焊接工艺和材料的理化反应对钢结构性能的影响_陈钦烨.pdf

书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接研究报告专论焊接工艺和材料的理化反应对钢结构性能的影响陈钦烨，李武俊，马尚城（温州泰昌铁塔制造有限公司，浙江 温州325000）摘要：Q460合金结构钢是电力钢结构工程中的选材之一，在这一类型钢结构实施焊接中，容易导致材料金属和焊接材料发生物理反应，出现偏折问题，引发出现各种焊接质量问题；为此需要提高对Q460钢结构焊接质量的重视。针对钢材化学成分中的碳当量、冷裂纹敏感指数等指标实施分析，实现对其焊接裂纹敏感性的认识；另外针对钢材的焊接冷、热裂纹敏感性研究，结果发现这一合金结构钢在焊接中具有良好的抗冷、热裂纹能力，可以在电力钢结构工程中推广应用。在正交试验方法的应用下，针对电力钢结构工程的Q460钢焊接工艺实施评定，评定结果焊接作业中电流上限为290319 A。关键词：焊接工艺；材料；电力；钢结构工程中图分类号：TG44文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）03-0056-04Effect of welding process and physical and chemicalreaction of material on properties of steel structureCHEN 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 thewelding of this type of steel structure，it is easy to cause physical reactions between the material metal and the welding material，resulting in deflection problems，thus causing various welding quality.Therefore，it is necessary to paymore attention to the welding quality of Q460 steel structure.The carbon equivalent，cold crack sensitivity indexand other indicators in the chemical composition of the steel were analyzed to realize the understanding of the welding crack sensitivity.In addition，the cold and hot crack sensitivity of the steel was studied.The results show thatthis weldedalloy structural steel has good resistance to cold and hot cracks，and can be popularized and applied inpower steel structure engineering.In addition，under the application of the orthogonal test method，the Q460 steelwelding process for electric power steel structure engineering was evaluated，and the result of the evaluation showthat the upper limit of the current in the welding operation，is 290319A.Keywords：welding process；material；electric power；steel structure engineering2023 年 3 月第 50 卷第 3 期doi：10.3969 j.issn.1001-5922.2023.03.014Vol.50 No.03，Mar.2023收稿日期：2022-09-01；修回日期：2023-02-06作者简介：陈钦烨（1988-），男，工程师，研究方向：机械设计及自动化；E-mail：。引文格式：陈钦烨，李武俊，马尚城.焊接工艺和材料的理化反应对钢结构性能的影响J.粘接，2023，50（3）：56-59.在电力钢结构工程中，Q460钢作为选材之一，在焊接中需要对这一钢材的焊接性能有准确了解。其中Q460材料在生产中，是采用焊接方式实现，然而焊接过程中温度非常高，容易导致熔渣和金属间发生物理反应，引发焊接元素发生氧化-还原反应，有机会改变金属化学成分和机械性能，因此需要对其焊接性能有所了解。另外在焊接过程中并严格依照相关规程要求，提升焊接质量。本次关于电力钢结构工56学术论文粘接书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?Academic papers研究报告专论程中的焊接工艺和材料实施研究。1Q460钢材化学成分及其性能分析1.1化学成分本次实验采用的是Q460钢为18mm和20mm钢材；试验采用的焊条结合强韧性匹配原则选择JL-815，直径为4mm；熔敷金属化学成分组成：C为0.071%、Si为0.530%、Mn为1.600%、S为0.010%、P为0.016%、Ni为0.021%、Cr为0.023%、Mo为0.018%。1.2实验评估依据1.2.1碳当量评定依据关于碳当量的定义即为针对钢中的合金元素含量，其中也包括碳，依照作用对其进行碳的相当含量换算，以此实现对钢材淬硬、催化以及冷裂纹等焊接性能实施评定。目前国际上采用的碳当量计算公式，主要是由国际焊接学会（IIW）提出的w（C）eq，即：w（C）eq=w（C）+16w（Mn）+15w（Cr）+15w（Mo）+15w（V）+115w（Ni）+115w（Cu）（1）这一公式抗拉强度在500900 MPa的非调质低合金高强度钢中适用。当前在我国钢结构标准和常用欧洲结构钢标准EN 10025 热轧结构钢产品 均是将其作为是焊接性能评价指标。在针对板材厚度在20 mm以下钢材评定中，若计算结果显示w（C）eq小于0.4%，即为钢材的淬硬倾向不明显，具有良好的焊接性能，焊接工艺开始前也不必实施预热；若计算结果w（C）eq在0.4%0.6%，尤其是在0.5%以上情况下，即为这一钢材容易淬硬，相对焊接性能比较差，为对其焊接裂纹发生实施预防需要提前预热，焊材厚度越大或w（C）eq值越大，一般情况需要适当的提升预热温度。针对本次选取的钢材化学成分在公式中代入计算，所得碳当量计算结果分别为18 mm钢材w（C）eq=0.362；20 mm钢材w（C）eq=0.447，均在0.5%以下，具有一定淬硬倾向2。1.2.2冷裂纹敏感指数评定依据最初创立w（C）eq的时候，钢材强化方式即为碳锰强化，即为通过针对大量w（C）eq在0.18%以上钢种进行试验所得。当前世界范围内针对低碳微量多合金元素低合金高强度钢也提出了一个新的碳当量计算公式，即为20世纪60年代日本学者伊藤提出的冷裂纹敏感指数计算公式：Pc=w（C）+w(Si)30+w(Mn)+w(Cu)+w(Cr)20+w(Ni)60+w(Mo)15w(V)10+5w(B)+600+H60（2）式中：为钢材厚度；H为扩散氢含量，mL/（100 g）。针对以上公式将扩散氢含量和板材厚度因素进行去除，可以获取焊接裂纹敏感性指数（Pcm），即：Pcm=w（C）+w(Si)30+w(Mn)+w(Cu)+w(Cr)20+w(Ni)60+w(Mo)15w(V)10+5w(B)（3）式（3）在w（C）eq为0.07%0.22%，抗拉强度在4001 000 MPa低合金高强度钢中较为适用。1.2.3热裂纹敏感指数评定依据为能够进一步探讨钢材化学成分和焊接热裂纹之间关联性，广大学者经过实验研究提出了能够对低合金钢热裂纹倾向实施预测或平度的热裂纹敏感指数（HCS），具体计算公式为：HCS=w(C)w(S)+w(P)+w(Si)/253w(Mn)+w(Cr)+w(Mo)+w(V)+w（Ni）/1003w(Mn)+w(Cr)+w(Mo)+w(V)103（4）日本焊接学会 JWS 也针对临界应变增长率（CST）提出了相应的计算公式，具体为：CST=-19.2w（C）-97.2w（S）-w（Ni）-0.8w（Cu）-618.5w（B）+3.9w（Mn）+65.7w（Nb）+710-4（5）在评估过程中，若HCS在4或以下，CST在6.510-4或以上情况下，即为焊接中通常不会出现裂纹；反之，HCS越大或CST越小，也就具备比较高的热裂纹敏感性，裂纹发生率较高。1.3试验设计1.3.1焊接热影响区最高硬度试验设计本次针对Q460钢热影响区最高硬度试验分析，选取的2种规格钢材分别采用3种焊接热输入实施焊接，具体为低、中、中高。焊接过程中温度控制在16，焊接前烘干焊条，空气相对湿度保持为77%3。针对试件实施焊接完成后，48 h切取试样对其实施研磨抛光、腐蚀处理，之后采用维氏硬度检测仪开展相应的硬度试验，试验过程中施加荷载100 N。1.3.2斜Y形坡口焊接裂纹试验设计试件针对本次钢材样品实施焊条电弧焊处理，以便于开展斜Y形坡口焊接裂纹试验，具体焊接工艺为：电流极性为直接反接、焊接电流为（17010）A、电弧电压（242）V、焊接速度（15010）mm/min、E16.3 kJ/cm。焊接完成后正常室温环境下进行冷却，之后检测分析试件裂纹。肉眼用10倍放大镜对表面、根部裂纹实施检查，针对（HNO3）8%酒精溶液腐蚀处理断面研磨后，采用10倍放大镜对其检查4。1.3.3T形接头焊接裂纹试验设计本次试验采用中、中高焊接输入焊条电弧焊针对试件实施焊接，具体工艺为：电流极性为直接反接、焊接电流为（17010）A、电弧电压（242）V、焊接速度（15010）mm/min、E16.3 kJ/cm；电流极性为直接反接、焊接电流为（20010）A、电弧电压（302）V、焊接速度（15010）mm/min、E约24.0kJ/cm。完成焊接后在室温中实施空冷，之后实施裂纹检查。肉眼用5倍放大镜实施观察，之后实施磁粉检测，如果均未发现裂纹即为焊材焊接热裂纹发生几率不高5。1.4结果分析Q460钢碳当量评估中，针对本次选取的钢材化学成分在式（1）中代入计算，所得碳当量计算结果分别为18 mm钢材w（C）eq=0.362，20 mm钢材w（C）eq=0.447，二者均在0.5%以下，具有一定淬硬倾向。冷裂纹敏感指数评定，将化学成分在式（3）中代57书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接研究报告专论入计算，结果为18 mm钢材Pcm=0.194%，22 mm钢材Pcm=0.271。通过计算可以发现 18 mm 钢材 Pcm在0.20%以下，即为相对焊接冷裂倾向偏低；22 mm钢材Pcm在0.20%以上，即为存在有一定冷裂倾向。热裂纹敏感指数评定，将化学成分在式（4）和式（5）中输入，所得结果为18 mm钢材HCS=1.13，CST=12.7610-4；22 mm钢材HCS=2.33，CST=10.3310-4。通过结果分析能够发现2种钢材的热裂纹敏感性均比较低，通常焊接过程中热裂纹产生风险不大。焊接热影响区最高硬度试验分析中发现其在本次2种钢材编号为2焊接工艺参数中，焊接热影响区最高硬度分别为HV249以及HV250。采用3种