陳欽燁 李武俊 馬尚城

摘要：Q460合金結(jié)構(gòu)鋼是電力鋼結(jié)構(gòu)工程中的選材之一，在這一類(lèi)型鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施焊接中，容易導(dǎo)致材料金屬和焊接材料發(fā)生物理反應(yīng)，出現(xiàn)偏折問(wèn)題，引發(fā)出現(xiàn)各種焊接質(zhì)量問(wèn)題；為此需要提高對(duì)Q460鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的重視。針對(duì)鋼材化學(xué)成分中的碳當(dāng)量、冷裂紋敏感指數(shù)等指標(biāo)實(shí)施分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)其焊接裂紋敏感性的認(rèn)識(shí)；另外針對(duì)鋼材的焊接冷、熱裂紋敏感性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一合金結(jié)構(gòu)鋼在焊接中具有良好的抗冷、熱裂紋能力，可以在電力鋼結(jié)構(gòu)工程中推廣應(yīng)用。在正交試驗(yàn)方法的應(yīng)用下，針對(duì)電力鋼結(jié)構(gòu)工程的 Q460鋼焊接工藝實(shí)施評(píng)定，評(píng)定結(jié)果焊接作業(yè)中電流上限為290～319 A。

關(guān)鍵詞：焊接工藝；材料；電力；鋼結(jié)構(gòu)工程

中圖分類(lèi)號(hào)：TG44?????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???????? 文章編號(hào)：1001-5922（2023）03-0056-04

Effect of welding process and physical and chemical reaction of material on properties of steel structure

CHEN Qinye，LI Wujun，MA Shangcheng

（Wenzhou Taichang Iron Tower Manufacturing Co.，Ltd. Wenzhou 325000，Zhejiang China）

Abstract：Q460 alloy structural steel is one of the materials selected in power steel structure engineering. In the welding of this type of steel structure，it is easy to cause physical reactions between the material metal and the weld- ing material，resulting in deflection problems，thus causing various welding quality. Therefore，it is necessary to pay more attention to the welding quality of Q460 steel structure. The carbon equivalent，cold crack sensitivity index and other indicators in the chemical composition of the steel were analyzed to realize the understanding of the weld- ing crack sensitivity. In addition，the cold and hot crack sensitivity of the steel was studied. The results show that this weldedalloy structural steel has good resistance to cold and hot cracks，and can be popularized and applied in power steel structure engineering. In addition，under the application of the orthogonal test method，the Q460 steel welding process for electric power steel structure engineering was evaluated，and the result of the evaluation show that the upper limit of the current in the welding operation，is 290～319A.

Keywords：welding process；material；electric power；steel structure engineering

在電力鋼結(jié)構(gòu)工程中，Q460鋼作為選材之一，在焊接中需要對(duì)這一鋼材的焊接性能有準(zhǔn)確了解。其中Q460材料在生產(chǎn)中，是采用焊接方式實(shí)現(xiàn)，然而焊接過(guò)程中溫度非常高，容易導(dǎo)致熔渣和金屬間發(fā)生物理反應(yīng)，引發(fā)焊接元素發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，有機(jī)會(huì)改變金屬化學(xué)成分和機(jī)械性能，因此需要對(duì)其焊接性能有所了解。另外在焊接過(guò)程中并嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)程要求，提升焊接質(zhì)量。本次關(guān)于電力鋼結(jié)構(gòu)工程中的焊接工藝和材料實(shí)施研究。

1 Q460鋼材化學(xué)成分及其性能分析

1.1 化學(xué)成分

本次實(shí)驗(yàn)采用的是Q460鋼為18 mm和20 mm鋼材；試驗(yàn)采用的焊條結(jié)合強(qiáng)韌性匹配原則選擇JL-815，直徑為4 mm；熔敷金屬化學(xué)成分組成：C為0.071%、Si為0.530%、Mn為1.600%、S為0.010%、P為0.016%、Ni為0.021%、Cr為0.023%、Mo為0.018%。

1.2? 實(shí)驗(yàn)評(píng)估依據(jù)

1.2.1 碳當(dāng)量評(píng)定依據(jù)

關(guān)于碳當(dāng)量的定義即為針對(duì)鋼中的合金元素含量，其中也包括碳，依照作用對(duì)其進(jìn)行碳的相當(dāng)含量換算，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼材淬硬、催化以及冷裂紋等焊接性能實(shí)施評(píng)定。目前國(guó)際上采用的碳當(dāng)量計(jì)算公式，主要是由國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）提出的w（C）eq，即：

這一公式抗拉強(qiáng)度在500～900 MPa的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度鋼中適用。

當(dāng)前在我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和常用歐洲結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn) EN 10025《熱軋結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品》均是將其作為是焊接性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。在針對(duì)板材厚度在20 mm以下鋼材評(píng)定中，若計(jì)算結(jié)果顯示w（C）eq 小于0.4%，即為鋼材的淬硬傾向不明顯，具有良好的焊接性能，焊接工藝開(kāi)始前也不必實(shí)施預(yù)熱；若計(jì)算結(jié)果w（C）eq 在0.4%～0.6%，尤其是在0.5%以上情況下，即為這一鋼材容易淬硬，相對(duì)焊接性能比較差，為對(duì)其焊接裂紋發(fā)生實(shí)施預(yù)防需要提前預(yù)熱，焊材厚度越大或w（C）eq 值越大，一般情況需要適當(dāng)?shù)奶嵘A(yù)熱溫度。針對(duì)本次選取的鋼材化學(xué)成分在公式中代入計(jì)算，所得碳當(dāng)量計(jì)算結(jié)果分別為18 mm鋼材w（C）eq=0.362；20 mm鋼材w（C）eq=0.447，均在0.5%以下，具有一定淬硬傾向[2]。

1.2.2 冷裂紋敏感指數(shù)評(píng)定依據(jù)

最初創(chuàng)立w（C）eq 的時(shí)候，鋼材強(qiáng)化方式即為碳錳強(qiáng)化，即為通過(guò)針對(duì)大量w（C）eq 在0.18%以上鋼種進(jìn)行試驗(yàn)所得。當(dāng)前世界范圍內(nèi)針對(duì)低碳微量多合金元素低合金高強(qiáng)度鋼也提出了一個(gè)新的碳當(dāng)量計(jì)算公式，即為20世紀(jì)60年代日本學(xué)者伊藤提出的冷裂紋敏感指數(shù)計(jì)算公式：

式中：δ為鋼材厚度；[H]為擴(kuò)散氫含量，mL/（100 g）。針對(duì)以上公式將擴(kuò)散氫含量和板材厚度因素進(jìn)行去除，可以獲取焊接裂紋敏感性指數(shù)（Pcm），即：

式（3）在 w（C）eq 為0.07%～0.22%，抗拉強(qiáng)度在400～1000 MPa低合金高強(qiáng)度鋼中較為適用。

1.2.3 熱裂紋敏感指數(shù)評(píng)定依據(jù)

為能夠進(jìn)一步探討鋼材化學(xué)成分和焊接熱裂紋之間關(guān)聯(lián)性，廣大學(xué)者經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究提出了能夠?qū)Φ秃辖痄摕崃鸭y傾向?qū)嵤╊A(yù)測(cè)或平度的熱裂紋敏感指數(shù)（HCS），具體計(jì)算公式為：

日本焊接學(xué)會(huì) JWS 也針對(duì)臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率（CST）提出了相應(yīng)的計(jì)算公式，具體為：

在評(píng)估過(guò)程中，若HCS在4或以下，CST在6.5×10-4或以上情況下，即為焊接中通常不會(huì)出現(xiàn)裂紋；反之，HCS越大或CST越小，也就具備比較高的熱裂紋敏感性，裂紋發(fā)生率較高。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次針對(duì)Q460鋼熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)分析，選取的2種規(guī)格鋼材分別采用3種焊接熱輸入實(shí)施焊接，具體為低、中、中高。焊接過(guò)程中溫度控制在16℃ ，焊接前烘干焊條，空氣相對(duì)濕度保持為77%[3]。

針對(duì)試件實(shí)施焊接完成后，48 h切取試樣對(duì)其實(shí)施研磨拋光、腐蝕處理，之后采用維氏硬度檢測(cè)儀開(kāi)展相應(yīng)的硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中施加荷載100 N。

1.3.2 斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試件針對(duì)本次鋼材樣品實(shí)施焊條電弧焊處理，以便于開(kāi)展斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)，具體焊接工藝為：電流極性為直接反接、焊接電流為（170±10）A、電弧電壓（24±2）V、焊接速度（150±10）mm/min、E ≈16.3 kJ/cm。焊接完成后正常室溫環(huán)境下進(jìn)行冷卻，之后檢測(cè)分析試件裂紋。肉眼用10倍放大鏡對(duì)表面、根部裂紋實(shí)施檢查，針對(duì)φ（HNO3）8%酒精溶液腐蝕處理斷面研磨后，采用10倍放大鏡對(duì)其檢查[4]。

1.3.3 T形接頭焊接裂紋試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用中、中高焊接輸入焊條電弧焊針對(duì)試件實(shí)施焊接，具體工藝為：電流極性為直接反接、焊接電流為（170±10）A、電弧電壓（24±2）V、焊接速度（150±10）mm/min、E ≈16.3 kJ/cm；電流極性為直接反接、焊接電流為（200±10）A、電弧電壓（30±2）V、焊接速度（150±10）mm/min、E約24.0 kJ/cm。完成焊接后在室溫中實(shí)施空冷，之后實(shí)施裂紋檢查。肉眼用5倍放大鏡實(shí)施觀(guān)察，之后實(shí)施磁粉檢測(cè)，如果均未發(fā)現(xiàn)裂紋即為焊材焊接熱裂紋發(fā)生幾率不高[5]。

1.4 結(jié)果分析

Q460鋼碳當(dāng)量評(píng)估中，針對(duì)本次選取的鋼材化學(xué)成分在式（1）中代入計(jì)算，所得碳當(dāng)量計(jì)算結(jié)果分別為18 mm 鋼材w（C）eq=0.362，20 mm 鋼材w（C）eq=0.447，二者均在0.5%以下，具有一定淬硬傾向。

冷裂紋敏感指數(shù)評(píng)定，將化學(xué)成分在式（3）中代入計(jì)算，結(jié)果為18 mm鋼材Pcm=0.194%，22 mm鋼材Pcm=0.271。通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)18 mm 鋼材Pcm在0.20%以下，即為相對(duì)焊接冷裂傾向偏低；22 mm鋼材Pcm在0.20%以上，即為存在有一定冷裂傾向。

熱裂紋敏感指數(shù)評(píng)定，將化學(xué)成分在式（4）和式（5）中輸入，所得結(jié)果為18 mm鋼材HCS=1.13，CST=12.76×10-4；22 mm鋼材 HCS=2.33，CST=10.33×10-4。通過(guò)結(jié)果分析能夠發(fā)現(xiàn)2種鋼材的熱裂紋敏感性均比較低，通常焊接過(guò)程中熱裂紋產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)不大。

焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)分析中發(fā)現(xiàn)其在本次2種鋼材編號(hào)為2焊接工藝參數(shù)中，焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為 HV249以及 HV250。采用3種不同焊熱輸入焊熱，對(duì)其熱影響區(qū)硬度影響差異不大。針對(duì)22 mm鋼材，相對(duì)較小的熱輸入焊接中硬度高于中、中高熱輸入焊接最高硬度，編號(hào)為1最高硬度為 HV329，其他均在250以下，能夠發(fā)現(xiàn)22 mm鋼材如果是在采用過(guò)小的熱輸入焊接中淬硬組織的產(chǎn)生幾率比較高。通常低合金鋼焊接影響區(qū)最高容許硬度即為HV350，若超出這一范圍即存在較高的冷裂傾向，檢測(cè)結(jié)果顯示本次選取的2種鋼材冷裂傾向不顯著。斜 Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)常溫情況下，2種鋼材均未出現(xiàn)冷裂紋，因此實(shí)際焊接中可以不對(duì)其實(shí)施預(yù)熱處理。T形接口焊接裂紋試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，2種鋼材均未出現(xiàn)裂紋，即表明2種鋼材焊接中熱裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)不大[6]。

2 焊接工藝正交試驗(yàn)評(píng)定

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合相關(guān)焊接經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)楸敬卧囼?yàn)針對(duì)3個(gè)因素實(shí)施分析，忽視因素間交互作用，各因素對(duì)應(yīng)3個(gè)水平等級(jí)，在 L9（34）正交表應(yīng)用下對(duì)其試驗(yàn)安排，試驗(yàn)因素結(jié)果如表1所示。

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1 各因素指標(biāo)分析

針對(duì)電流因素水平等級(jí)1實(shí)施試驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)電壓和焊接速度因素分別開(kāi)展3個(gè)水平等級(jí)實(shí)施試驗(yàn)，依次針對(duì)各因素實(shí)施研究，所得試驗(yàn)直觀(guān)分析數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知：抗拉強(qiáng)度中，電壓因素T2=1984 MPa，電流因素 T3 =1973 MPa ，焊接速度因素 T2 =1998 MPa；沖擊功中，熱影響區(qū)電壓因素T1=254MPa，電流因素T1=272 MPa，焊接速度因素T3=250MPa，焊接區(qū)電壓因素T1=284MPa，電流因素 T1=302 MPa，焊接速度因素 T3=282 MPa。3個(gè)實(shí)驗(yàn)中T（-）1、T（-）2、T（-）3分別為平均值，通過(guò)其結(jié)果差異可以發(fā)現(xiàn)電流因素3個(gè)水平等級(jí)中存在差異，主要是在試驗(yàn)過(guò)程中，電壓因素和焊接速度因素基本條件相同，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)電流因素水平中抗拉強(qiáng)度最好的為水平等級(jí)3。隨之可以發(fā)現(xiàn)電壓因素和焊接速度因素中抗拉強(qiáng)度指標(biāo)中較好的為水平等級(jí)2；電流因素和電壓因素中沖擊功指標(biāo)較好的為水平等級(jí)1；焊接速度因素較好的為水平等級(jí)2。2.2.2 各因素影響程度

不同因素的不同水平等級(jí)下的抗拉強(qiáng)度比對(duì)于指標(biāo)的影響作用，具體如圖1～圖3所示。

通過(guò)圖中可發(fā)現(xiàn)，在焊接電流提升進(jìn)程中，試件抗拉強(qiáng)度也出現(xiàn)了持續(xù)性上升，由此可見(jiàn)抗拉強(qiáng)度隨著電流的逐漸提升而提升，二者為正比關(guān)系[7]。在焊接電流逐漸提升進(jìn)程中，試件焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)的沖擊功變化趨勢(shì)為持續(xù)性下降，即為試件沖擊功隨著焊接電流的逐漸提升而出現(xiàn)下降趨勢(shì)，二者為反比關(guān)系，然而最終分析結(jié)果和沖擊功指標(biāo)下限還存在一定距離，與之同時(shí)焊接電流具有較大影響作用。所以結(jié)合試驗(yàn)研究的焊接評(píng)定結(jié)果可以確定焊接作業(yè)中，焊接電流的上限應(yīng)該為290～319 A。

針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施焊接過(guò)程中，存在較高的脆性斷裂以及裂紋發(fā)生率，所以在鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝中也需要提高對(duì)焊接質(zhì)量的重視，以能夠提升鋼結(jié)構(gòu)使用壽命。焊接過(guò)程中也需要有效控制焊縫熱量情況，在完成焊接工藝后還需要有效控制焊縫的冷卻速度，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋發(fā)生的有效預(yù)防，為焊接質(zhì)量提供有效保障。焊接過(guò)程中也需要保證具備非常小的線(xiàn)能量，可以采用多道焊方式實(shí)施焊接，由此可以有效保障實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，也有助于進(jìn)一步提升材料韌性。還有一個(gè)重要措施，即為焊接過(guò)程中需要確保焊縫的金屬比例非常少，可以結(jié)合實(shí)際情況針對(duì)鋼材焊接前實(shí)施預(yù)熱處理，以此有助于顯著改善熱影響區(qū)的組織以及力學(xué)性能，有效消除殘余應(yīng)力，也能夠進(jìn)一步提升鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量，為其使用安全性提供有效保障。在電力鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝及材料中，最為重要的工作即為提升鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量，通過(guò)以上試驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)能夠?qū)460鋼材實(shí)施推廣應(yīng)用，對(duì)其焊接工藝參數(shù)可以結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行確定。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)Q460鋼化學(xué)成分實(shí)施分析，發(fā)現(xiàn)18 mm 鋼材的冷裂敏感性比較低，22 mm鋼材具有一定冷裂敏感性。同時(shí)對(duì)于熱裂紋敏感性指數(shù)以及臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率實(shí)施計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)2種鋼材相對(duì)來(lái)講熱裂紋敏感均不高；

（2）針對(duì) Q460鋼焊接工藝試驗(yàn)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種不同輸入焊熱情況下，對(duì)2種鋼材的熱影響區(qū)硬度影響差異不大。通常低合金鋼焊接影響區(qū)最高容許硬度即為HV350，若超出這一范圍即存在較高的冷裂傾向，檢測(cè)結(jié)果顯示本次選取的2種鋼材冷裂傾向不顯著。斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)常溫情況下，2種鋼材均未出現(xiàn)冷裂紋，因此實(shí)際焊接中可以不對(duì)其實(shí)施預(yù)熱處理。T形接口焊接裂紋試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，2種鋼材均未出現(xiàn)裂紋，即表明2種鋼材焊接中熱裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)不大；

（3）通過(guò) Q460鋼焊接工藝的正交試驗(yàn)評(píng)定，發(fā)現(xiàn)焊接作業(yè)中焊接電流的上限應(yīng)該為290～319 A。在實(shí)際電力鋼結(jié)構(gòu)中，需要結(jié)合焊接生產(chǎn)實(shí)際情況以及生產(chǎn)需求，可以采用少量試驗(yàn)對(duì)其焊接工藝和參數(shù)實(shí)施科學(xué)評(píng)定，以確定一個(gè)比較良好的參數(shù)方案，不但要對(duì)其焊接產(chǎn)品質(zhì)量提供保障，另外，也需要考慮到降低焊接評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 朱全平，朱芳磊，蔡浩浩，等.一種深水環(huán)氧涂層材料的制備和性能研究[J].粘接，2021，46（4）：16-19.

[2]? 陳曉婕.環(huán)氧膠泥在鋼結(jié)構(gòu)與混凝土粘接中的應(yīng)用[J].粘接，2022，49（7）：36-40.

[3] 譚平，劉成果. FXD3機(jī)車(chē)玻璃鋼頭罩與鋼結(jié)構(gòu)車(chē)體粘接工藝研究[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2021（4）：29-31.

[4] 張渺.環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑在鋼結(jié)構(gòu)施工中的現(xiàn)場(chǎng)配置及使用[J].粘接，2022，49（5）：40-43.

[5] 錢(qián)若霖，黎豪，王劭琨.鋼結(jié)構(gòu)人行天橋自振頻率模態(tài)分析研究[J].粘接，2022，49（3）：116-119.

[6] 王慶龍.膠粘劑在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑工程施工中的應(yīng)用[J].粘接，2022，49（1）：192-196.

[7] 朱貴剛.鋼柱外包混凝土加固技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].粘接，2021，46（4）：154-157.