孫開敏，賈寶華

(1.淮北華星工貿(mào)有限責任公司，安徽 淮北 235025；2.浙江精工鋼結構有限公司，浙江 紹興 312030)

Q 4 6 0 E-Z 3 5與G S 2 0 M n 5 V異種鋼焊接

孫開敏1，賈寶華2

(1.淮北華星工貿(mào)有限責任公司，安徽 淮北 235025；2.浙江精工鋼結構有限公司，浙江 紹興 312030)

在建筑鋼結構焊接工程中，鋼材是焊接的第一對象，所有的焊接工藝必須從鋼材的特性，特別是焊接性考慮。國家體育場鋼結構焊接工程采用Q460E-Z35鋼，引起了我國技術界的高度重視。針對Q460E-Z35與GS20Mn5V異種鋼焊接，從理論上闡述異種鋼焊接的技術特點，剖析焊接技術難點，并提出相關的解決辦法。保證了焊接質(zhì)量，提高了焊接技術水平，并為建筑鋼結構焊接提供了重要的參考價值。

Q460E-Z35；GS20Mn5V；碳當量；預熱

0 前言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和科學技術的不斷進步，新結構、新設備層出不窮，新材料和新工藝的應用日益廣泛，現(xiàn)代動力機械、化工、石油設備的許多零部件要求特殊材料，單獨一種材料很難同時滿足上述各種要求。為了節(jié)約大量優(yōu)質(zhì)貴重的材料，降低成本，簡化制造工藝，保證在不同的工作條件下使用不同的材料，充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢，異種材料焊接結構將越來越多。

根據(jù)目前焊接技術應用理論的觀點，常見的異種鋼材焊接分為兩大類；

(1)α類鋼——能發(fā)生相變的鋼，包括：鐵素體為基礎的鋼、C鋼、低合金鋼、Cr-Mo耐熱鋼、高合金鐵素體鋼及馬氏體鋼等。

(2)γ類鋼——不能發(fā)生相變的奧氏體鋼，包括18-8型、18-12Mo型、25-20型鋼等。

異種鋼焊接分三種情況：α+γ、γ1+γ2、α1+α2。

在建筑鋼結構工程中常見的異種鋼焊接為α1+α2，一般為碳素鋼與低合金高強度鋼、碳素鋼與鑄鋼、低合金高強度鋼與鑄鋼，難度最大的是低合金高強度鋼與鑄鋼的焊接。

精工鋼構公司根據(jù)《國家體育場工程Q460EZ35鋼熱加工、焊接性方案》，在前期Q460E-Z35鋼焊接性試驗取得的階段性成果的基礎上，進行剛性接頭焊接試驗。為了使試驗結果具有針對性，結合實際構件中異種鋼的焊接方式進行剛性接頭試件的焊接，并進行了相關的力學性能試驗，目的是得出該鋼種在不同焊接方法、不同線能量和剛性固定條件下的綜合力學性能，并綜合評定其焊接性，從而形成可靠的焊接工藝。

1 異種鋼焊接的技術特點和問題

異種材料的焊接與同種材料焊接相比有著較大的不同，一般要比同種材料的焊接困難。異種鋼的焊接性主要取決于兩種材料的冶金相容性、物理性能、表面狀態(tài)等，兩種材料的差異越大，焊接性越差。

相同金相組織的異種鋼焊接時，對焊接性影響不大。不同金相組織的異種鋼焊接比同種鋼焊接困難得多。因為兩種不同金相組織的鋼材存在結晶化學性(晶格參數(shù)、晶格類型、原子半徑等)差異、物理性能(熔點、線膨脹系數(shù)、熱傳導系數(shù)、電阻比等)差異、力學性能差異、表面狀態(tài)差異，以及焊縫稀釋、熔合區(qū)形成過渡層和擴散層等，導致金相組織變化或產(chǎn)生新組織，影響焊接熱循環(huán)過程和結晶條件，使接頭性能變差，熔合區(qū)和焊接熱影響區(qū)的力學性能尤其是塑性下降，以及增大焊接殘余應力和產(chǎn)生裂紋。

1.1 冶金相容性的差異

晶格類型、晶格參數(shù)、原子半徑等的差異也就是通常說的“冶金相容性的差異”。

兩種金屬材料在冶金學上是否相容，取決于它們在液態(tài)和固態(tài)的互溶性以及在焊接過程中是否可以產(chǎn)生金屬間化合物(脆性相)，只有在液態(tài)和固態(tài)下都具有良好互溶性的金屬或合金才能在熔焊時形成良好的接頭。當兩種金屬的晶格類型相同，晶格常數(shù)、原子半徑及其負電性均比較相近時，其溶質(zhì)原子能夠連續(xù)固溶于溶劑；否則易形成金屬化合物，大幅度降低焊縫性能。能夠形成連續(xù)固溶體的異種材料具有良好的焊接性。

為了改善異種金屬焊接性能，對不能形成無限固溶的異種金屬，可在兩種被焊金屬之間加入過渡層。選擇的過渡層金屬與兩種金屬均能形成無限固溶體。

1.2 物理性能的差異

兩種材料的物理性能差異主要是指熔化溫度、線膨脹系數(shù)、熱導系數(shù)電阻系數(shù)等差異，它們將直接影響焊接的熱循環(huán)過程、結晶條件和接頭質(zhì)量。當異種材料熱性能的差異大時會使熔化情況不一致，給焊接造成困難；線膨脹系數(shù)相差較大時，會造成接頭較大的殘余應力和變形，易使焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋；異種材料電磁性相差較大時，而使焊接電弧不穩(wěn)定、焊縫成形不好甚至形成不了焊縫。

1.3 表面狀態(tài)的差異

材料表面狀態(tài)復雜，如表面氧化層(氧化膜)、結晶表面層、吸附的氧離子和空氣分子、水、油污、雜質(zhì)等狀態(tài)，將直接影響異種材料的焊接性，必須給予充分重視。

此外，在焊接異種材料時，會產(chǎn)生一層成分、組織及性能與母材不同的過渡層，過渡層的性能給焊接接頭的整體性能帶來了重大的影響，處理好異種材料的過渡層對于獲得滿意的焊接質(zhì)量至關重要，過大的熔合比會增大焊縫金屬的稀釋率，使過渡層更為明顯；焊縫金屬與母材的化學性能相差越大，熔池金屬越不容易充分混合，過渡層越明顯；熔池金屬存在時間越長，越容易混合均勻。

2 Q460E-Z35與GS-20Mn5V可焊性分析和焊接難點

2.1 可焊性分析

(1)碳當量計算。

Q460E-Z35和GS-20Mn5V化學成分分別見

表2 鑄鋼GS-20Mn5V化學成分(鋼號DIN 17182-85)%

則Ceq＝0.543%。

計算GS-20Mn5V碳當量時，其化學成分均取上限，實際GS-20Mn5V碳當量控制在0.50%。

碳當量數(shù)值越大，被焊金屬的淬硬傾向越大，熱影響區(qū)越容易產(chǎn)生冷裂紋。

碳當量Ceq＜0.4%時，淬硬傾向不大，焊接性良好；當碳當量Ceq＝0.4%～0.6%時，鋼材易淬硬，說明焊接性已變差，焊接時需預熱，隨著板厚的增大，預熱溫度也需適當提高。Q460E-Z35碳當量為0.49%，GS-20Mn5V碳當量也約為0.50%，遠大于0.4%，所以淬硬傾向大，抗裂性能差，焊接性也較差。

2.2 Q460E-Z35與GS-20Mn5V焊接難點

(1)化學成分、力學性能及物理性能的差異。

由于鑄鋼與低合金鋼的化學成分、力學性能和物理性能不同，焊接時會產(chǎn)生很多缺陷，例如氣孔、裂紋等，給焊接帶來很大困難。

(2)兩種材料稀釋率差異。

GS20Mn5V+Q460E-Z35的焊接，稀釋率更是人們所關心的問題，此時有可能由兩種材料產(chǎn)生不希望得到的有害化合物。例如采用具有墊板的對接接頭時應注意墊板的成分，因為它的有害成分對接頭的稀釋有可能導致裂紋的產(chǎn)生。

建筑鋼結構厚板焊縫大多采用單V型帶襯板的坡口型式，V型坡口的根部肯定是稀釋率最大的地方，同時也是應力最集中的地方，在打底焊接結束后，每一層的焊肉全都對焊縫根部加載，致使根部質(zhì)量極不穩(wěn)定。所以降低稀釋率是保證厚板焊縫質(zhì)量的重要措施。

(3)供貨狀態(tài)的差異。

GS20Mn5V供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)鋼，Q460E-Z35的供貨狀態(tài)為正火鋼。由于兩者供貨狀態(tài)的不同，各材料焊接特點不同，焊接難度加大。

a.正火鋼的焊接特點。

正火鋼焊接熱輸入的確定主要依據(jù)防止過熱區(qū)脆化和焊接裂紋兩個方面。由于各種正火鋼的脆化傾向和冷裂傾向不同，因此對熱輸入的要求也不同。

對于含釩、鈮、鈦等強度級別較低的正火鋼，如Q420等，為了防止沉淀相溶入和晶粒長大引起的脆化，宜選擇偏小的焊接熱輸入。

正火鋼對許多焊接方法都適應，選擇時主要考慮產(chǎn)品結構、板厚、性能要求和生產(chǎn)條件等因素，其中最為常用的是焊條電弧焊、埋弧焊和熔化極氣體保護焊。鎢極氬弧焊通常用于薄板或要求全焊透的薄壁管和厚壁管道等工件的封底焊。

b.調(diào)質(zhì)鋼(淬火+高溫回火)的焊接特點。

調(diào)質(zhì)鋼焊接不宜采用大直徑的焊條或焊絲。盡量采用多層多道焊工藝，最好采用窄焊道而不用橫向擺動的運條技術。這樣不僅使焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬有較好的韌性，還可以減少焊接變形。雙面施焊的焊縫，背面焊道應采用碳弧氣刨清理焊根并打磨氣刨表面后再進行施焊。如果采用大電流埋弧焊和電渣焊工藝，由于焊接能量大，焊接區(qū)加熱時間長，冷卻緩慢，焊接熱影響區(qū)韌性急劇下降，因此調(diào)質(zhì)高強鋼在經(jīng)過大電流埋弧焊和電渣焊后必須進行淬火+回火處理。

調(diào)質(zhì)鋼焊接時為了防止冷裂紋產(chǎn)生，有時需要采用預熱和焊后熱處理。

綜上所述，GS20Mn5V+Q460E-Z35的焊接為調(diào)質(zhì)鋼與正火鋼的焊接，兩種鋼材在焊接工藝上存在差異，導致焊接難度增加。

3 焊接方法的選擇

選擇焊接方法主要根據(jù)能否獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭、接頭形式、母材性能構件工作條件和生產(chǎn)批量等因素。還應考慮使母材金屬熔化量降到最小限度，即盡可能降低熔合比，防止在焊縫過渡區(qū)出現(xiàn)脆性的淬火組織和裂紋等缺陷。

采用焊條電弧焊，工藝較靈活，熔合小；埋弧焊生產(chǎn)效率高；二氧化碳氣體保護焊具有廣泛的實用性。

比較SMAW、GMAW、FCAW-G后確認，SMAW稀釋率為最小。由于GS20Mn5V+Q460E-Z35焊接是現(xiàn)場焊接，焊接位置和焊接操作上存在一定難度，為提高焊接速度，保證焊接質(zhì)量，仰焊采用焊條電弧焊(SMAW)，其他位置采用焊條電弧焊(SMAW)打底，二氧化碳氣體保護焊(GMAW)填充的工藝。發(fā)揮了各項技術的特長，不僅焊縫成形良好，而且一次合格率高。

采用焊條電弧焊打底的目的是降低焊縫稀釋率；降低因兩側金屬稀釋率不同而使焊縫產(chǎn)生裂紋的可能性，從而提高焊接質(zhì)量。

4 焊接材料的選擇

4.1 異種鋼焊接材料的選用原則

(1)保證焊接接頭的使用性能，即保證焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)具有良好的力學性能和綜合性能。

(2)保證焊縫金屬具有一定的致密性，即沒有氣孔、夾渣或氣孔，夾渣的數(shù)量、尺寸形狀不超過允許標準。

(3)能防止在焊接接頭內(nèi)產(chǎn)生冷裂紋和熱裂紋，即對冷裂、熱裂不敏感。

(4)焊縫金屬具有符合要求的熱強性、耐熱性、耐蝕性、耐磨性等，不產(chǎn)生脆性組織，盡可能降低或消除熔合區(qū)脆性。

(5)工藝性良好，即具有良好的操作性能，能適應多層多道焊和全位置焊接等，并有一定的焊接效率。

(6)焊縫組織具有穩(wěn)定性，其物理性能要與兩母材相適應。

4.2 Q460E-Z35與GS-20Mn5V焊接材料的選擇

GS-20Mn5V在鋼材分類中沒有明確規(guī)定，但它屬于合金鋼的一種形式，鑄造組織和鍛造(軋制)組織的區(qū)別在于綜合性能上的差別，一般說來鑄造組織硬度較高，而質(zhì)地比鍛造(軋制)組織疏松，但是它比較接近于焊縫，焊縫也是鑄造組織。Q460E是結構鋼中最高級別的鋼種，GS-20Mn5V雖質(zhì)地優(yōu)良，但在綜合性能和強度級別方面與Q460E相比有很大差別。這兩種鋼的焊接在焊接材料選擇方面僅僅從強度理論上著手顯然是不夠的，這是因為除了強度差別外，還需重點滿足焊縫的抗裂性能要求，也是整個焊接技術的難點。因此在焊材的選用上，首先需滿足GS-20Mn5V的強度要求，希望焊縫能達到與GS-20Mn5V等強的要求，同時考慮Q460E具有淬硬傾向、抗裂性能差的特點，重點應用了微合金元素提高焊縫綜合指標的機理，既保證了50級的強度，又具有良好的塑性和韌性儲備，以提高焊縫的抗裂能力。由此，在進行多項試驗的基礎上，選擇CHE507RH、JM58、JM56、TWE-711Ni1等焊接材料作為Q460E+GS-20Mn5V焊接的試驗焊材。在確定焊材的基礎上，同時對焊接工藝作了進一步的改進。

5 焊前預熱和后熱

5.1 焊前預熱

焊前預熱的作用：延長焊縫金屬從峰值溫度降到室溫的冷卻時間，使焊縫中的擴散氫有充分的時間溢出，避免產(chǎn)生冷裂紋，延長焊接接頭從800℃到500℃的冷卻時間，改善焊縫金屬和熱影響區(qū)的顯微組織，降低熱影響區(qū)的最高硬度，提高焊接接頭的抗裂性。

根據(jù)《現(xiàn)代焊接技術手冊》的估算預熱溫度公式，化學成分影響的碳當量為

[C]化＝C+Mn／9+Cr／9+Ni／18+Mo／13考慮厚度因素，用厚度碳當量計算板厚影響的碳當量

總的碳當量公式

焊接預熱溫度可根據(jù)經(jīng)驗公式計算

確定的Q460-Z35(110mm)與GS-20Mn5V(100mm)預熱溫度如表3所示。

表3 Q460E-Z35(110 mm)與GS-20Mn5V(100 mm)預熱溫度的確定

根據(jù)異種鋼焊接時，預熱溫度應以預熱溫度高的鋼材一側為最低預熱溫度，故焊接前預熱溫度選取不小于150℃，且不超過200℃。

5.2 后熱

由于GS-20Mn5V含雜質(zhì)較多，焊接后氫含量較高，為保證氫能及時逸出，防止產(chǎn)生冷裂紋。焊接完畢后，緊急進行后熱處理，后熱溫度300℃～350℃，后熱時間2 h。后熱完成，巖棉被保溫緩冷至環(huán)境溫度。

6 焊接工藝

6.1 焊接參數(shù)的選擇

根據(jù)工藝評定，特制訂以下工藝供施工時參考，如表4所示。

6.2 焊前準備

(1)焊條在使用前必須按規(guī)定烘焙，CHE507RH焊條的烘焙溫度為350℃。烘焙1 h后冷卻到150℃保溫，隨用隨取，領取的焊條應放入保溫筒內(nèi)。

表4 焊接工藝參數(shù)

(2)不得使用藥皮脫落或焊芯生銹的變質(zhì)焊條、銹蝕或折彎的焊絲。

(3)二氧化碳氣體的純度必須大于99.7%，含水率小于等于0.005%，瓶裝氣體必須留1 MPa氣體壓力，不得用盡。

(4)施焊前，清除焊縫坡口及附近50 mm范圍內(nèi)的油、銹等污物。

(5)施焊前，復查組裝質(zhì)量、定位焊質(zhì)量和焊接部位的清理情況，如不符合要求，修正合格后方可施焊。

(6)焊條電弧焊現(xiàn)場風速不大于8 m／s、氣體保護焊現(xiàn)場風速不大于2 m／s，應設防風裝置。

(7)焊接前，檢查各焊接設備是否處于正常運行狀態(tài)。

(8)檢查坡口尺寸是否達到要求。

(9)焊工必須持證上崗。

6.3 現(xiàn)場焊接工藝

(1)焊前清理。Q460E鋼熱切割試驗結果表明Q460E鋼具有淬硬傾向，因此在焊接前對Q460E鋼的熱切割面用角向磨光機進行打磨處理，打磨厚度2 mm，且至露出原始金屬光澤。同時對坡口加工造成的鈍邊、凹槽進行打磨處理，要求不留鈍邊和避免坡口面留有加工凹槽。

(2)坡口形狀控制。要求在加工和安裝過程中嚴格執(zhí)行圖紙要求，坡口角度35°，間隙8 mm。焊前進行坡口形狀檢查，項目為間隙、錯邊、焊縫原始寬度三項。

(3)預熱、層間溫度和后熱溫度控制。預熱溫度和層間溫度150℃～200℃。焊接完畢后立即進行后熱處理，后熱溫度300℃～350℃，后熱時間2 h。后熱完成，巖棉被保溫緩冷至環(huán)境溫度。

(4)加熱方法。采用電加熱方法，加熱板設置在焊縫正反兩面，預熱溫度達到設定值后，拆除焊縫正面的加熱板，焊縫背面的加熱板作為伴隨預熱，焊后熱處理時再重新布置正面加熱板，并用巖棉被包裹嚴密。

(5)測溫方法。測溫采用紅外測溫儀和接觸式測溫儀兩種，測溫點設置在焊縫原始邊緣兩側各75 mm處。使用紅外測溫儀時，測溫儀需垂直于測溫表面，距離不得大于20 cm。層間溫度測溫點應在焊道起點，距離焊道熄弧端300 mm以上。后熱溫度測溫點應在焊道表面。

(6)焊接環(huán)境要求。焊接要求在正溫焊接，當環(huán)境溫度在負溫時，需搭設保溫棚，確保焊接環(huán)境溫度在0℃以上，環(huán)境風速需小于2 m／s方可施焊。

(7)焊接技術要求。焊接過程嚴格執(zhí)行多層多道、窄焊道薄焊層的焊接方法，在平、橫、仰焊位禁止焊槍擺動，立焊位焊槍擺幅不得大于20 mm，每層厚度不得大于5 mm。層間清理采用風動打渣機清除焊渣和飛濺物，同時對焊縫進行同頻率錘擊，起到消應處理的作用。

(8)其他要求。母材上禁止焊接卡碼和連接板等臨時設施，如必須焊接，在焊前按照正式焊接要求對母材進行預熱，預熱溫度150℃～200℃。在切割臨時設施時，也必須進行預熱150℃～200℃，盡量避免傷及母材，如發(fā)生該種情況，必須及時焊補，后打磨圓滑過渡。在焊接過程中，嚴禁在母材上出現(xiàn)隨意打火或由于拖拉焊把或焊槍對母材造成的電弧擦傷。如發(fā)生該種情況，應立即報告技術人員，并采取措施進行焊補和打磨，預熱和后熱溫度同正常焊接。

6.4 焊接缺陷和修復

(1)焊縫表面缺陷超過相應的質(zhì)量驗收標準時，對氣孔、夾渣、焊瘤、余高過大等缺陷應用砂輪打磨、鏟鑿、鉆、銑等方法去除，必要時進行焊補；對焊縫尺寸不足、咬邊、弧坑未填滿等缺陷應進行焊補。

(2)經(jīng)無損檢測確定焊縫內(nèi)部存在超標缺陷時應進行返修，返修應符合下列規(guī)定：

a.返修前應由施工企業(yè)編寫返修方案。

b.根據(jù)無損檢測確定的缺陷位置、深度，用砂輪打磨或碳弧氣刨清除缺陷。缺陷為裂紋時，碳弧氣刨前應在裂紋兩端鉆止裂孔，并清除裂紋及其兩端各50 mm長的焊縫或母材。

c.清除缺陷時應將刨槽加工成四側邊斜角大于10°的坡口，并修整表面、磨除氣刨滲碳層，必要時應用滲透探傷或磁粉探傷方法確定裂紋是否徹底清除。

d.焊補時應在坡口內(nèi)引弧，熄弧時應填滿弧坑；多層焊的焊層之間接頭應錯開，焊縫長度應不小于100 mm；當焊縫長度超過500 mm時，應采用分段退焊法。

e.返修部位應連續(xù)焊接。如中斷焊接時，應采取后熱、保溫措施，防止產(chǎn)生裂紋。再次焊接前宜用磁粉或滲透探傷方法檢查，確認無裂紋后方可繼續(xù)補焊。

f.焊接修補的預熱溫度應比相同條件下正常焊接的預熱溫度高，并根據(jù)工程節(jié)點的實際情況確定是否需用采用超低氫型焊條焊接或進行焊后消氫處理。

g.焊縫正、反面各作為一個部位，同一部位返修不宜超過兩次。

h.對兩次返修后仍不合格的部位應重新制訂返修方案，經(jīng)工程技術負責人審批，并報監(jiān)理工程師認可后方可執(zhí)行。

7 結論

(1)GS20Mn5V+Q460E-Z35的焊接中，為提高焊接接頭的抗裂性，需要進行焊前預熱。

(2)稀釋率對GS20Mn5V+Q460E-Z35的焊縫影響很大，可能有兩種材料產(chǎn)生有害的化合物，由于焊條電弧焊稀釋率較小，在GS20Mn5V+Q460E-Z35的焊接中被廣泛使用。

(3)由于鑄鋼件質(zhì)地疏松，材質(zhì)化學成分不易控制，后熱在焊接過程中顯得尤其重要。

Analysis of the heterogeneity steel welding of Q460E-Z35 and GS20Mn5V

SUN Kai-min1，JIA Bao-hua2
(1.Huaibei Huaxing Industry＆Trade Co.，Ltd.，Huaibei 235025，China；2.Zhejiang Jinggong Steel Building Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China)

In the construction steel structure welding engineering,steel is the first object of the welding;all of the welding process must be take into account the characteristics of the steel，especially the weldability.So，the Q460E-Z35 steel attracted highly attention，which was used in the steel structure welding engineering of the National Stadium.Aimting at the welding of Q460E-Z35 and GS20Mn5V dissimilar steel，this paper introduces the welding technological properties of Q460E-Z35 and GS20Mn5V dissimilar steel.And dissected the difficulties of the welding technology，and put forward the relevant solution,ensure the welding quality，improve the welding technology level；and provides important reference value for construction steel structure welding.

Q460E-Z35；GS20Mn5V；Ceq；preheating

TG457.11

A

1001-2303(2012)08-0020-06

2012-01-04

孫開敏(1966—)，男，安徽淮北人，學士，工程師，主要從事焊接工程與管理工作。