低合金高强度结构钢的焊接

随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、耐磨损以及其他特殊物理、化学性能的要求。为了改善钢的力学性能、工艺性能或理化性能，有意往钢中加入一些合金元素，这种钢就是合金钢。合金钢的发展促进了工业技术的进步，例如长江上的三座大桥：武汉大桥、南京大桥、九江大桥。武汉大桥建于20世纪50年代，主跨度只有128 m，主体结构为碳素结构钢，整体强度低。南京大桥，建于20世纪60年代，为低合金高强度结构钢16Mn，主体跨度160 m，比碳钢节约20%材料。九江大桥，建于20世纪80年代，主体跨度216 m，采用低合金高强度钢15Mn VN，15Mn VN属于C-Mn型微合金化钢晶粒结构钢。这类钢具有高强度和很好的综合机械性能，比16Mn节约20%的材料。

基础知识

合金钢中除铁、碳及合金元素外，还有炼钢时随生铁、脱氧剂和燃料带入的硅、锰、硫、磷、氮、氢、氧等元素。合金钢的分类，按钢中含合金元素总量：分为低合金钢（Me<5%）、中合金钢（Me=5%～10%）和高合金钢（Me>10%）；按用途分：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢；用来制造焊接结构的低合金可分为强度钢和专业用钢（低温钢、耐热钢）。其中强度钢以低合金高强度钢应用最广泛。

低合金高强度结构钢的分类及用途

根据GB/T 1591–2008（《低合金高强度结构钢》）规定，低合金高强度钢分为8个牌号，Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690；由于质量不同分为A、B、C、D、E等级。见表9-4。

表9-4 常用低合金高强度钢应用举例

低合金高强度结构钢焊接时的主要问题是：

1.焊接裂纹（焊接接头的冷裂纹）

低合金高强度结构钢焊接时，在焊缝和热影响区容易产生的冷裂纹，它主要发生在强度级别较高的厚板钢材结构中。这是因为随着钢材强度级别的增加，碳当量及板厚的增大，其淬硬倾向大，造成冷裂倾向增大。低合金高强度结构钢产生热裂纹的可能性比冷裂纹小得多，只有在原材料化学成分不符合规定时才能发生。

2.焊接热影响区的淬硬倾向

低合金高强度结构钢焊接过程中一个重要的特点是热影响区有较大的淬硬倾向，影响淬硬倾向的主要因素是：

（1）化学成分 低合金高强度钢中化学成分不同时，淬硬倾向也不同，一般随着含碳量和合金元素的增加，淬硬倾向增大。

（2）冷却速度  焊后冷却速度越快，淬硬倾向也越大。焊后的冷却速度取决于焊件的厚度、尺寸大小、接头形式、焊接方法、焊接工艺参数大小及预热温度等。

（3）粗晶区脆化 低合金高强度钢焊接时，热影响区被加热到1 100℃以上的粗晶区是焊接接头的薄弱区，冲击韧性也最低，即所谓的脆化区。

任务实施

一、焊接方法的选用

不同的焊接工艺方法的特点不同，因而对焊接接头的性能也会产生不同的影响。

低合金结构可采用焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、CO2气体保护焊和电渣焊等焊接方法，焊接方法取决于产品结构、板厚、性能要求和生产条件等。

二、焊接材料的选择

低合金高强度结构钢一般按“等强”原则选择与母材强度相等的焊接材料，并综合考虑焊缝的韧性、塑性和抗裂性。只要焊缝金属的强度不低于或高于母材的下限值即可。低合金高强度结构钢焊接时所采用的焊接材料见表9-5。

续表

表9-5 低合金高强度钢常用焊接材料

三、焊接工艺要点

1.预热

焊前预热能降低焊后冷却速度，避免出现淬硬组织，减小焊接应力，是防止裂纹的有效措施，也有助于改善接头组织与性能，是低合金高强度结构钢焊接时常用的工艺措施。预热温度取决于钢材的化学成分、板厚、焊接结构形状和拘束度以及环境温度。几种低合金高强度结构钢焊接时所采用的预热温度见表9-6。

表9-6 低合金高强度结构钢焊接时所采用的预热温度

2.控制热输入

热输入的确定取决于过热区的脆化和冷裂纹趋向。由于各种钢的脆化与冷裂纹倾向不同，因而对焊接热的输入要求差别大。焊接含碳量低的钢时，对热输入没有严格控制，但热输入偏小更好。焊接含碳量偏高的钢时，热输入应偏大些。由于强度等级较高的低合金高强度钢淬硬倾向较大，应选用较大的热输入，但输入不能过大，否则增大粗晶粒区脆化倾向。

3.后热及焊后热处理

低合金高强度结构钢后热主要是消氢处理，是防止冷裂纹的有效措施之一。几种低合金高强度结构钢的焊后热处理温度及工艺见表9-7。

表9-7 低合金高强度结构钢的焊后热处理温度

拓展提高

低合金高强度压力容器用钢的焊接

选用低氢或超低氢高韧性的焊材，且重视烘干、保存以及坡口的清理，以减少焊缝中的扩散氢。

为了避免热影响区粗晶区的脆化，一般应注意不要使用过大的线能量。对于含碳量偏下限的16Mn R钢焊接时，焊接线能量没有严格的限制，因为这种钢焊接热影响区脆化倾向较小，但对于含钒、铌、钛等微合金化元素的钢，则应选用较小的焊接线能量。

对于碳及合金元素含量较高、屈服强度也较高的低合金高强钢，如18Mn Mo Nb R，由于这种钢淬硬倾向较大，又要考虑其热影响区的过热倾向，则在选用较小线能量的同时，还要增加焊前预热、焊后及时热处理等措施。