高强钢结构加工指南：确保质量与安全的关键要点

本章主要提供高强度钢结构加工的推荐做法，并强调高强度钢结构在加工过程中的特点。本章的内容旨在为初步评估钢结构制造商是否具备足够的资质提供必要的信息。

如果不同等级或品质的钢材一起流通，则必须清晰标记高强度钢部件以识别其等级。建议不要在 Q500 以上的钢材上使用压印、冲孔或钻孔标记，以防止可能出现的应力集中。

高强度钢构件的加工工艺与普通钢构件并无明显区别。但一般认为，为避免高强度钢构件机械性能的降低和氢冷开裂问题，加工过程应进行更严格的控制。炼钢过程中最常见的氢来源是大气中的水蒸气。氢也可来自钢材表面的氧化层（氧化物）、油脂、油漆或覆盖在钢材基体上的其他涂层。焊条或焊丝也可能含有氢，因为它们如果储存或处理不当，很容易吸收水分，从而导致焊接过程中引入氢气。此外，如果使用了错误的保护气或焊接设备，焊接过程中也会引入氢气。

应特别注意高强度钢的热处理工艺。如果将高强度钢置于高温下而不加控制，材料的微观结构可能会发生变化，从而对其性能产生不利影响（尤其是热机械轧制钢和回火钢）。高强度钢之所以由高强度钢制成，是因为其高强度是通过受控的冷却和热处理过程实现的。用于加工高强度钢的工具通常比用于加工普通钢的工具更昂贵。通常使用更硬、更耐用的钢材。使用“更好”的高强度钢刀具可确保这些刀具的使用寿命。虽然高强度钢可以用加工普通钢的刀具和钻头来加工，但它们的性能和寿命可能会受到影响。同样，高强度钢的冷弯也需要更好的设备。

高强度钢的结构形式多由产品类型决定，因此比普通钢结构受到更多的限制，例如热轧开口型钢的强度等级最多只能达到Q390，而要得到强度更高的工字钢，必须对焊接型材进行机械加工。

热切割

高强度钢可以采用与切割普通钢相同的方法进行热切割（火焰切割、等离子切割和激光切割）。

由于切割时产生的热量，附近的金属，即热影响区 (HAZ)，其微观结构和性能会发生变化，与母材不同。HAZ 的性能取决于钢材的交货状态、化学成分以及切割时高温的影响。

热切割引起的钢材力学性能变化通常是不利的，会造成热影响区的性能低于母材，进而产生残余应力、焊接裂纹（热裂纹和冷裂纹），使钢材的脆性增加，强度降低，耐腐蚀性能降低。因此，损伤通常发生在热影响区。

高温慢速下进行热切割往往会产生较大的热影响区，而低温高速下切割则会减少热影响区的范围，热影响区的大小与切割工艺有关：火焰切割的热量影响区最大，其次是等离子切割、激光切割。一般情况下，火焰切割造成的热影响区总宽度只有2-3mm，热影响区的宽度还与板材厚度有关，有的板材热影响区宽度可能超过10mm。

热切割后48小时至数周内，切割面可能会出现裂纹。钢板切割边缘开裂是与焊缝氢冷裂纹密切相关的现象。它取决于钢中的氢含量和残余应力水平。对于Q460至Q690的高强度钢，建议将自由边表面硬度控制在不超过450 HV10（维氏硬度指数）。

降低氢含量和残余应力有助于防止边缘开裂，例如通过预热或切割后加热该区域、降低切割速度或降低冷却速度。切割后钢板的硬边缘可用抛光或机械切割去除。这对于桥梁和其他对疲劳敏感的结构尤其重要，因为热切割后的钢板边缘硬而脆，容易开裂。

建议仅使用标准化程序进行高强度钢的热切割，并且这些程序应由独立的第三方记录并批准。

本规范程序对焊接工艺检验的宏观检验和热影响区硬度检验应采用与焊接工艺检验相同的标准，并经批准“合格”后方可采用。如无具体时限要求，可与焊接工艺检验同时进行。

火焰切割（氧气切割）

火焰切割可用于切割高强度钢板。虽然火焰切割也可以处理相对较薄的钢板，但通常用于切割厚度超过 20 毫米的钢板。火焰切割可切割的钢板厚度没有上限。

Q420、Q460钢材在环境温度15℃以上进行火焰切割时，通常不需要预热，如果钢材潮湿或温度低于0℃，建议将火焰切割区域预热至50℃。

火焰切割强度等级Q460以上的厚钢板时可能需要预热，应征询钢材制造商的建议。

如果随后要对火焰修整的边缘进行冷轧，建议将成型区域附近约 100 毫米宽的区域预热至 120°C 至 200°C 之间。

等离子切割和激光切割

高强度钢可采用等离子切割和激光切割，工艺参数与切割普通钢相同。激光切割最大板厚约25mm，等离子切割最大板厚约50mm。需预热。

热成型

火焰矫直是一种局部加热工艺，用于矫直焊接或机械加工过程中钢材的变形或翘曲。该工艺可用于矫直高强度钢部件：应咨询钢材制造商，明确火焰矫直的上限温度。此外，钢材制造商还应在加工过程中采取适当措施，确保加工不超过这些温度限制。

建议制定Q345以上强度等级钢材火焰矫直的标准化程序，其应包括：

该标准化程序应根据材料的拉伸、冲击和硬度试验的结果进行验证。

冷成型

通过设定精细的弯曲参数，可以对高强度钢板进行冷弯，生产出冷弯薄壁型钢和冷弯钢板。应咨询钢材制造商，获得冷弯的最小半径参数。此外，相关产品标准也给出了一些建议。设计人员和钢材制造商应注意，在冷弯高强度钢时，模具和材料之间的接触可能会消失，导致成形材料的内半径小于模具半径。应避免在成形区域中出现微小的间隙，因为这可能会导致裂纹形成。

设计人员应注意到冷成形会导致钢材产生一定程度的硬化，而这反过来会降低其韧性。在针对脆性断裂进行设计时应考虑冷成形的影响（见第 3.4 节）。力和回弹力随强度的提高而增大。钢材的屈服强度对其回弹影响最大。为了补偿高强度钢的大回弹，模具应允许材料有一定程度的过度弯曲，避免材料在冲压时（即当施加的应力足够高时，引起材料表面的塑性变形和分离）发生弯曲。建议进行预弯试验，因为高强度钢的回弹很难预测。钢板的火焰切割边缘应进行磨削或进行机械加工，以去除边缘处最硬的材料。钢板的剪切边缘也应磨削。

建议高强度钢在冷成型后进行热处理以消除应力。热处理温度应在530℃至580℃之间（调质钢的热处理温度应为回火温度减去40℃）。保温时间为材料厚度（mm）乘以2分钟，不少于30分钟。消除应力热处理温度如果超过580℃或超过1小时，可能导致钢板力学性能的下降。强度等级为Q420至Q700的钢材如果需要在更高的温度下处理，或进行长时间的热处理以消除应力。应提前与产品加工商沟通，明确钢材需要满足的力学性能。

冷盘

剪切和冲孔只能用于切割中等厚度（通常最大厚度为10mm）的高强度钢。水射流切割（AWJ）也可用于切割不受厚度限制的高强度钢。

加工

高强度钢的加工方法与普通钢相同，加工难度并不增加，根据加工类型，应对部件进行充分冷却，因为如果在加工过程中缺乏足够的冷却液和润滑剂，可能会导致切削刀具过热，从而增加刀具的磨损，甚至导致刀具损坏。

安装和搬运

高强度钢和普通钢的安装没有根本区别。高强度钢构件可能比相同截面尺寸的普通钢构件更轻，惯性矩更低。这通常对安装和运输有利，但也可能需要在安装过程中施加额外的约束以保持结构的稳定性。

来源：SCI、铌技术、英国钢结构工程研究所 作者：Francisco Meza、Nancy Baddoo