高强钢焊接：需资质工程师监督，遵循规范程序，保证焊接质量

高强度钢通常可以进行焊接。高强度钢的焊接性能因生产方法和钢材本身的特性而略有不同。高强度钢的焊接工艺与普通钢材并无明显区别，即可以采用所有常见的熔深焊接方法。但考虑到高强度钢材料本身的复杂特性，高强度钢焊接的操作过程和焊接质量需要有合格的焊接工程师进行监督和指导。

焊接缺陷可能位于焊缝金属中，也可能位于焊缝附近（或热影响区）的母材中。因此，焊接材料的化学成分对于焊缝能否达到足够的强度和韧性非常重要。为了避免焊接过程中加热和冷却循环引起的缺陷，必须制定并通过标准化的焊接工艺规程并严格遵守。

现场焊接应按照与工厂焊接相同的高标准进行，并且必须由合格的焊工按照以下章节中描述的焊接工艺规范进行。现场焊接可能还需满足其他要求，例如需要确保安全通行，并保护焊接现场免受天气影响，同时不影响焊接质量。BCSA 发布的指南 53 提供了有关焊接高强度钢的建议。

焊接质量控制也可参照国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661-2011、《钢结构施工质量验收规范》GB50205进行。

可焊性

碳当量值 (CEV) 和焊接材料的可用性

在评定钢材的焊接性时，通常以碳当量值（CEV）作为参考，它其实是一个与钢材化学成分有关的淬硬性指标。计算CEV的公式有多种，其中公式（10-1）是国际焊接学会（IIW）对CEV的定义，包括国家标准GB 50661在内的许多钢材焊接规范中也都采用了这个公式，但这个公式不适用于含硼钢。

一般来说，碳当量越高，钢的淬透性指标越高，焊接接头越容易产生氢冷裂纹。国标高强度钢板及空心型材允许的最大碳当量值可参考表10.3和表10.4。

热机械轧制钢的碳当量较低，这意味着这种钢种不易在热影响区产生氢致冷裂纹。但需要注意的是，热机械轧制钢在焊接过程中可能会发生一定程度的热影响区软化，因此通常建议限制热输入，以避免焊接节点的机械性能下降。

相比之下，调质钢的碳当量和淬透性指数较高，因此更容易在热影响区产生氢致冷裂纹。焊接热输入也应限制，避免钢材回火过度，导致力学性能下降。调质钢热影响区的软化现象不是很明显。

市售钢材的碳当量值可能低于表中所列的最大允许碳当量值。因此，在订购高强度钢时，可以对焊接性规定更严格的要求。具体要求应由焊接协调员与钢材供应商协商确定，以确保这些要求对于满足结构性能是有效和实用的。

表10.1 Q355~Q460钢热轧交货碳当量（GB/T 1591）

表10.2 正火及正火轧制状态交货的Q355～Q460钢碳当量（GB/T 1591）

表10.3 热机械轧制或热机械轧制回火状态交货的Q355至Q690钢碳当量（GB/T1591）

表10.4 Q345GJ至Q690GJ高强度钢碳当量（GB/T 19879）

焊接材料

应根据焊缝的设计强度和韧性要求选择合适的焊材。钢铁厂和焊材供应商会对高强钢焊材提出一些建议，包括使用低强度的配套焊材以避免氢致冷裂纹，使用含氢量低的焊材进行焊接等。高强钢焊材通常比普通钢焊材价格昂贵。焊材根据其强度等级和焊接工艺进行分类，针对不同的焊接工艺制定具体的标准。高强钢焊材的碳当量高于普通钢焊材。高强钢母材通过严格控制组织、细化晶粒来提高强度，而焊材则通过微合金化来提高强度。这也意味着高强钢焊材也可能先于母材产生氢致冷裂纹。

与普通钢焊接结构一样，可能需要根据焊接材料而不是母材来控制焊接参数。

如果作用在焊缝上的应力较大，则需要选择抗拉强度接近或等于母材强度的焊缝，并使用强度匹配的焊接材料；如果焊缝的应力水平较低，则考虑使用强度匹配较低的焊接材料，以有效避免焊接接头产生裂纹。

对于-20°C时冲击吸收能量不小于40J的正火钢和热机械轧制钢，标准碳钢高锰焊丝即可满足要求。必须根据钢铁制造商的建议选择合适的焊接材料。

焊接接头的准备和加工

焊接坡口通常采用热切割和机械加工方法制备（见第 9.2 和 9.7 节）。所有常见的坡口加工方法均可用于高强度钢 61。在热切割过程中，接头表面可能形成一层薄氧化层，应在焊接前将其去除。对于较薄的钢板，焊接坡口可采用剪切加工。建议去除氧化层以保证焊接接头的性能。对于强度等级高于 Q460 的钢材，应将切割区域打磨以去除氧化层，并确保通过目视检查、渗透剂或磁粉检测未形成裂纹。可见的裂纹可通过打磨去除，并调整坡口的几何形状。

焊接时应注意防止焊渣飞溅，如焊渣溅出焊缝熔合区，应对钢材表面进行打磨检查，强度高于Q460的钢材应进行外观检查、着色渗透或磁粉探伤，并将焊渣打磨清除。

焊接时应尽量减少临时支撑，如无法避免，应与工程师或设计师沟通，确定临时支撑的位置。临时支撑应采用切割或打磨的方式拆除，避免损伤母材，并仔细打磨平整。拆除临时支撑的部位应进行目视检查，强度等级高于Q355的钢材应进行无损检测。强度等级高于Q460的钢材不得擅自切割。

与普通钢材相比，高强度钢在焊接过程中产生的焊接变形更大，因此需要对焊接过程进行更严格的控制，并且需要更多的夹具进行固定。

焊接材料力学性能

为了使焊接接头满足力学性能要求，焊接材料和焊接热影响区都必须具有足够的强度和韧性。焊接接头的强度取决于几个因素，例如焊接材料（等强度匹配或低强度匹配，见第 6.3.1 节）、化学成分（碳当量）、热输入、预热温度和层间温度。（预热温度是焊接开始前被加热部件表面达到的温度，层间温度是后续焊接开始的温度）。

焊接材料的强度主要取决于焊接材料的类型，而热影响区（HAZ）的强度取决于焊接后的冷却时间（8/5）。

热输入

全熔透焊接的热输入（）计算方法由公式（10-2）给出。热输入与电压、电流和焊接速度有关。虽然对于传统焊接方法来说，热输入越大，生产效率越高，但在实际生产过程中，首先应该考虑的是降低热输入，因为这将使钢结构更具延展性、强度更高、变形更小（特别是厚度较薄的高强度钢结构）、残余应力水平更低、热影响区（HAZ）宽度更小。您可以直接与钢铁生产商沟通，以获得不同强度等级和交货条件的钢材的推荐热输入值。

焊接电弧的能量在哪里

为焊接电压（V）

为焊接电流（A）

为焊接速度（mm/min）

焊接效率：MAG、MMA取0.8；SAW取1.0；TIG取0.6

冷却时间 8/5

焊接过程中的加热和冷却循环对焊接接头的机械性能有显著影响。焊后冷却时间（8/5）是指焊缝从 800°C 冷却到 500°C 所需的时间，以秒为单位。焊后冷却速度对结构至关重要，因为在此过程中，材料的微观结构、热影响区的韧性、强度和硬度会发生变化。

实际生产中，8/5可以通过热输入和预热温度两个焊接参数进行调整，提高热输入和预热温度，都会导致冷却速度变慢，从而使冷却时间8/5变长。在确定焊接参数和几何尺寸后，可按照欧洲标准EN 1011-2 62确定冷却时间8/5。如果没有可用的冲击吸收功、韧脆转变温度与硬度与8/5的关系曲线，建议按照国家标准GB/T 19869.1 63和国际标准ISO 15613 64进行焊接工艺评定试验。需要确定8/5的上下限，以保证焊缝和热影响区的力学性能满足要求。 当冷却时间（8/5）较短（例如热输入小、板厚大或工作温度低）时，热影响区硬度可能超过极限值，产生氢致冷裂纹。冷却时间过长，会导致热影响区强度和韧性降低。对于强度等级不超过Q700的高强度钢，冷却时间一般应为5～20秒，对于强度更高的高强度钢，应将冷却时间缩短至5～15秒，以保证焊接结构的性能满足要求。

热影响区软化

高强度钢焊接过程中，由于组织变化，热影响区可能产生软化现象。软化区的宽度和硬度主要与材料厚度、热输入有关。如果板厚较小或热输入较大，软化区宽度增大，强度较低。​​如果采用适当的热输入，可以保证热影响区的强度达到母材的设计强度。

氢致开裂

焊接后热影响区温度低于200℃时，如果组织韧性不够，焊缝中存在氢，残余应力较大，则可能产生裂纹。此类裂纹的形成与钢的合金含量有关：碳当量（CEV）越低，焊接后越不容易产生氢冷裂纹。

焊接材料或接头表面可能存在铁锈等杂质，导致焊接区域产生氢。由于材料冷却时收缩，焊缝附近会产生残余应力。

如前所述，热机械轧制钢的碳当量较低，因此不易受到氢致冷裂纹的影响。

相反，淬火回火钢的碳当量较高，因此往往对氢致开裂更敏感。无论哪种情况，都应采取适当措施避免氢致开裂。欧洲标准 EN 1011-2 的附件 C 提供了一些关于如何调整最低预热温度以避免氢致开裂的建议。

预热和层间温度

预热部件可降低氢致开裂的风险。预热可减缓焊接后部件的冷却速度，使氢有足够的时间扩散出去。氢的扩散温度主要在 100°C 至 300°C 之间。

除了预热外，焊接时还必须保持层间温度。焊缝两侧加热区域的宽度至少应大于 100 毫米。层间温度和热输入应保持相对较低，以防止晶粒长大（导致韧性降低）和过度回火（导致强度降低）。

是否需要预热应按照欧洲标准EN 1011-2附录C来确定。例如，当已知钢材的碳当量、焊接接头的板厚、焊缝材料的氢含量和热输入时，可以按照EN 1011-2附录C中的方法A选择适当的预热温度和层间温度。

您也可以与钢材制造商沟通，咨询有关预热温度和层间温度的建议。

焊接质量检验

高强度钢焊缝的检验与试验应按照国家标准GB 50661进行。结构应在焊接后进行检验和评估，并作为焊接工艺规程（WPS）的一部分。

氢冷裂纹又称为“延迟裂纹”，因为它通常发生在焊接后。对于高强度钢焊接结构，应在焊接后达到最短保温时间要求后进行磁粉检测（NDT）。最短保温时间通常在8至48小时之间，如表10.5所示。

表10.5 高强度钢焊后保温时间要求（改编自EN 1090-2表23）

上述焊后保温时间是最低要求。对于关键结构，应考虑更严格的要求。例如，所有高强度钢在磁粉检测前都应经过48小时的保温时间，这也可能与相关钢的碳当量有关。此外，还应考虑增加检测要求。

焊后热处理

焊后热处理（PWHT）主要用于降低部件中的残余应力或使氢在钢结构中扩散以避免开裂。PWHT 通常在 200°C 左右进行。如果规范要求进行 PWHT，则应与钢材制造商沟通，以确保 PWHT 不会对钢材的机械性能产生不利影响。

钢制造商还应证明所选高强度钢的焊后热处理程序符合要求。

异种材料焊接

高强度钢与普通钢焊接时，必须考虑两种钢的焊接性。焊接异种材料时，与焊接高强度钢一样，焊接材料强度的选择应以强度较低的钢为准，并严格遵守总热输入、焊接材料保养和维护、焊接材料选择和焊接材料氢含量控制等规程。焊接异种钢时，焊接材料的抗拉强度不必高于连接中强度最低的材料，但仍需注意控制氢含量，避免产生氢冷裂纹。

本文转发自：铌科科技微信公众号