

鉴于上述原因，提出如下焊接工艺方法：

（1）打底焊 采用改造型喷嘴的实芯CO2气体保护焊（见图7～图9）。首先，该方法可以保证窄间隙坡口环境下的顺利焊接；其次，利用GMAW的高效及熔深相对较大的优点，提高焊接质量和效率。

图7 尖嘴型喷嘴

图8 压扁型喷嘴

图9 新型气保焊枪喷嘴

（2）填充焊 采用双弧双丝自动气体保护焊接。一方面可以利用其熔嘴的优势取代了埋弧焊机头熔嘴无法进行窄而深的焊接；另一方面其焊接效率较焊条电弧焊有大幅度的提高，能够很好的保证焊缝的质量。

（3）盖面焊 采用双丝埋弧焊接。主要是提高焊接效率，保证焊缝的表面质量，获得良好的感观效果。

低合金高强钢焊接的未来发展趋势

宋统战：过去十多年以来，焊接技术在我国制造工程的各个领域已得到了较为快速的发展，从总体上来看，焊接技术的水平主要体现在焊接装备和焊接材料的水平，未来高端焊接设备和高品质焊接材料的发展应得到进一步的重视。大型装备发展的趋势是整体化和轻量化，高能束流焊接和固相焊接技术在大型装备制造整体化和轻量化发展上具有较大的优势，未来也将得到较为迅速的发展。

目前正在研究探讨的超级钢连接技术：薄板高强钢低温钎焊、可拆卸的高强度机械连接、搅拌摩擦焊、超窄间隙小能量脉冲式熔化极气体保护焊等。

几年后，当推广强度级别达800~1500MPa的新一代钢材产品时，届时焊接技术将发生重大变革。

刘绪明：低合金高强钢的焊接，在没有产生新的焊接方法之前，仍然以SMAW、GMAW、SAW和ESW为主。目前从高强钢的发展来看，国外通过微合金设计和控制，在TMCP的基础上进一步改进制造工艺，从而达到细化晶粒的目的，由此得到了低裂纹敏感性、高热影响区韧性的高强钢。

伴随高强钢的发展，其焊接技术的发展趋势如下：

（1）向大热输入焊接发展 高效的多丝埋弧焊、多丝气体保护焊、电渣焊等最实用的焊接方式目前仍被广泛应用，而且最大热输入已达到1000kJ/cm。这些焊接方法不仅高效，而且能够控制焊接热影响区的高温停留时间，加快冷却时间。

（2）开发与高强钢配套的焊接材料 性价比优异的高强钢需要焊接材料配套 新型微合金高强钢的开发和应用，如果没有与之配套的焊接材料，高强钢在更广泛的领域应用就无从谈起。这些焊材包括：适用大热输入焊接的焊丝，添加微量元素、抗裂性能优异的焊丝，飞溅少、性能高的高强度GMAW用焊丝，以及与高效多丝SAW相匹配的烧结型焊剂等。

（3）焊接关联规范或标准的完善 近年来，我国用于钢结构的材料标准不断完善，但焊接材料的标准相对迟缓，特别是焊接材料标准，已不能满足行业发展的需求。借鉴国外的成功经验，应打破行业界限，根据焊接材料类别和适用性方面进一步细分，以方便用户的选择和使用。

（4）新焊接工艺的开发和推广 随着微合金高强钢的开发、应用和大热输入焊接技术推广，新的焊接技术问题诸如HAZ软化等也随之产生。因此焊接工艺措施、母材与焊材强度匹配的选择、合理控制热输入和层间温度是未来研究和发展的重点。

（5）焊接智能化的应用 智能化发展是整个社会发展的必然，特别是劳动强度和环境都比较恶劣的焊接工作，势必需要更多的机器人替代。在实现设备自动化的同时，智能控制和跟踪技术是必不可少的，因此，跨专业、跨行业之间的协同与合作将成为新的产业领域。