蘇會德，秦炳榮，李天旭

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照276800）

1 前 言

Q420B鋼以其具有的高強度和韌性、抗疲勞性等良好綜合機械性能，在工程和機械上逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用過程中，該鋼種出現(xiàn)了焊接開裂情況，給該材料的使用帶來了結(jié)構(gòu)安全影響。在山東某大型國有鋼鐵冶金企業(yè)的工程項目建設(shè)中，材質(zhì)為Q420B 大型H 型鋼梁在CO2保護焊焊接時，兩榀H型鋼梁與柱的熔透型角焊縫出現(xiàn)裂紋，裂紋從熱影響區(qū)開始，貫穿焊縫，止裂于母材另一側(cè)，裂紋長度分別為80 mm、100 mm。對此進行相關(guān)測試、分析、研究，找到原因，并為今后該類鋼使用質(zhì)量提供借鑒。

2 焊接裂紋產(chǎn)生的原因分析

開裂的焊縫為焊接H 型鋼懸臂短梁與鋼柱翼緣板的全熔透角焊縫，見圖1。

圖1 焊縫裂紋位置

焊縫母材采用Q420B（15MnVN）鋼板，鋼板厚度b=38 mm；焊絲采用H08MnMoA，直徑Φ1.2 mm；焊接工藝采用CO2保護焊，焊接過程中未采取預(yù)熱措施，焊后采取自然冷卻；環(huán)境溫度15 ℃。

焊接裂紋出現(xiàn)在焊縫冷卻后，從產(chǎn)生裂紋的機理看，與冷裂紋情況相似。冷裂紋是焊接施工中較為普遍的一種裂紋，大約在鋼材馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度Ms附近，在淬硬組織、氫和拘束應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生。冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼、中碳和高碳鋼的焊接熱影響區(qū)。為了研究裂紋原因，從焊縫和熱影響區(qū)的冷卻時間對焊接接頭的組織成分、氫和拘束應(yīng)力的影響等3 個方面進行分析。

2.1 焊縫冷卻速度的測定

為了測定焊縫冷卻速度，現(xiàn)場采用CO2氣體保護焊進行焊接試驗操作。為了消除多層焊時，循環(huán)加熱對冷卻時間的影響，盡可能取得較準確的冷卻時間。在現(xiàn)場試驗中所測定的時間為第一、二層焊接時的所測量的冷卻時間。

2.1 .1 CO2保護焊采用的焊接工藝

焊接時焊縫的冷卻速度與板的厚度有關(guān)，板越厚散熱越快，冷卻速度越快。由于采用38 mm厚的板焊接時散熱太快，難以手工測量出熔池冷卻到500 ℃時的冷卻時間，因此，試驗中用厚度26 mm的板代替38 mm的板進行試驗。

試驗?zāi)覆牟捎脙蓧K厚26 mm，長500 mm，寬200 mm 的Q420B（15MnVN）鋼板，在其中1 條鋼板邊緣沿長度方向開45°K形坡口，兩塊鋼板預(yù)組裝成的接頭形式如圖2所示。

圖2 焊縫接頭形式

焊絲采用H08MnMoA，Φ1.2 mm；焊接方式采用CO2保護焊，焊前不采取預(yù)熱措施，焊后自然冷卻；焊接參數(shù)為焊接電流180～260 A，焊接電壓21～26 V；外界溫度為12 ℃；測溫采用P20LT 型便攜式紅外激光測溫槍、秒表、焊工護目面罩。

測溫時，用測溫槍對準焊縫熔池，在焊絲脫離熔池的一瞬間快速開始計時，在達到需要測定的溫度時，再次快速停止計時。

2.1 .2 焊縫冷卻到500 ℃的測定時間

測溫過程中發(fā)現(xiàn)，CO2保護焊冷卻速度較快，所用時間較短，手工測量，只能較準確地測定出焊縫熔池冷卻到400 ℃時所用的時間，無法測定出冷卻到500 ℃時所需用的準確時間。從現(xiàn)場測量的時間看，CO2保護焊從500 ℃到400 ℃的冷卻時間不足1/3 s，不影響試驗結(jié)果，故冷卻到500 ℃的時間以冷卻到400 ℃的時間代替?，F(xiàn)場測量多組焊縫冷卻到500 ℃的時間數(shù)據(jù)，取較準確的數(shù)據(jù)4組，分別為4 s、3 s、3 s、5 s。

2.1 .3 焊縫冷卻到500 ℃的時間分析

碳鋼焊接時，熔池的溫度一般在1 450～1 480℃，以1 460 ℃計。采用CO2保護焊焊接時，熔池的冷卻速度很快，在平均時間3.75 s內(nèi)，熔池就由熔化狀態(tài)急速冷卻到500 ℃。

2.2 焊縫冷卻速度對組織成分影響分析

2.2 .1 臨界冷卻時間的測算依據(jù)

在焊接裂紋的研究過程中，為了防止某些低合金高強鋼焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生根部延遲裂紋，采用連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖和用CTS裂紋試驗法，測定冷卻時間對熱影響區(qū)冷裂影響，并對抗拉強度為510 MPa的高強鋼，做出了高強鋼CCT圖與CTS裂紋試驗的結(jié)果［1］，見圖3。

圖3 高強鋼CCT圖與CTS裂紋試驗的結(jié)果

由圖3所示，如果熔合區(qū)焊后800～500 ℃的冷卻時間（t8/5）小于出現(xiàn)鐵素體的臨界冷卻時間（Cf'）就會出現(xiàn)裂紋。由此可以利用Cf'作為焊接冷裂傾向的判斷依據(jù)。

2.2 .2 Q420B鋼臨界時間的計算

Q420B 鋼的臨界冷卻時間計算，作為粗略估算，Cf'可用下式進行計算［1］：

式中：Cf'為出現(xiàn)鐵素體的臨界冷卻時間，s；Ceq=C+Mn/14+Si/291+Ni/67+Cr/16+Mo/6+V/425。

Q420B 鋼的化學成分為C≤0.2%；Mn=1.0%～1.7%；Si≤0.045%。套入Cf'計算公式，計算得（各成分含量取上限值）：Cf'≈11 s，即Q420B 鋼焊縫熔合區(qū)800～500 ℃臨界冷卻時間（t8/5）為11 s。

CO2保護焊焊接Q420B 鋼，焊縫由熔化狀態(tài)冷卻到800 ℃，所用時間很短，數(shù)值很小，手工較難測量，對結(jié)果分析影響不大，可以忽略。因此，焊縫由800 ℃冷卻到500 ℃所用的時間，由焊縫熔化狀態(tài)冷卻到500 ℃的時間代替。

2.2 .3 組織成分和裂紋傾向分析

通過上述計算和分析可以得出，采用CO2保護焊，焊縫熔池冷卻到500 ℃時，平均冷卻時間3.75 s，遠小于計算得出的11 s臨界冷卻時間，焊縫冷卻后，焊接接頭會出現(xiàn)裂紋。根據(jù)圖3 分析得出，焊縫及熱影響區(qū)冷卻后的組織分為單一的馬氏體。

2.3 焊縫冷卻速度對氫含量影響分析

氫是引起高強鋼焊接冷裂紋的重要因素之一，并且有延遲的特征。鋼中含氫量分為兩部分，一部分是溶解在金屬里面含量基本不變的殘余氫［2］，殘余氫量很少，對冷裂紋的產(chǎn)生和擴展作用不大，不會引起致裂作用。另一部分是焊縫在冷卻過程中，少量超過金屬溶解度卻未逃逸出金屬的殘余擴散氫［H］R。殘余擴散氫［H］R向母材熱影響區(qū)擴散，在焊縫根部有塑性應(yīng)變的部位（缺口效應(yīng)、應(yīng)力集中等）發(fā)生聚集，導致此部位易產(chǎn)生氫裂紋。一般認為，殘余擴散氫對冷裂紋的產(chǎn)生和擴展起了決定性作用。相關(guān)試驗研究證明，高強鋼焊接接頭的含氫量越高，裂紋的敏感性越大，當局部地區(qū)的含氫量達到某一臨界值時，便開始出現(xiàn)裂紋，此值稱為產(chǎn)生裂紋的臨界含氫量。

2.3 .1 冷卻時間與含氫量關(guān)系

國外對焊縫冷卻到100 ℃時殘余擴散氫［H］R100與冷裂臨界應(yīng)力的關(guān)系進行研究，建立了［H］R100經(jīng)驗計算公式［1］：

式 中：ΣDΔt 為 擴 散 熱 因 子，ΣDΔt=（0.76t100+6.3t200）×10-5；t100、t200為由峰值溫度冷卻到200 ℃、100 ℃的冷卻時間；H0為水銀法測熔敷金屬的含氫量；A為試驗常數(shù)，決定于試驗方法、焊縫形狀和母材的材質(zhì)等，平面堆焊A=75，Y型坡口A=95。

2.3 .2 冷卻時間對含氫量的影響

由殘余擴散氫［H］R100經(jīng)驗計算公式表明，導致100 ℃焊接接頭冷裂臨界應(yīng)力變化的殘余擴散氫含量，與焊接接頭由峰值溫度冷卻至100 ℃和200 ℃的冷卻時間t 有著變量關(guān)系，t 的大小直接影響著殘余擴散氫［H］R100的含量，冷卻時間t越小，殘余擴散氫［H］R100越大。

根據(jù)理論分析，CO2保護焊時，因未進行焊前預(yù)熱，造成焊縫冷卻速度快，冷卻時間短，部分氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中增加了焊縫及熱影響區(qū)的氫含量，使焊接區(qū)組織更加脆化，開裂傾向增大。

2.4 焊縫冷卻速度對拘束應(yīng)力影響分析

結(jié)構(gòu)自身拘束條件會造成焊縫的拘束應(yīng)力，同時焊接時產(chǎn)生的拘束應(yīng)力也會不斷增大，直至開始產(chǎn)生裂紋時，此時的拘束應(yīng)力稱為臨界拘束應(yīng)力σcr。低合金高強鋼的對接接頭不產(chǎn)生裂紋的臨界拘束應(yīng)力σcr，可以通過經(jīng)驗計算公式［3］計算得出：

式中：［H］為GB 1225—76 法測定的擴散氫含量，mL/100 g；HV為熱影響區(qū)的平均最大維式硬度。

由（3）計算公式可以看出，σcr與［H］有關(guān)，［H］越大，σcr越小。也就是說，焊接接頭中氫含量越大，鋼的對接接頭的臨界拘束應(yīng)力就越小，焊接接頭就越容易開裂。

在前面分析中已經(jīng)得出了殘余擴散氫［H］R100含量與冷卻時間t 的關(guān)系，冷卻時間t 越短，殘余擴散氫［H］R100越大，產(chǎn)生的臨界拘束應(yīng)力σcr越小，焊縫越容易開裂。

2.5 焊接裂紋原因分析

由上述分析可以得出，采用CO2保護焊焊接較厚的Q420B 鋼產(chǎn)生裂紋的主要原因是焊縫輸入線能量過少，導致焊縫冷卻時間過短，過短的冷卻時間使焊縫及熱影響區(qū)在短時間內(nèi)快速冷卻，生成淬硬的馬氏體組織；過短的冷卻時間同時也導致了擴散氫無法及時逸出，以過飽和狀態(tài)殘留在焊接接頭的馬氏體組織中；過高的殘余擴散氫在缺口效應(yīng)的部位，促使這個地區(qū)進一步脆化，導致臨界拘束應(yīng)力降低。其后果是淬硬的馬氏體組織受氫的誘發(fā)和促進后脆化，來不及逸出的擴散氫大大降低了焊接接頭的臨界拘束應(yīng)力，在拘束應(yīng)力的作用下形成了焊接裂紋。

3 焊接工藝改善措施

為了防止出現(xiàn)焊接裂紋，針對數(shù)千噸材質(zhì)為Q420B的鋼結(jié)構(gòu)，采取CO2保護焊焊接的，從以下幾個方面采取了措施：

3.1 采取焊前預(yù)熱處理

查找相關(guān)資料，對于國內(nèi)常用的低合金鋼高強鋼，板材較厚的，采用手工電弧焊時，在焊后不需要后熱的情況下，焊前預(yù)熱溫度一般取130 ℃［1］。CO2保護焊焊接厚板的冷卻速度很快，在實際操作中應(yīng)適當提高預(yù)熱溫度。參考低合金高強鋼HT80的預(yù)熱溫度［1］，見表1。

對構(gòu)件的焊接采取了焊前預(yù)熱和后熱處理工藝。預(yù)熱溫度85 ℃提高到90～100 ℃，預(yù)熱區(qū)間為焊縫兩側(cè)各100 mm 左右。為了保證加工進度，采用簡便的火焰加熱（亦可采用電熱板加熱器等方法）。

表1 HT80鋼預(yù)熱溫度（E=17 kJ/cm） ℃

3.2 采取后熱處理

低合金鋼的后熱溫度TP與鋼種化學成分的經(jīng)驗公式［1］：

式中：［Ceq］P為碳當量；［Ceq］P=C＋0.203 3Mn＋0.047 3Cr＋0.122 8Mo＋0.029 2Ni＋0.035 9Cu-0.079 2Si-1.595P＋1.692S＋0.844V。

根據(jù)公式（4）和Q420B 鋼的碳當量，計算得TP為117.3 ℃。

根據(jù)上述計算，采取TP后熱溫度為120 ℃，30 min 左右保溫的焊接工藝。焊后及時后熱，使擴散氫能充分逸出，在一定程度上降低殘余應(yīng)力，起到了韌化熱影響區(qū)和焊縫組織，降低淬硬性的作用。在產(chǎn)生裂紋以前及時進行加熱處理的工藝措施，有效地防止冷裂紋的產(chǎn)生。

3.3 采取多層焊及層間溫度控制

多層焊中后層對前層具有消氫作用，并能改善前層焊縫和熱影響區(qū)的組織，因此焊接采用了多層焊。由于焊縫長度較長，逐層焊接時，嚴格控制層間溫度在180～200 ℃。

4 裂紋修復工藝措施

對于出現(xiàn)裂紋的構(gòu)件，確定了焊前預(yù)熱，焊后保溫處理的修復措施。

1）清除裂紋。采用碳弧氣刨清除裂紋，先清兩端，再清除中間，直至裂紋徹底清除。

2）焊前預(yù)熱。修補焊接前，先進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度200 ℃，預(yù)熱區(qū)間為焊縫兩側(cè)各100 mm。根據(jù)現(xiàn)場實際條件，采用氧乙炔火焰加熱。加熱過程中采用便攜式紅外激光測溫槍進行溫度的監(jiān)測，確保加熱溫度。

3）焊接修補。焊接修補采用手工電弧焊，焊條采取E5017；過程中嚴格控制層間溫度，采用便攜式紅外激光測溫槍進行檢測，確保層間溫度保持在200 ℃左右。

4）焊后保溫。由于焊前預(yù)熱溫度較高，根據(jù)表1，焊前預(yù)熱溫度200 ℃為不進行后熱的溫度，因此，焊后不再進行后熱，改用石棉被進行焊后保溫，使焊縫緩冷。

采用改善的工藝進行焊縫修補完成后，未再出現(xiàn)焊接裂紋。此外，為了確保焊接質(zhì)量，采用超聲波探傷，探傷結(jié)果顯示焊縫全部合格。

5 結(jié) 語

由于CO2保護焊相比較于手工電弧焊，焊接速度快、費用低，在冶金鋼結(jié)構(gòu)工程焊接施工中得到廣泛應(yīng)用。但CO2保護焊，受焊絲直徑的限制，輸入線能量相對少，焊縫的冷卻速度快，焊縫區(qū)組織淬硬傾向大，特別是焊接較厚的高強鋼時，如果不采取熱處理措施，很容易產(chǎn)生焊接裂紋。焊接裂紋的清理和焊接修復過程中，對熱影響區(qū)的重復加熱，又造成熱影響區(qū)組織的晶粒粗大、脆化，極大地降低結(jié)構(gòu)的承載能力。在冶金工程大規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)焊接施工中，受工期、成本、人員素質(zhì)、操作習慣等各種因素的影響，焊前預(yù)熱處理措施不受重視，經(jīng)常被忽視，出現(xiàn)裂紋后又多次重復焊接修補，嚴重降低結(jié)構(gòu)的強度，存在質(zhì)量安全隱患。因此采用CO2保護焊焊接高強鋼，必須嚴格按焊接工藝要求施工，做好焊前預(yù)熱等措施，盡量一次焊接合格，避免出現(xiàn)焊接裂紋，減少返修次數(shù)，這對焊接質(zhì)量和工程質(zhì)量、效率均有顯著意義。