高强钢厚板焊接最佳热输入研究

张建平，阙子雄，刘代龙，张达飞，章庆安

（浙江精工钢结构集团有限公司，浙江绍兴 312030）

高强钢厚板焊接最佳热输入研究

张建平，阙子雄，刘代龙，张达飞，章庆安

（浙江精工钢结构集团有限公司，浙江绍兴 312030）

通过四组钢板对接对比试验，母材为Q460E-Z35，焊接方法分别为SMAW和GMAW-CO2，通过改变焊接运条方式来改变焊接热输入，焊接接头经过UT探伤后，通过拉伸、弯曲、冲击、硬度、金相试验分析不同焊接热输入对焊接接头性能的影响。试验表明，采用多层多道错位焊接技术，焊接热输入的宽容度为15～30 kJ/cm，可以使焊接接头获得最优的综合性能。

高强钢焊接；宽容度；多层多道错位焊；摆动

0 前言

“中国2006～2020钢铁科学与技术发展指南”中明确提出，将逐渐稳定生产屈服强度400～800 MPa、抗拉强度600～1 400 MPa级高强度高韧性钢材以及提高强度1～4倍的21世纪超级钢。在钢结构行业中，随着钢板强度级别的提高，板厚的增大，合金元素比例增多，导致碳当量增加，焊接难度等级加大，高强钢焊接性试验将是钢结构焊接工程中的重点和难点。

高强钢焊接时，选择适宜的焊接参数可保存优质钢的优质特性，焊接热输入的大小将直接影响焊接接头的力学性能。热输入太大，会导致焊接接头合金元素过度烧损，热影响区宽度加大，脆化倾向严重，焊接接头综合性能下降；热输入太小，冷却速度较快，熔敷金属含氢量高，又会增加冷裂纹的敏感性。故焊接前匹配最佳热输入，确定焊接热输入范围的宽容度，既不会降低焊接接头的综合性能，又不会增加各种裂纹倾向，这是高强钢厚板焊接的关键。

现在一些国家的钢结构焊接规范当中，对钢板预热温度、道间温度控制、焊接热输入都作了相关规定。日本焊接协会已经对实心气保焊丝要求了最高焊接热输入和最高道间温度。在国内《钢结构焊接规范》（GB 50661-2011）中，也规定了预热温度和道间温度控制和一般焊接热输入，但无规定最高热输入。

母材为Q460E-Z35，焊接方法分别为SMAW和GMAW-CO2焊接时，在相同的焊接电流、电压前提下，影响焊接热输入的因素是什么？通过改变焊接运条方式能否改变焊接热输入？Q460E-Z35焊接热输入的理想“宽容度”又是多少？这是Q460E-Z35钢焊接必须要解决的技术关键，为此进行了四组对比试验。

1 试验材料和过程

1.1 材质

钢板材质为Q460E-Z35，板厚为50 mm，力学性能要求如表1所示。

SMAW的焊条牌号为CHE607，型号为E6015-D1，其熔敷金属力学性能要求如表2所示。

GMAW-CO2的焊丝为CHW-60C，型号为ER55-G，其熔敷金属力学性能要求如表3所示。

1.2 试验分组

试件分为四组，在相同的焊接电流、电压前提下，SMAW焊接试件的编号为A和B，A为多层多道焊，B为每层焊缝为一道或二道焊缝摆弧成形；GMAW-CO2焊接试件的编号为C和D，C为多层多道焊，D为每层焊缝为一道或二道焊缝摆弧成形。

1.3 坡口形式和焊接位置

四组试件的坡口形式如图1所示，试板组装如图2所示，焊接位置为平焊（F）。

1.4 试验过程

焊接工艺参数如表4所示。四个试件焊接过程如图3～图10所示。

2 试验项目和结果

2.1检测项目和数量

检测项目和数量如表5所示。取样位置如图11所示。

2.2 试验结果

2.2.1 宏观试验

宏观金相如图12～图15所示。

由图12～图15可知，四组钢板对接接头均无裂纹、气孔、夹杂、未熔透等缺陷。

2.2.2 拉伸试验

拉伸试验结果如表6所示。焊接热输入与抗拉强度关系曲线如图16所示。

由图16可知，随着焊接热输入的增加，钢板对接接头的抗拉强度降低。

2.2.3 侧弯试验

侧弯试验结果如表7所示。

所有弯曲试件弯曲角度为180°，由表7可知，四组试件弯曲试验均未出现裂纹。

2.2.4 冲击试验

冲击试验结果如表8所示。

根据表8数据，将四组试验冲击试验结果分别绘制成图17和图18曲线。

由图18可知，同种焊接方法，随着焊接热输入的增加，焊缝区和熔合线处的冲击功明显降低，而热影响区冲击功影响不明显。根据焊接热输入与冲击功关系曲线图关系，必须选择一个焊接热输入的“宽容度”来保证冲击功的大小。

2.2.5 硬度

硬度取样如图19所示。

A1～A4为母材，B1～B4为热影响区，C1～C2为焊缝，其中测点B1～B4与熔合线距离小于0.5 mm。

硬度试验结果如图20所示。

由图20可知，热影响区处硬度最高，且HV10＜350，说明无马氏体生成。

2.2.6 微观金相

检测结果如图21、图22所示。

根据以上结果，四组试验不同区域的晶粒度等级大小绘制成对比图33和关系曲线图34。

根据以上微观金相图和晶粒度大小对比图及关系曲线图，四种试件接头由于上道焊缝对下道焊缝的热处理效果，焊缝区域柱状晶成长方向已被打破，焊缝中心区晶粒细小，组织均为铁素体和珠光体，熔合线处的晶粒较焊缝区大，同时随着焊接热输入的增加，焊缝区和熔合线处的晶粒明显增大，热影响区不明显。

3 结论

（1）采用SMAW和GMAW-CO2两种不同焊接运条方式证实：改变焊接运条方式也就改变了焊接热输入，摆动运条方式热输入明显高于多层多道错位焊接运条方式。

（2）拉伸试验证实：由于摆动焊接焊接热输入显著增加，因此，该对接接头的抗拉强度明显降低。

（3）分别采用两种运条焊接方式焊接Q460EZ35钢板对接，钢板对接接头180°侧弯试验无裂纹，同时焊接接头硬度HV10≤350，说明无马氏体生成。

（4）从微观金相图得出结论：由于上一道焊缝对下一道焊缝的热处理效果，焊缝区域柱状晶成长方向已被打破，焊缝中心区晶粒细小，组织均为铁素体和珠光体，同时，熔合线处的晶粒较焊缝区大。

（5）通过晶粒度等级和冲击功数据比较分析，随着焊接热输入的增加，晶粒度等级发生变化，焊接接头焊缝区和熔合线处晶粒增大，（摆动运条）冲击功显著下降（热影响区不明显）。

（6）根据试验结果：本次试验焊接热输入的宽容度为15～30 kJ/cm，应用该热输入可以使Q460E-Z35钢焊接接头获得最优的综合性能。

试验结果分析，摆动运条焊接由于对焊缝及两侧热影响区反复加热和冷却，较多层多道焊接时的高温停留时间长，致使焊后晶粒较大，但由于上道焊缝对下道焊缝的热处理作用，焊缝区域无呈现柱状晶，晶粒也变得较小，但焊接接头的综合性能较多层多道焊差。多层多道焊使焊缝及两侧热影响区在高温停留时间短，且对焊缝没有反复加载的作用，同时有效的防止了偏析，综合性能良好。

另一方面，由于手工焊条药皮的药皮渗合金作用，填补了焊接时微量合金的烧损，保证其焊接接头的性能高于CO2气体保护焊。在建筑钢结构高强钢厚板焊接当中，应积极推广采用“多层多道错位焊接技术”，重要的焊接接头可以采取焊条电弧焊进行焊接。

Research on the welding process of high strength steel plate

ZHANG Jian-ping，QUE Zi-xiong，LIU Dai-long，ZHANG Da-fei，ZHANG Qing-an
（Zhejiang Jinggong Steel Structure Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China）

Through the comparing test of 4 groups of steel plate butt joint,the base material is the Q460E-Z35，the welding method respectively is SMAW and GMAW-CO2，when welding，to change the welding heat input by changing the welding operation mode，welding joint after UT detection，analyze the different effect of welding heat input on the welding joint performance by stretching，bending，impact，hardness，metallographic test.The test show that，using"Multi-layer and multi-pass dislocation welding technology"，The welding heat input"width"of 15～30 kJ/cm，the welding joint will obtain the best comprehensive properties.

high strength steel welding；width；Multi-layer and multi-pass dislocation welding；swing

TG457.11

：A

：1001-2303（2014）02-0027-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.06

2013-10-16

张建平（1982—），男，浙江绍兴人，学士，主要从事焊接工艺制定与管理工作。