关于高强度钢Q420GJC焊接工艺及节点优化的研究李军

关于高强度钢Q420GJC焊接工艺及节点优化的研究李军

李军

（山东颐杰鸿丰能源装备有限公司）

摘要：高强钢目前在建筑钢结构中使用的逐渐增多，“奥运鸟巢”、“世博”是高强钢建筑成功的案例，越来越多的高层建筑也使用高强钢进行制作。在制作过程中，高强钢的焊接一直是一个制作难题，本文将对高强钢Q420GJC材料的焊接性进行分析，进而确定正确的焊接工艺措施作出研究。

关键词：高强钢、Q420GJC、焊接工艺、层状撕裂

[Abstract]High-strengthsteelisusedmoreandmoreinbuildingsteelstructurenowadays.The"OlympicMainVenue"and"WorldExpo"aresuccessfulcasesofhigh-strengthsteelbuilding.Meanwhile,moreandmorehigh-risebuildingsaremadeofhigh-strengthsteel.Weldingofhighstrengthsteelhasalwaysbeenadifficultprobleminthemanufacturingprocess.ThispaperwillanalyzetheweldabilityofhighstrengthsteelQ420GJC,andthendeterminethecorrectweldingprocessmeasures.

[Keywords]High-StrengthSteel,Q420GJC,WeldingProcess,LamellarTear

0引言

对于高强度钢的焊接工艺中，如何防止焊接冷裂纹的产生，焊接出合格的焊缝，一直是工厂生产制作中一个难题。为避免工厂焊接过程中焊接缺陷的产生，降低焊缝返修率，提高生产效率。

1概述

高强度钢通常是指屈服强度下限Rel≥400MPa，抗拉强度Rm在500~1200MPa范围内的钢材，Q420GJ材料根据GB/T19879-2015《建筑结构用钢板》标准要求：厚度为＞50~100mm的钢板，屈服强度Reh为400~530MPa，抗拉强度Rm为520~680MPa，属于高强度钢，根据2012年实施的GB50661-2011《钢结构焊接规范》规定，Q420GJ钢材属于III类高强度钢。

在天津中钢海螺湾项目中采用Q420GJC材料，钢柱板厚为80mm及100mm，在焊接过程中极易产生焊接缺陷，本文针对项目中一个焊接难度大的联柱节点进行分析，确定出防止焊接缺陷产生的焊接工艺，焊接出质量合格的焊缝。

2Q420GJC材料焊接性分析

2.1Q420GJC材料化学成分

根据GB/T19879-2015《建筑结构用钢板》标准要求，Q420GJC化学成分如下表2-1所示。

表2-1材料化学成分

2.3Q420GJC材料焊接性相关计算及分析

2.3.1Ceq法确定材料抗冷裂纹性能

计算钢材的冷裂纹倾向，通常使用碳当量来表示冷裂纹倾向与钢材化学成分的关系，关于碳当量的计算公式有很多，对于Q420GJC材料，分别采用日本工业标准（JIS）推荐的碳当量公式与根据GB/T19879-2015《建筑结构用钢板》标准中碳当量公式与国际焊接学会（IIW）推荐的公式如下：

对舞钢提供的Q420GJC材料按照公式1、2抽查计算结果分别是：0.42%和0.41%。

碳当量越高，则淬硬和冷裂倾向越大，焊接性就越差，一般认为，Ceq＜0.4%的钢材其焊接性良好；Ceq=0.4%~0.5%的钢材其焊接性较差。

按照碳当量的计算结果看，Q420GJC材料焊接性较差，有产生焊接冷裂纹的倾向，在焊接时，应采取预热措施防止冷裂纹。

2.3.2高强钢屈强比的计算

无论是在结构设计时，还是在焊材选用时，钢材力学性能是主要选用依据。而钢材的屈强比是钢材塑性储备的主要表征，这是因为钢材的强度性能是焊接高强度钢的主要力学性能，屈服强度（Rel）是工程设计确定许用应力的依据，而抗拉强度（Rm）是强度储备的主要指标。屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比（Rel/Rm），是一个选择钢材的重要参数，对不同的用途有不同的要求，低的屈强比钢材有利于加工成型，有较高的结构可靠性，高的屈强比钢材使钢材的强度潜能得以较大的发挥，具有较大的抗失稳破坏能力。然而，屈强比的大小关系到焊接接头的强度配比选择和钢材的焊接性却鲜为人知。

在高强钢焊接性试验的研究中发现，强度级别越高，屈强比越大，其断裂形式越接近于脆性断裂。因此，在设计界，对抗震受力构件的设计中，对钢材的屈强比提出了十分严格的要求。

研究发现：当屈强比小于0.85的钢种，其焊接性比较接近普通低合金高强度钢，可焊性较好，较好的焊接材料容易获得，因此Rel/Rm指标对选择焊材十分重要。

而Q420GJC材料的屈强比在0.75左右，小于0.85，可以采用理论上的等强配比的原则来选择焊材。

根据GB50661-2011《钢结构焊接规范》表7.2.7常用钢材的焊接材料推荐表可以选择F55A4-H08MnMoA的埋弧焊丝。根据GB/T8110-2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》标准可以选择ER600-G(成分及力学性能供需双方协定)的实心气体保护焊的GMAW焊丝进行Q420GJC材料的焊接。

3Q420GJC材料焊接工艺的分析

3.1材料进厂检验

除按相关标准对原材料及焊材抽样检测化学成分及力学性能试验外，对于母材必须增加厂内层间裂纹检测。

厚度δ=100mm与δ=80mm属于厚板，且有Z向性能要求，所以钢板进厂后，必须对钢板逐张进行层间裂纹检测，可采取超声波探伤（UT）的无损探伤的方式。

3.2节点形式的分析及优化

本文所选用的典型联柱间节点如图3-1（a）所示，从图中可以看出联柱中间翼板两侧各有一条焊缝，虽钢板拥有Z25的Z向性能，但是较大的热输入会产生很大的焊接拉应力，而翼板两侧则受较大的剪力与弯矩，如图3-1（b）示意简单的翼板所有的两侧焊缝的应力方向，如此，中间翼板极易造成层状撕裂。

（b）应力方向示意图

图3-1节点示意图

为了防止翼板因焊接应力产生层状撕裂，必须对此节点形式进行优化，如图3-2所示，优化后的节点形式，在防止翼板层状撕裂的同时，也增加了结构的观感质量。从图中可以看出，翼板板厚方向的受力明显大幅度的减小，大部分剪力和弯矩由焊缝承受，在制作时，此焊接工艺节点优化方案完全可以保证此节点的综合力学性能。按此优化节点形式在制作中的产品实物如图3-3所示。

图3-3节点优化实物图

3.3焊前预热及后热

3.3.1焊前预热

从本文的2.3.1条可以得知，Q420GJC材料的焊接性较差，具有较强的冷裂纹倾向，在焊接时应采取适当措施进行焊前预热。

焊前预热可以延长焊缝金属从峰值温度降到室温的冷却时间，使焊缝中的扩散氢有充分的时间溢出，避免冷裂纹的产生，延长了t8/5（焊接接头从800℃到500℃的冷却时间），改善焊缝金属及热影响区的显微组织，使热影响区的最高硬度降低，提高焊接接头的抗裂性。

焊前预热温度可以根据《现代焊接技术手册》（曾乐）第696页介绍的估算预热温度的公式来确定。

根据表3-1计算结果可以确定，此节点试验的预热温度为166.8-200℃。

3.3.2后热处理

焊接完成后，焊缝内部的氢含量很高，为了让氢能够及时的溢出，防止产生氢致裂纹，焊接完成后必须立即进行后热处理。根据GB50661-2011《钢结构焊接规范》7.7焊后消氢热处理规定：消氢热处理的加热温度应为250℃~350℃，保温时间应根据工件板厚按每25mm板厚不小于0.5h，且保温时间不得小于1h，达到保温时间后应缓冷至室温。

根据标准规定，可以计算出需要的保温时间为2h。

3.3.3焊前预热及后热注意事项

预热的加热区域应在焊缝坡口的两侧，宽度应大于焊件施焊处板厚的1.5倍，且不应小于100mm；预热温度宜在焊件受热面的背面测量，测量点应在远离电弧经过前的焊接点各方向不小于75mm处；当采用火焰加热预热时，正面测温应在火焰离开后进行。

后热处理应在焊接完成后立即进行，覆盖保温棉前及保温过程中，必须确认温度在250℃~350℃范围内。保温宽度应不小于400mm，保温棉应压实，如图3-4所示的实例照片所示。

温度测量工具必须使用专用的测温仪器，例如红外线测温仪，图3-5所示为红外线测温仪在预热时进行温度测量的实例照片。

图3.5红外线测温仪预热温度测量照片

预热及后热对消除冷裂纹有十分重要的作用，在制作过程中，焊接Q420GJC材料前，若不进行焊接预热处理，焊缝焊接完成后极易出现延迟冷裂纹，如图3-6所示，从图中可以明显的看到，焊缝表面出现了可视的冷裂纹。

3.4焊接方法的选择

为了减少人工因素对焊接质量的影响，以及提高生产效率，选用实芯二保焊进行打底焊，使用埋弧焊进行填充与盖面，这样可以减少打底焊层的焊接缺陷，同时使用埋弧焊填充及盖面可以提高工作效率。

根据本文2.3.2的论述结果，埋弧焊丝可以使用F55A4-H08MnMoA焊丝，实心气体保护焊选择ER60-G焊丝。

3.5焊接过程中的注意事项

埋弧焊剂必须按照包装要求进行烘干操作，与F55A4-H08MnMoA焊丝配合的焊剂选用SJ101，温度300℃~350℃烘干2小时。

道间温度的控制也是提高焊接质量的重要措施，按照《钢结构焊接规范》要求，在焊接过程中，最低道间温度不应低于预热温度，静载结构最大道间温度不宜超过250℃，动载结构和调质钢焊接时，最大道间温度不宜超过230℃。根据节点结构受力，为静载结构，所以在焊接此节点时，道间温度应控制170℃~250℃范围内。

4裂纹缺陷清除方法

焊接裂纹是焊接缺陷形式中影响最为严重的，对此，本文对裂纹缺陷（含层状撕裂）的清除做出了详细的工艺要求。

图3-6未进行焊前预热及后热处理的焊缝表面裂纹照片

4.1清除步骤

首先使用合适的探伤方法（UT、PT、MT等）确定缺陷的具体位置及裂纹的方向、长度、深度等，并标注明确。

对于深度小于0.5mm的缺陷（表面裂纹），在焊角高度允许的情况下，可使用砂轮打磨的方法清除，清楚后将焊缝打磨至圆滑过渡；

对于深度大于0.5mm的缺陷，应采取碳弧气刨的方式清除缺陷，处理步骤如下：

①必须采用机械钻孔的工艺对所有裂纹两端钻止裂孔，钻孔直径8-10mm，钻孔深度在UT检测深度的基础上加约3-5mm，裂纹较长的中部可以增加钻孔数量，此举的目的是破坏由于焊缝收缩形成的强大拉伸应力场。

②钻孔完成后，对处理表面按照预热要求进行预热，然后进行气刨，气刨深度以钻孔深度为准，同时必须刨除裂纹两端各50mm的完好金属。

③清理完成后，立即进行保温，保温前必须使用红外线测温枪对待保温焊缝进行精确的温度测量，以保证保温时焊缝温度在要求范围内。

④对刨削的坡口进行打磨，应用MT或PT进行检测，如果存在裂纹，还必须刨除打磨，直到裂纹消除为止。

4.2注意事项

在钻止裂孔前禁止用碳弧气刨直接刨削裂纹，否则气刨的高温给拉伸应力场补充能量，促使裂纹向纵深扩展，扩展趋势和扩展实际直到拉伸应力基本消除为止，给处理工作造成进一步的困难，在实践中，有的单位深受其害，几乎让焊接接头报废。

5结论

根据此文计算与分析结果，制作焊接工艺试件后，按照GB50661-2011标准进行工艺评定试验，实验通过，焊接工艺正确。

对于Q420GJC材料焊接时焊接冷裂纹的产生是主要的焊接缺陷，对于防止焊接冷裂纹的措施，可以通过严格控制预热及后热工艺来控制。另外，根据材料的性能选择合适的焊接材料也是很重要的，为了减少焊缝填充金属产生的焊接缺陷，在焊材强度计算允许的情况下，可以遵循“低强匹配”的原则进行，最多使用“等强匹配”，尽量避免按照“超强匹配”的原则来选择焊材。

在进行接头坡口设计时，务必要采用避免裂纹产生的接头，同时降低接头刚性，以降低层状撕裂及冷裂纹产生的机率。