电力钢结构Q460钢工艺焊接性试验探讨

电力钢结构Q460钢工艺焊接性试验探讨

邵晨曦洪正标

浙江盛达铁塔有限公司

摘要:电力钢结构作为电力系统的骨干支撑体系，在电力生产、传输过程中发挥着重要作用。Q460作为低合金高强度钢，已经广泛应用于电力钢结构之中。探讨Q460钢工艺焊接特性，对提高电力钢结构焊接工艺有着重要意义。本文从焊接性试验的内涵入手，对电力钢结构Q460钢工艺焊接性试验进行探讨，以供参考。

关键词:Q460钢；电力钢结构；焊接性试验

随着我国社会和经济的快速发展，对电力的需要越来越大，电力系统面临新的机遇和挑战。电力钢结构是支撑电力系统的重要支柱，直接关系到电力生产和传输等环节的稳定和安全，对钢材的要求也越来越高。Q460低合金高强度钢具有良好的焊接性和力学性能指标，已经广泛应用于电力系统、生产厂房、起重机、钻井平台、石油管线等诸多领域，不仅减轻了钢结构自重，还有效的节约了成本、提高了效率、缩短了工期。由于Q460钢冶炼时需要加入部分合金元素来提高钢的强度,因此可能增大其淬硬倾向及焊接裂纹的敏感性，限制了Q460钢在电力钢结构中的应用。本文着重对Q460钢的工艺焊接性进行了探讨，对提升Q460钢的焊接工艺提供了技术支撑。

一、焊接性试验的内涵

所谓焊接性，就是指钢材等材料在特定的施工条件下，按设计要求焊接成规定的构件，以满足规范运营的能力。焊接性试验，就是对母材金属的焊接性进行试验。钢材的焊接性主要是衡量钢材在一定的工艺条件下，获得优质接头的难易程度和可靠运行的具体技术指标。焊接性试验通常分为工艺焊接性和使用焊接性两种，其试验方法都包括直接法和间接法。

工艺焊接性是在一定的焊接工艺条件下，获得优质、无缺陷焊接接头的能力。这并非试验性钢材本身固有的性能，而是根据焊接方法和具体工艺来综合评定的。可见，工艺焊接性与焊接过程密切相关。其试验直接法主要包括：热焊接裂纹、焊接冷裂纹、再热裂纹试验焊接层状撕裂、热应变时效脆化和焊接气孔敏感等试验。其试验间接法主要包括：裂纹敏感指数法、碳当量法、连续冷却组织转变图法、相组织分析及断口分析法、HAZ最高硬度法、焊接热及应力模拟试验等。

使用焊接性是指焊接接头或整个结构，满足产品技术条件规定的使用性能的程度，主要由焊接结构的工作条件和设计要求来确定。其试验直接法包括：实际产品的运行服役试验、压力容器爆破试验等。其试验间接法包括：焊接接头常规力学试验、低温脆性试验、高温性能试验、动载和疲劳试验、耐腐蚀和耐磨性试验及应力场腐蚀开裂试验等。

钢材的焊接性不仅与钢材自身的特性有关，也与焊接的工艺条件和水平有关。不同的焊接工艺，对于同一钢材却会导致不同的焊接性。影响钢材焊接的主要因素包括材料因素、工艺因素、结构因素和使用条件等。[1]

二、Q460低合金钢主要成分和力学特性

（一）主要成分

Q460钢是在16Mn的基础上，加入一定量的Ni、Cr、V、Ti等合金元素炼制而成。特别是钛、钒的加入，不仅能增大钢材的强度，还能使晶粒细化、减少钢材过热倾向。加入稀土元素主要是脱硫和净化基体，改善钢材性能。同时控制O、H、N、S、P等元素含量，并通过适当的热处理工艺提高综合性能。

（二）焊接性

低合金钢焊接时通常具有冷裂纹、热裂纹、淬硬倾向及氢致裂纹敏感性强等特点。一般采取碳当量判定法来判断钢材的焊接性，这也是最为简便的方法之一。碳当量法就是把钢中的各种合金元素及碳元素本身按其作用换算成相应的碳含量。随着碳当量的升高，钢材塑性会大幅降低。且在高应力的作用下焊接裂纹产生的倾向也会大幅增加，使钢材焊接时产生明显的淬硬倾向，热影响区容易形成脆、硬的马氏体组织，导致韧性和塑性下降，耐应力腐蚀性能恶化。为此，在对Q460钢进行焊接时应采取较小的热输入，同时采取适当预热、控制线能量等工艺，尽量避免氢致裂纹等危险缺陷。若焊接线能量过高，会导致热影响区性能下降。为防止裂纹产生，焊接时应严格保持低氢条件，且焊接材料要经过严格的脱脂，采用CO2气体保护焊接。如果CO2气体含水量较大，还要进行干燥处理，避免对热影响区的韧性造成影响。

（三）焊接工艺

一是坡口加工、装配及点组定位焊。坡口由数控机床或人工加工而成，并在点装前进行除水、除油、除锈等处理，直到漏出金属光泽。定位焊的焊接材料应选用焊接同类型材料并进行预热，如因构件大难以预热，则应采取局部预热的方法。定位焊应允许适当的变形，保证焊缝均匀对称分布，电流应比正常焊接时大些。二是焊前预热。进行焊前预热，有利于防止裂纹、降低焊缝及热影响区冷却速度、减少应力。为确保受热均匀，在完成部件的装配和点组后，宜采取整体预热方式进行150OC预热，预热后要及时进行焊接并缓慢冷却。三是确定焊接工艺参数。为防止热影响区脆化，宜选用小的线能量，减少在高温区的停留时间。同时，采取多层多道焊接工艺，确保焊接质量。焊接过程中，要控制气体流量，确保气体保护效果。另外，还需控制堆焊速度，不宜过快或过慢，以免给焊接质量造成不利影响。四是焊后热处理。进行焊后处理，主要是为了消除焊接内应力，改善接头组织及力学性能，增强抗应力腐蚀，提高构件结构的稳定性和安全性。Q460钢焊接后，应进行600OC-650OC的回火处理。可采用喷油燃烧法等方法进行批量处理，提高回火处理的效率。同时，应避免在回火温度停留时间过长，避免对热影响区的韧性和塑性造成影响。[2]

三、Q460低合金钢工艺焊接性研究

（一）焊接性评定判据

一是碳当量。主要是作钢材淬硬、脆化、冷裂纹等焊接性的参考指标之一，并得到了广泛应用。二是冷裂纹敏感指数。在碳当量评定的基础上，考虑钢材板厚、焊接氢含量及焊接条件等影响，主要适用于碳含量低的低合金高强度钢。三是热裂纹敏感指数。主要是研究钢材化学成分与焊接热裂纹的相关性。

（二）焊接热影响区最高硬度试验

焊接热影响区的碳当量，对于钢的淬硬倾向和冷裂纹敏感性有着重要影响，反映了钢的化学成分影响和金属组织的作用。为试验焊接热影响区最高硬度，试验采取低、中、中高三种焊接热输入方式，分别对BG钢和LG钢进行焊接。焊接温、湿度均在正常范围内，且焊接前对焊条进行烘干处理。结果表明，BG钢在三种热输入方式下，其热影响区最高硬度差别不大。对于LG钢，采用低热输入方式时热影响区硬度较高，采用中、中高热输入方式时热影响区硬度较低，因此LG钢焊接时采用过小热输入容易造成淬硬组织的产生。如低合金钢热影响区最高硬度大于HV350，则表明这种钢材有冷裂倾向。硬度试验结果表明，BG钢和LG钢的冷裂倾向均不明显。

（三）斜Y型坡口焊接裂纹试验

进行斜Y型坡口焊接裂纹试验，主要目的是评定焊接热影响区出现冷裂纹的倾向性。试验采取焊条电弧焊，对BG钢和LG钢进行斜Y型坡口焊接裂纹试验。焊接温、湿度正常，并提前对焊条进行烘干处理。试验钢件焊接后在室温环境下进行冷却，48小时后再进行解剖和裂纹检测。经多种方式检测，可以得出试验结论：BG钢和LG钢在常温下焊接时不会产生冷裂纹，因此实际焊接过程中无需进行预热。

（四）T型接头焊接裂纹试验

进行T型接头焊接裂纹试验，主要目的是测定焊条及焊接参数对干热裂纹敏感性和评定低合金钢角焊缝的热裂纹敏感性的影响。在电力钢结构的实际焊接过程中，大部分采用T型接头，并以角焊缝为主。测定Q460钢的焊缝的热裂纹敏感性，对于实际焊接帮助极大。试验时，采用中、中高两种热输入方式，以焊条电弧焊分别对BG钢和LG钢进行焊接，温、湿度正常且焊条已被烘干处理。试验完成后在室温下进行空冷，充分冷却后再检查裂纹。试验表明，BG钢和LG钢进行焊接时，都不容易产生热裂纹。[3]

综上所述，Q460低合金高强度钢已经广泛就用于电力系统诸多领域。Q460钢的焊接工艺对电力系统钢结构的质量和安全性、稳定性有着重要影响，加强Q460钢工艺焊接试验，对了解和掌握Q460的性能和焊接特性有着重要的现实意义。为保证电力钢结构焊接质量，焊接时必须结合Q460钢的性能特点，采取科学的焊接工艺，尽量避免气孔、裂缝的产生，提高Q460钢的焊接性、韧性和塑性，以提高电力钢结构长期使用的结构稳定性和质量安全性。

参考文献

[1]邱德隆,高树栋,芦广平等.Q460E-Z35钢焊接性试验及工艺评定[J].电焊机,2008,38(4):26-50.DOI:10.3969/j.issn.1001-2303.2008.04.015.

[2]蔺云峰.Q460低合金高强度钢的焊接工艺分析[J].科技情报开发与经济,2009,19(29):191-192.DOI:10.3969/j.issn.1005-6033.2009.29.092.

[3]黎兴文.电力系统Q460钢工艺焊接性试验研究[J].焊接技术，2014，07.