一、建筑鋼結構新鋼種焊接性試驗

2012年8月，我國第一本鋼結構焊接規范GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》正式使用，拉開了鋼結構行業大規模使用新鋼種的序幕；高強鋼、耐候鋼將在建筑鋼結構焊接工程中逐漸得到應用，因此新鋼種焊接性試驗將會逐漸增多，了解和掌握新鋼種焊接性試驗的相關知識就顯得尤其重要。

由于鋼結構體系設計的需要，在重要性建筑鋼結構焊接工程中進行新鋼種焊接性試驗研究就顯得格外重要。采用了新一代高強鋼種同傳統鋼種有很大的區別，掌握和研究新鋼種的焊接性是一件十分重要和困難的工作。

根據國際慣例，新鋼種焊接性試驗研究應當由生產廠家和研究機關來承擔，而在我國沒有明確的規定。因此Q460-Z35鋼的焊接性試驗研究工作由施工單位承擔，這是首例，根據我國國情，這種現象恐怕要延長很長時間，所以新鋼種焊接性試驗研究可能會成為建筑鋼結構焊接工程中的重點和難點。

（一）鋼材的焊接性

焊接性是指鋼材（材料）在限定的施工條件下，焊接成按規定設計要求的構件，并滿足預定運營要求的能力。評定母材金屬的試驗，叫作焊接性試驗。

鋼材（材料）對焊接加工的適應性叫作鋼材（材料）的焊接性，是用以衡量鋼材（材料）在一定工藝條件下獲得優質接頭的難易程度和該接頭能否在使用條件下可靠運行的具體技術指標。

1.焊接性分類

焊接性包含工藝焊接性和使用焊接性兩方面的內容。

工藝焊接性是指在一定焊接工藝條件下，能否獲得優良致密、無缺陷焊接接頭的能力。它不是金屬本身所固有的性能，而是根據某種焊接方法和所采用的具體工藝措施來進行評定的。所以金屬材料的工藝焊接性與焊接過程密切相關。對于熔焊，一般都要經歷傳熱過程和冶金反應過程，因而又可把工藝焊接性分為熱焊接性和冶金焊接性。熱焊接性是指焊接熱循環對焊接熱影響區組織性能及產生缺陷的影響程度。用以評定被焊金屬對熱的敏感性，如晶粒長大、組織性能變化等，它主要與被焊材質及焊接工藝有關。冶金焊接性是指在一定冶金過程的條件下，物理化學變化對焊縫性能和產生缺陷的影響程度。它包括合金元素的氧化，還原，氮化，蒸發，氫、氧、氮的溶解等對形成氣孔、夾雜、裂紋等缺陷的影響，用以評定被焊材料對冶金缺陷的敏感性。

使用焊接性是指焊接接頭或整個結構滿足產品技術條件規定的使用性能的程度。使用性能取決于焊接結構的工作條件和設計上提出的技術要求。通常包括常規力學性能、低溫韌性、抗脆斷性能、高溫蠕變、疲勞性能、持久強度、耐蝕性能和耐磨性能等。

從理論上，凡是在熔化狀態下相互能形成固溶體或共晶的兩種金屬或合金，原則上都可以實現焊接，即具有所謂原則焊接性，又叫物理焊接性，然而，這種原則焊接性僅僅為材料實現焊接提供理論依據，并不等于該材料用任何焊接方法，都能獲得滿足使用性能要求的優質焊接接頭。同種金屬或合金之間是具有原則焊接性的，但是，它們在不同的焊接工藝條件下的焊接性卻表現出很大的差異。因此，金屬材料的焊接性不僅與材料本身的固有性能有關，同時也與許多焊接工藝條件有關。在不同的焊接工藝條件下，同一材料具有不同的焊接性。而且隨著新的焊接方法、焊接材料或焊接工藝的開發和完善，一些原來焊接性差的金屬材料，也會變成焊接性好的材料。

2.影響焊接性的因素

焊接性是金屬材料的一種工藝性能。除受材料本身性質影響外，還受到工藝條件、結構條件和使用條件的影響。

（1）材料因素

材料包括母材和焊接材料。在相同的焊接條件下，決定母材焊接性的主要因素是它本身的物理化學性能。

物理性能方面，如金屬的熔點、熱導率、線脹系數、密度、熱容量等因素，都對熱循環、熔化、結晶、相變等過程產生影響，從而影響焊接性。純銅熱導率高，焊接時熱量散失迅速，升溫的范圍很寬，坡口不易熔化，焊接時需要較強烈的加熱。如果熱源功率不足，就會產生熔透不足的缺陷。銅、鋁等熱導率高的材料，熔池結晶快，易于產生氣孔。鈦、不銹鋼等熱導率低的材料，焊接時溫度梯度大，殘余應力高，變形大。而且由于高溫停留時間長，熱影響區晶粒長大，對接頭性能不利。鋁和奧氏體不銹鋼線脹系數大、接頭的變形和應力較為嚴重。鋁及其合金的密度小，焊接時，熔池中的氣泡和非金屬夾雜物不易上浮逸出，就會在焊縫中殘留氣孔和夾渣等。

化學性能方面，主要看金屬與氧的親和力的強弱。如鋁、鐵及其合金的化學活潑性很強，在高溫焊接下極易氧化。有些金屬對氫、氮等氣體很敏感，焊接時，就必須有可靠的保護，如采用惰性氣體保護焊或在真空中焊接，否則焊接就難以實現。

如果是異種金屬焊接，也只有其理化性能和晶體結構接近的金屬才比較容易實現焊接。

對于鋼材的焊接，影響其焊接性的主要因素是所含的化學成分。其中影響最大的元素有碳、硫、磷、氫、氧和氮等，它們容易引起焊接工藝缺陷和降低接頭的使用性能。其他合金元素，如錳、硅、鉻、鎳、鉬、鐵、釩、銘、銅、硼等都在不同程度上增加焊接接頭的淬硬傾向和裂紋敏感性。所以，鋼材的焊接性總是隨著含碳量和合金元素含量的增加而惡化。

此外，鋼材的冶煉軋制狀態、熱處理狀態、組織狀態等，在不同程度上都對焊接性發生影響。所以近年來研制和發展了各種CF鋼（抗裂鋼）、Z向鋼（抗層狀撕裂）、TMCP鋼（控軋鋼）等，就是通過精煉提純或細化晶粒和控軋工藝等手段，來改善鋼材的焊接性。

焊接材料直接參與焊接過程一系列化學冶金反應，決定著焊縫金屬的成分、組織、性能及缺陷的形成。如果選擇焊接材料不當，與母材不匹配，不僅不能獲得滿足使用要求的接頭，還會引起裂紋等缺陷的產生和組織性能的變化。因此，正確選用焊接材料也是保證獲得優質焊接接頭的重要冶金條件。

（2）工藝因素

工藝因素包括焊接方法、焊接參數、裝焊順序、預熱、后熱及焊后熱處理等。焊接方法對焊接性影響很大，主要表現在熱源特性和保護條件兩個方面。

不同的焊接方法其熱源在功率、能量密度、最高加熱溫度等方面有很大差別。金屬在不同熱源下焊接，將顯示出不同的焊接性能。如電渣焊功率很大，但能量密度很低，最高加熱溫度也不高，焊接時加熱緩慢，高溫停留時間長，使得熱影響區晶粒粗大，沖擊韌度顯著降低，必須經正火處理才得改善。與此相反，電子束焊、激光焊等方法，功率不大，但能量密度很高，加熱迅速。高溫停留時間短，熱影響區很窄，沒有晶粒長大的危險。

調整焊接參數，采取預熱多層焊和控制層間溫度等其他工藝措施，可以調節和控制焊接熱循環，從而可改變金屬的焊接性。

例如，焊接某些有淬硬傾向的高強鋼時，材料本身具有一定冷裂敏感性。當工藝選擇不當，焊接接頭可能產生冷裂紋或降低接頭的塑性和韌性。如果選擇合適的填充材料、合理的焊接熱循環，并采取焊前預熱或焊后熱處理等措施，則完全可能獲得沒有裂紋缺陷，滿足使用性能要求的焊接接頭。

（3）結構因素

結構因素主要是指焊接結構和焊接接頭的設計形式，如結構形狀、尺寸、厚度、接頭坡口形式、焊縫布置及其截面形狀等因素對焊接性的影響。其影響主要表現在熱的傳遞和力的狀態方面。不同板厚、不同接頭形式或坡口形狀，其傳熱方向和傳熱速度不一樣，從而對熔池結晶方向和晶粒成長發生影響。結構的形狀、板厚和焊縫的布置等，決定接頭的剛度和拘束度，對接頭的應力狀態產生影響。不良的結晶形態，嚴重的應力集中和過大的焊接應力等是形成焊接裂紋的基本條件。設計中減少接頭的剛度，減少交叉焊縫，避免焊縫過于密度，以及減少造成應力集中的各種因素，都是改善焊接性的重要措施。

（4）使用條件

使用條件是指焊接結構服役期間的工作溫度、負載條件和工作介質等。這些工作環境和運行條件要求焊接結構具有相應的使用性能。例如：在低溫工作的焊接結構，必須具備坑脆性斷裂性能；在高溫工作的結構，要具有抗蠕變性能；在交變載荷下工作的結構，要具有良好的抗疲勞性能；在酸、堿或鹽類介質工作的焊接容器，應具有高的耐蝕性能等?？傊?，使用條件越苛刻，對焊接接頭的質量要求就越高，材料的焊接性就越不容易保證。

（二）金屬焊接性的研究方法

焊接工程師經常遇到一些新材料、新結構或新的工藝方法。在正式投產之前，通常要開展焊接性研究工作，以確保所采用新的材料、結構或工藝方法能獲得優質的焊接接頭。研究的基本方法是先分析后試驗，即在焊接性理論分析的基礎上再做必要的焊接性試驗。焊接性分析可以避免試驗的盲目性，焊接性試驗可以驗證理論分析的結果。

焊接性分析就是運用現代焊接科學技術的理論知識和實踐經驗，對金屬材料焊接的難易程度做出判斷或預測，估計焊接過程可能出現的技術問題，分析產生問題的原因和尋找解決問題的辦法。通常分析是從工藝焊接性和使用焊接性這兩個方面去考察該材料對焊接的適應能力。前者是要解決該材料能焊不能焊的問題，后者是要解決焊后能不能使用的問題。

（1）對工藝焊接性方面的分析

主要是考察金屬材料在給定的工藝條件下（主要指用某種焊接方法焊接時），產生焊接缺陷的傾向性和嚴重性。首先應結合研究對象的特點，從影響焊接性的材料因素、工藝因素和結構因素等方面入手，分析和估計焊接過程中可能會產生什么缺陷，對材料的工藝焊接性做出科學的預測。焊接工藝缺陷很多，其中以裂紋的危害性最大，產生的原因多而復雜，故分析的重點通常是放在材料的抗裂性能上。

按材料中合金元素及其含量間接地評估合金結構鋼的焊接性是最常用的分析方法，如碳當量法和裂紋敏感系（指）數法等。此外，也可利用合金相圖，或焊接CCT圖等進行分析。合金相圖可以用于判斷熱裂傾向；焊接CCT圖可以用于估計有無冷裂的危險和焊后接頭的大致性能（硬度值）。

（2）對使用焊接性方面的分析

主要是考察金屬材料在給定的焊接工藝條件下，焊成的接頭或整個焊接結構是否滿足使用要求，這些要求是由結構的工作條件所決定并由設計者提出。如強度、韌度、塑性、疲勞、蠕變、耐蝕或耐磨等性能要求。對于以等性能原則設計的焊接接頭，則以母材的性能為依據，分別考察焊縫金屬和焊接熱影響區在焊接熱的作用下可能引起哪些不利于使用性能的變化。對于已經建立焊接連續冷卻組織轉變圖（即CCT圖）的金屬材料，利用該圖來預測或判斷焊縫或熱影響區熔合線附近的組織與性能的變化較為方便。對金屬進行焊接性分析時，要有重點和針對性，表3.1給出不同金屬材料作焊接性分析時應特別關注的問題。對于那些尚無把握或難以判斷其焊接性能的金屬材料，應把可能出現的問題提出來，再通過焊接性試驗方法來研究解決。

注：HAZ表示焊接熱影響區。

（3）焊接性試驗

焊接性分析是以理論知識和生產經驗為依據進行的，分析的結果難免與生產實際有出入。因此，對于重大工程，一般應在焊接性理論分析的基礎上有針對性地做些焊接性試驗加以驗證。特別對于一些尚未接觸過的新金屬材料、新的產品結構或新的工藝方法，更應通過較為全面的焊接性試驗，以獲取第一手資料。既可以對材料的焊接性做出更為準確和全面的評價，同時也為制訂焊接工藝提供可靠的依據。冶金部門每發展一種用于焊接結構的新材料，一般都應進行全面的焊接性試驗。

總之，焊接性的分析與試驗是焊接性研究中的兩個工作環節，相輔相成。根據研究對象的復雜性和重要性，可簡可繁。有時分析與試驗交叉平行進行。

（三）焊接性的試驗內容與方法分類

1.焊接性試驗內容

按材料的不同特點和不同使用要求，焊接性試驗內容有以下幾點。

（1）測定焊縫金屬抗熱裂縫的能力

熱裂縫是一種較常發生又危害嚴重的焊接缺陷，是熔池金屬結晶過程中，由于存在一些有害元素（如低熔點共晶物），并受熱應力作用而在結晶末期發生的。熱裂紋同焊接接頭的設計，母材、焊材有關。所以測定焊縫金屬抵抗熱裂紋的能力是焊接性試驗的一項重要內容。

（2）測定焊縫及熱影響區金屬抗冷裂紋的能力

冷裂紋在低合金高強鋼焊接中是最為常見的缺陷，由于這種缺陷的發生具有延遲性，其危害更大。它是焊縫及熱影響區金屬在焊接熱循環作用下，由于組織及性能變化，加之受焊接應力和擴散氫的共同影響而產生的。所以測定焊縫及熱影響區金屬抗冷裂紋的能力是焊接性試驗中很重要又最經常做的一項試驗內容。

（3）測定焊接接頭抗脆性斷裂的能力

對于在低溫下工作的焊接結構和承受沖擊載荷的焊接結構，可能經過焊接的冶金反應，結晶、固態相變等一系列過程，焊接接頭會發生粗晶脆化、組織脆化、熱應變時效脆化等現象。使接頭韌性嚴重下降，即焊接接頭發生脆性轉變。因此，對這類焊接結構的用材，需要做抗脆斷（或抗脆性轉變）能力的試驗。

（4）測定焊接接頭的使用性能

根據焊接結構使用條件對焊接性提出的性能要求來確定試驗內容。使用要求是多方面的，例如，在腐蝕介質工作的焊接結構要求抗腐蝕性能，就可以確定做焊接接頭的耐晶間腐蝕能力或耐應力腐蝕能力等的試驗；厚板鋼結構要求抗層狀撕裂性能時，就需做Z向拉伸或Z向窗口試驗，以測定該鋼材抗層狀撕裂的能力。

2.焊接性試驗方法分類

根據試驗的內容和特點大致歸納成圖3.1所示的工藝焊接性和使用焊接性兩大方面的試驗，每一大方面又分為直接法和間接法兩種類型。直接法有兩種情況：一種是仿照實際焊接的條件，通過焊接過程考察是否發生某種焊接缺陷，或發生缺陷的嚴重程度，直接去評價焊接性的優劣（即焊接性對比試驗）。也可以通過試驗確定出所需的焊接條件（即工藝適應性試驗）。這種情況多在工藝焊接性試驗中使用。另一種是直接在實際產品上進行測定其焊接性能的試驗，這種情況主要用于使用焊接性方面的試驗。間接法一般不需要焊出焊縫，只需對產品實際使用的材料做化學成分、金相組織或力學性能等的試驗分析與測定，然后根據分析與測定的結果，對該材料的焊接性進行推測與評估。例如，碳當量法，只需從產品用的材料中測定出其化學成分，代入碳當量計算公式，利用算出碳當量的大小去判斷該材料的焊接性。

（四）選擇或設計焊接性試驗方法的原則

現有的焊接性試驗方法很多，隨著技術的進步、要求的提高，焊接性試驗方法還會不斷增加。選擇已有的或設計新的焊接性試驗方法時，一般應考慮以下原則。

1.可比性

只有試驗條件完全相同下，兩個試驗的結果才具有可比性。因此，凡是國家或國際上已經頒布的標準試驗方法，應優先選擇，并嚴格按標準的規定進行試驗。曾建立標準但現已廢止的或尚沒有建立標準的，應選擇國內外同行業中較為通用的或公認的試驗方法進行。若無標準可供遵循，須自行設計焊接性試驗方法時，應把試驗條件規定得明確具體。最后要說明試驗結果是在什么試驗條件下得出。

2.針對性

所選擇的或自行設計的試驗方法，其試驗條件要盡量與實際焊接時的條件相一致，這些條件包括母材、焊接材料、接頭形式、接頭受力狀態，焊接參數等。而且試驗條件還應考慮到產品的使用條件，盡量使之接近。只有這樣才能使焊接性試驗具有良好的針對性，其試驗結果才能較準確地顯示出實際生產時可能發生的問題或可能出現的現象。

3.再現性

焊接性試驗的結果要穩定可靠，具有較好的再現性。試驗數據不可過于分散，否則難以找出變化規律和導出正確的結論。為此，試驗方法應盡量減少或避免人為因素的影響，多采用自動化、機械化的操作，少用人工操作。試驗條件和試驗程序要規定得嚴格，防止隨意性。

4.經濟性

在符合上述原則并可獲得可靠結果的前提下，力求減少人力、物力和財力消耗，節省試驗費用。

（五）常用焊接性試驗方法

這里介紹的試驗方法，有現行國家標準規定的、曾是國家標準規定的和不是國家標準規定的三類，許多研究成果和技術數據多是采用這些方法試驗得出來的，作為研究手段，它們均具有學術價值。當然，在達到同樣目的的情況下，仍應優先采用現行國家規定的試驗方法。

1.工藝焊接性的間接估算法

（1）評估鋼材冷裂紋傾向的碳當量法

基于焊接熱影響區的淬硬及冷裂紋傾向與鋼種的化學成分有關，所以利用化學成分間接地評估鋼材冷裂紋的敏感性。把鋼中合金元素（包括碳）的含量，按其作用換算成碳的相當含量（以碳的作用系數為1），作為粗略評定鋼材冷裂傾向的一種參考指標，即所謂碳當量法。

（2）熱裂紋敏感指數法

考慮化學成分對焊接熱裂紋敏感性的影響，在試驗研究的基礎上提出可預測或評估金屬材料熱裂紋傾向的指數方法。

①熱裂紋敏感系數（簡稱HCS）法，其計算公式為：

當HCS≤2時，不會產生熱裂紋。HCS值越大的金屬材料，其熱裂紋敏感性也越高。

②臨界應變增長率（簡稱CST）法，用下式計算：

CST=（-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0）×10-4　　（3.2）

當CST≥6.5×10-4時，可以防止裂紋。

（3）層狀撕裂敏感性指數法

在對500～800MPa級低合金高強度鋼的插銷試驗（沿板厚方向截取試棒）和窗形拘束裂紋試驗的基礎下裂紋撕裂敏感性指數公式：

式中　［H］——熔敷金屬中擴散氫（日本JIS法），mL/100g。

根據PL值可以在圖3.2上查出插銷試驗Z向不產生層狀撕裂的臨界應力（σz）cr值。

式（3.4）僅適用于熱影響區附近產生的層狀撕裂。

（4）再熱裂紋敏感性指數法

預測鋼材焊接性時，根據合金元素對再熱裂紋敏感性的影響，可采用再熱裂紋敏感性指數法進行評定，下面推薦兩種方法。

①ΔG法。

ΔG=Cr+3.3Mo+8.1V-2　?。?.5）

當ΔG<0不再產生裂紋，ΔG≥0對再熱裂紋敏感。

對于C>0.1％的鋼，式（3.5）修正為

ΔG'=ΔG+10C=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C　?。?.6）

當ΔG'≥0對再熱裂紋敏感，1.5≤ΔG'<2敏感性中等，ΔG'<1.5對再熱裂紋不敏感。

②PSR法。此法更全面地顧及Cu、Nb、Ti等對再熱裂紋的影響，計算公式如下。

PSR=Cr+Cu+2Mo+5Ti+7Nb+10V-2　　（3.7）

此式僅適用于：Cr≤1.5％；Mo≤2.0％；Cu≤1.0％；0.10％≤C≤0.25％；V+Nb+Ti≤0.15％。當PSR越大，對再熱裂紋越敏感。

（5）利用CCT圖或SHCCT圖分析

對于各類低合金鋼，可以利用其各自的連續冷卻曲線（CCT圖）或模擬焊接熱影響區的連續冷卻曲線（SHCCT圖）分析其焊接性問題。這些曲線可以大體上說明在不同焊接熱循環條件下將獲得什么樣的金相組織和硬度，可以估計有無冷裂的危險，以便確定適當的焊接工藝條件

焊接連續冷卻組織轉變（Continuous Cooling Transformation）曲線圖，簡稱CCT曲線，是表征某焊縫及熱影響區金屬在各種連續冷卻的條件下轉變開始溫度和終了溫度、轉變開始時間和終了時間，以及轉變的組織、室溫硬度與冷卻速度之間的關系的曲線圖。焊接連續冷卻轉變圖分為焊縫金屬連續冷卻轉變圖（簡稱焊縫金屬WM-CCT圖）和熱影響區連續冷卻轉變圖（簡稱焊接熱影響區SH-CCT圖）。由于焊接熱影響區SH-CCT圖應用比較廣泛，一般焊接CCT圖多指熱影響區SH-CCT圖。

因此CCT曲線與實際生產條件相當近似，所以它是制定工藝時的有用參考資料。根據連續冷卻轉變曲線，可以選擇最適當的工藝規范，從而得到恰好的組織，達到提高強度和塑性以及防止焊接裂紋的產生等目的，對合理制定焊接工藝參數有重要的指導意義。

（6）焊接熱影響區（HAZ）最高硬度法

焊接熱影響區的最高硬度可以相對地評價被焊鋼材的淬硬傾向和冷裂紋的敏感性，由于硬度測定的方法簡單易行，已被國際焊接學會（IIW）采用，我國也曾制定過適用于焊條電弧焊的國家標準，至今尚有人使用，摘要如下。

①試件制備。

試件的形狀和尺寸分別見圖3.3和表3.2。試件標準厚度為20mm，若實際板厚超過20mm，則用機械加工成20mm厚，并保留一個軋制表面。若板厚小于24mm，則不須加工。可用氣割下料，1號、2號試件各備一塊。

②試驗條件。

焊前清除試件表面的水、油、鐵銹及過厚的氧化皮；焊接時試件兩端要支承架空，試件下面留有足夠空間；1號試件在室溫，2號試件在預熱溫度下進行焊接；采用平焊位置，沿試件軋制表面的中心線焊出長為（125±10）mm的焊縫，如圖3.3所示。用直徑為4mm焊條，焊接電流為（170±10）A，焊接速度為（150±10）mm/min施焊。焊后在靜止空氣中自然冷卻，不進行任何熱處理。

③硬度的測定。

焊后經12h冷卻后，在室溫下用機械加工方法垂直切割焊縫中部，在此斷面上取硬度測量試樣。試樣的檢測面經研磨后再腐蝕。然后如圖3.4所示，劃一條既切于熔合線底部切點O，又平行于試樣軋制表面的直線。在室溫下沿直線上每隔0.5mm測一點，用載荷為10kg的維氏硬度計測定。以切點O及其兩側各7個以上的點作為硬度的測定點。硬度試驗應按GB/T 4340.1《金屬維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》規定執行。

一般焊接用的鋼材都應提供其最高硬度值，表3.3為常用低合金高強鋼允許的最高硬度值。

以上介紹幾種比較簡單方便且被廣泛采用的間接評估焊接性的方法。這些方法最大缺點是不能對被焊金屬做出精確的焊接性評價，因為化學成分或者硬度僅僅是影響焊接性的一方面因素。

2.工藝焊接性的直接試驗法

金屬工藝焊接性的直接試驗方法有上百種，較為常用的也有數十多種，有些已標準化。目前眾多工藝焊接性直接試驗方法中，絕大多數是針對某種鋼材在焊接過程中出現某類裂紋問題而設計的。因為，裂紋是最常見且危害性最大的焊接工藝缺陷。通過這些試驗，可以定性或定量地評定被焊金屬產生某種裂紋的傾向性的嚴重程度，也可以揭示產生這種裂紋的原因和影響因素。進而可尋找或確定出防止這種裂紋的最佳焊接工藝措施，包括選擇焊接方法、焊接材料、焊接參數和預熱溫度等。

焊接冷裂紋是在焊后冷至較低溫度下產生的具有延遲性的一種常見裂紋，主要發生在低合金鋼、中合金鋼、中碳和高碳鋼的焊縫及熱影響區中。表3.4列出低合金高強度鋼常用的焊接冷裂紋試驗方法及其主要特點。這里介紹其中應用最多的幾種試驗方法。

①斜y形坡口焊接裂紋試驗方法。

此試驗方法在1984～2005年期間，曾作為國家標準來執行，對焊接科研和生產起到過重要作用。它主要用于評定碳素鋼和低合金高強鋼焊接熱影響區的冷裂紋敏感性。

a.試件制備。

試件形狀及尺寸如圖3.5所示，由被焊鋼材制成。板厚δ不作規定，常用9～38mm，坡口用機械切削加工。每一種試驗條件要制備兩塊以上試件。兩端各在50mm范圍內施焊拘束焊縫，采用雙面焊透。要保證待焊試驗焊縫處有2mm裝配間隙和不產生角變形。

b.試驗條件。

試驗焊縫用的焊條原則上與試驗鋼材相匹配，焊前嚴格烘干，根據需要可在各種預熱溫度下焊接。推薦采用下列焊接參數：焊條直徑4mm，焊接電流（170±10）A，電弧電壓（24±2）V，焊接速度（150±10）mm/min。用焊條電弧焊時，按圖3.6所示施焊試驗焊縫。用焊條自動送進裝置施焊時按圖3.7所示進行。只焊一道焊縫不填滿坡口，焊后48h后才進行裂紋檢測和解剖。

c.檢測與計算。

用肉眼或手持放大鏡來檢測焊接接頭的表面和斷面是否有裂紋，并按下列方法分別計算表面、根部和斷面的裂紋率。

?表面裂紋率Cf。如圖3.8（a）所示，按下式計算。

式中　lf——表面裂紋長度之和，mm；

L——試驗焊縫長度，mm。

?根部裂紋率Cr。用適當方法著色試件，然后把它位斷或變斷，按圖3.8（b）測根部裂紋長度，按下式計算Cr。

式中　lr——根部裂紋長度之和，mm。

?斷面裂紋率Cs。在試驗焊縫上用機械加工等分地切出4～6塊試樣，檢查5個橫斷面上的裂紋深度Hs，見圖3.8（c），按下式計算。

式中　Hs——5個斷面裂紋深度的總和，mm；

H——5個斷面焊縫的最小厚度的總和，mm。

可以利用裂紋率進行焊接性能評定，對于低合金鋼，一般認為表面裂紋率小于20％，用于生產是安全的，但不應有根部裂紋。

如果試驗用的焊接參數不變，用不同預熱溫度進行試驗，就可以測定出防止冷裂紋的臨界預熱溫度，作為評定鋼材冷裂紋敏感性指標。

此試驗方法用料省，試件易加工，不需特殊裝置，試驗結果可靠。所以低合金鋼多采用此方法評定其抗冷裂性能。其缺點是試驗周期較長。

除斜y形坡口試件外，可以仿照此標準做成直Y形坡口的試件，用以考核焊條或異種鋼焊接的裂紋敏感性，其試驗程序以及裂紋率的檢測與計算和斜y形坡口試件相同。

②插銷試驗法。

此法主要是測定鋼材焊接熱影響區對冷裂紋敏感性的一種定量試驗方法。因試驗消耗鋼材少，試驗結果穩定可靠，在國內外都廣泛應用。我國曾制定過國家標準，即GB/T 9446《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》。經適當改變，此法還可以用于測定再熱裂紋和層狀撕裂的敏感性。

a.基本原理。

插銷試驗是把被焊鋼材做成直徑為8mm（或6mm）的圓柱形試棒（即插銷），插入與試棒直徑相同的底板孔中，其上端與底板的上表面平齊。試棒的上端有環形或螺形缺口，然后在底板上按規定的焊接熱輸入熔敷一道焊縫，盡量使焊道中心線通過插銷的端面中心。該焊道的熔深，應保證缺口位于熱影響區的粗晶部位，如圖3.9所示。在無預熱條件下，焊后冷至100～150℃時加載；如有預熱，則應高出初始溫度50～70℃時加載。規定的載荷應在1min內，并在試棒冷卻到100℃或高出初始溫度50～70℃以前加載完畢。如有后熱，應在后熱以前加載。

在無預熱條件下試驗時，試棒載荷保持16h后不斷裂即可卸載。如有預熱或預熱加后熱，載荷至少要保持24h。

經幾次調整后，即可得出試驗條件下的“臨界應力σcr”。改變含氫量，焊接熱輸入和預熱溫度，σcr值也隨之變化。

b.試件制備。

插銷試棒應從被試鋼材或產品（軋材、鍛件、鑄件、焊縫、焊接構件）中制取，須注明插銷相對金屬纖維的取向和相對厚度方向的位置。插銷試棒的形狀如圖3.10所示，各部位尺寸見表3.5。

對于環形缺口的插銷試棒，缺口與端面的距離a應使焊道熔深與缺口根部所截的平面相切或相交，但缺口根部圓周被熔透的部分不得超過20％，如圖3.11所示。對于低合金鋼，a值在正常焊接參數下（E=15kJ/cm）為2mm。根據焊接熱輸入E的變化可按表3.6作適當調整。

底板材料應與被焊鋼材相同或熱物理常數基本一致。厚度為20mm，其形狀和尺寸如圖3.11所示。底板鉆孔數小于或等于4個。位于底板縱向中心線上，孔間距為33mm。插銷試棒在底板孔中的配合尺寸為。

c.試驗程序。

檢查插銷試棒尺寸，特別是缺口尖端的圓角尺寸是否合格，將擂銷試棒插入底板相應的孔內，使帶缺口一端與底板表面平齊。按所選定的焊接方法，嚴格控制的焊接參數在底板上進行堆焊，焊接方向垂直于底板的縱向，并通過插銷頂端的中心，焊道長度L為100～150mm。

應使用置于焊縫或焊接熱影響區的熱電偶測定熱循環，并記錄800～500℃的冷卻時間t8/5，Tmax～100℃的冷卻時間t100和500～100℃的冷卻時間t5/1。測點的最高溫度不得低于1100℃，通常測點位于插銷兩側約20mm處，焊道下底板的盲孔端部上。盲孔一般為ф3mm。其深度為底板厚-a，如圖3.12所示。

按前述的要求加載，插銷可能在載荷持續時間內發生斷裂，此時應記下承載時間。如未發生斷裂，載荷應保持16h或24h。將試棒取下，用金相或氧化等方法檢測缺口根部是否存在裂紋。

經多次改變載荷，就可求出在試驗條件下不出現斷裂的臨界應力σcr。臨界應力σcr可以用啟裂準則，也可以用斷裂準則，但應加以注明。根據σcr的大小，就可以相對比較材料抵抗產生冷裂紋的能力。

③拉伸拘束裂紋試驗法。

拉伸拘束裂紋試驗法又稱TRC試驗，它是一種大型定量評定冷裂紋敏感性的試驗方法。其原理是采用恒定載荷來模擬焊接接頭所承受的平均拘束應力。當試件焊接之后冷卻到某一溫度時，施加一拉伸載荷，并保持恒定，直至產生裂紋或斷裂，以求得不產生裂紋的臨界應力。

通過TRC試驗，可以定量地分析高強度鋼產生冷裂紋的各種因素，如化學成分、焊縫含氫量、拘束應力、預熱、后熱及工藝參數等，可以測出臨界應力和裂紋的潛伏期。

圖3.13為TRC試驗機示意圖，它包括拉力機、自動送進焊條機、應變儀、傳感器、自動記錄儀等，其噸位從2×105～3×107kN不等。試驗用的試件形狀和尺寸如圖3.14所示。在試件兩端各用6個高強度螺栓固定在試驗機上。根據要求可做成不同形式的坡口，裝配間隙為2mm。

試驗時，首先將所用焊條烘干并測其含氫量。試件裝到試驗機上要控制好裝配間隙，用選定的焊接參數（一般取電流為170A，電壓為24V，焊接速度150mm/min）施焊。焊后冷至100～150℃時，施加拉伸載荷，并在試驗過程保持恒定（一般為24h），直至發生裂紋或斷裂。當拉伸載荷等于或小于某一數值時，就不再發生裂紋或斷裂，此時的應力即為“臨界應力”。用此評估該鋼材的冷裂紋傾向大小。

④剛性拘束裂紋試驗。

剛性拘束裂紋試驗簡稱RRC試驗，它是一種大型定量評定鋼材冷裂紋傾向的試驗方法。它的基本原理是：在焊接接頭冷卻過程中，靠自身收縮產生的應力為基礎，模擬焊接接頭承受外部拘束條件。試驗過程中保持固定的拘束長度，就像兩端被固定的接頭一樣，見圖3.15。因此，在試件冷卻過程中所產生的拘束反作用力，比較真實地反映焊接接頭的受力狀態。它比前述TRC試驗的恒載拉伸更為完善，更接近實際情況。

（六）工程案例

案例（一）：兩種不同牌號800MPa級高強鋼焊接性試驗比較

近十幾年來，800MPa級高強鋼已經越來越多地應用于大型壓力管道、容器、儲罐的制造，在保證結構安全的前提下，不但取得了較好的經濟效益。也使一些原本要求極厚的鋼板減薄，使難于加工成形或無法加工成形的結構變得較易加工或能夠加工。國內由于受高強度鋼焊接難度大、工藝復雜、易出現焊接缺陷等因素的影響，起步較晚。在高強鋼特別是高強鋼的寬厚板的一些技術指標，不可否認地與國外先進國家生產的高強鋼還存在一定的差別。筆者在近十年的時間里，先后在多個不同的工程項目參加了日產SUM-ITEN780，國產WSD690E、SG780CFE、B800CF等幾種不同牌號的800MPa級鋼的焊接性試驗、焊接工藝評定及實際應用施工。幾種鋼板均是調質狀態供貨，有很多相同之處，也存在一些不同的特點，但每個項目的鋼板用量均較大，為800MPa級高強鋼的焊接試驗和施工積累了一定的經驗。現將具有一定代表性的日產SUMITEN780和國產WSD690E鋼的部分焊接試驗及工程項目焊接施工中的異同進行分析比較，供此類鋼板的生產者、使用者參考。

1.SUMITEN780、WSD690E兩種鋼板性能比較

（1）鋼板的化學成分與冷裂紋敏感指數比較

鋼材的裂紋傾向與鋼材的化學成分密切相關，焊接性一般以碳當量Ceq高低衡量，冷裂傾向通常則以冷裂敏感指數Pcm大小衡量。兩種鋼板均在國內使用，執行我國相關標準，采購合同對鋼板的化學成分要求也相同。鋼板到貨后分規格、批號、爐號進行了較大密度的抽樣檢驗，抽樣檢測中發現兩種鋼板合金元素的含量差別較大。兩種鋼板的合金元素含量如表3.7所示，合金元素的比較見圖3.16。用下列式（3.10）和式（3.11）分別計算的碳當量Ceq、冷裂敏感指數Pcm如表3.8所示。

①取多個樣品中的最大值。

注：表中數值為萬分含量。

碳當量：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15　　（3.10）

冷裂敏感指數：Pcm=C+Si/30+（Mn+Cr+Cu）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B（3.11）

從表3.7、表3.8和圖3.16可以看出：①兩種鋼板現場抽樣檢測的化學成分以及Ceq、Pcm均符合合同要求，作為雜質存留的P、S含量遠低于合同規定的要求，鋼板質量優良。但SUMITEN780鋼的Ceq值略高，主要是Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Nb含量高于WSD690E鋼較多；②兩種鋼的C含量基本相等，SUMITEN780鋼的Si、Mn、S、B的含量比WSD690E鋼的含量低，其中S、B的含量不到WSD690E鋼的一半。

（2）鋼板的力學性能比較

兩種鋼板的現場抽樣力學性能檢查結果如表3.9、圖3.17所示。從圖表中可以看出，兩種鋼板的力學性能滿足合同要求，SUMITEN780鋼的δ5伸長率、-40℃橫向沖擊功略優于WSD690E鋼。但WSD690E鋼的抗拉強度、屈服強度略高，且具有相對明顯一些的屈服點，屈強比σs/σb指標比SUMITEN780鋼好。

注：SUMITEN780鋼冷彎d=2a，WSD690E鋼冷彎d=3a。

2.斜y形坡口焊接裂紋試驗比較

（1）執行標準與試驗條件

所有試驗遵循（GB 4675.1）《焊接性試驗　斜y形坡口焊接裂紋試驗方法》標準，主要施焊條件基本相同。

試件尺寸200mm×160mm。焊接方法為焊條電弧焊。焊接電流170A，電壓22～24V，速度150～155mm/min。焊后48h進行各裂紋率的檢測。

（2）SUMITEN780鋼的斜y形試驗

試件δ=60mm，焊條牌號L-80SN。試驗檢測結果如表3.10所示。

（3）WSD690E鋼的斜y形試驗

試件δ=66mm，焊條牌號CHE807RH。試驗檢測結果如表3.11所示。

注：試樣HS1～HS3根部裂紋率：刨銑后的PT檢查中，發現線性缺陷存在，有長度但無深度，無法確定是焊縫與母材的尖角或是裂紋，按裂紋計。

3.工程應用與比較

（1）應用工程概況

日產SUMITEN780、國產WSD690E鋼分別應用于山西西龍池和內蒙古呼和浩特抽蓄能電站的輸水壓力鋼管項目。共同特點是電站水頭高，鋼管內水壓力大，安裝于洞內斜井，埋設于混凝土之中。工程均地處干燥寒冷的北方，施工跨越四季。焊接由同一個單位、同一批人員進行。800MPa級鋼鋼管的基本情況如表3.12所示。

（2）焊接規范基本參數

兩種鋼板分別用在兩個不同的工程，但焊接方法與設備相同。制造焊接以埋弧自動焊為主、焊條電弧焊為輔，安裝焊接全部采用焊條電弧焊。接頭的坡口形式為非對稱雙V形坡口，背縫碳弧氣刨清根。焊接工藝參數差異如表3.13所示。

注：“300％MT”指正縫表面、背縫清根、背縫表面各100％。

（3）操作工藝

工程應用焊接中，SUMITEN780鋼及其配用的焊接材料的操作性比WSD690E鋼及其配用的焊接材料在焊接的工藝性方面略優，主要表現在以下幾個方面。

①SUMITEN780鋼允許的線能量輸入范圍較大，便于焊接層道的布置、調整。

②允許的層間溫度差較大，便于焊接過程中溫度的控制。

③WSD690E鋼焊接時熔池較淺，易出現夾渣缺陷。

④在WSD690E鋼埋弧自動焊背縫第一層焊接時，因焊道深且窄，偶爾出現淺表性的結晶裂紋，未發現其他焊接裂紋，SUMITEN780鋼焊接中未出現此現象。

⑤兩種鋼板在焊接中均出現過意外停電，無法進行層間保溫和及時后熱而產生冷裂紋，正常情況下均未發現焊接冷裂紋。總體而言，兩種鋼板的焊接性均較好，所應用的工程焊接質量優良，探傷一次合格率如表3.14所示。經生產性焊接試驗驗證，兩種鋼板的所有焊接接頭的力學性能指標均符合設計要求。

4.結語

①兩種鋼板到貨后的抽樣檢測結果符合我國GB/T 1591《低合金高強度結構鋼》標準和供貨合同的要求。實測SUMITEN780鋼的伸長率、-40℃沖擊功高于WSD690E鋼。

②兩種鋼板含C量均很低且基本相等，SUMITEN780鋼的Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Nb含量高，而Si、Mn、S、B的含量低，其中S、B的含量不到WSD690E鋼的一半，Mn/S很大，對焊接裂紋的預防有利。

③鋼板的焊接性。兩種均具有較好的焊接性。只要工藝規范嚴格，便可得到高強度和高塑、韌性的焊接接頭。

④WSD690E鋼焊接熱影響區軟化現象比SUMITEN780鋼明顯。但鋼板厚度δ與軟化區的寬度HAZ之比數值很大，接頭的失強率很小。實測接頭的抗拉強度σb、屈服強度σs、-40℃橫向沖擊功均大于設計指標，且AkV具有足夠的韌性儲備。

⑤WSD690E鋼焊接，為預防結晶裂縫的產生，需采取減小焊接的電流電壓比，加大熔池的寬深比。這樣，增加了焊接操作的難度，降低了焊接效率。

⑥國產800MPa級高強鋼寬厚鋼板價格為0.85萬～1.05萬元/t，而SUMITEN780鋼在中國4個水電工程的平均報價已超過2500美元/t。由此看出，國產800MPa級高強鋼板的性價比遠高于SUMITEN780鋼板。對于沒有特殊要求的水電站引水壓力鋼管工程而言，是否有必要采購國外鋼板，應該引起思考。

案例（二）：Q460E-Z35焊接性試驗研究方案

目前，我國的鋼結構行業進入了成熟期。進入成熟期的主要標志就是：一大批設計新穎、用料考究的鋼結構工程應運而生。使我國鋼結構產業出現了欣欣向榮、蓬勃發展的大好局面。典型工程：奧運、世博鋼結構焊接工程及其配套鋼結構工程的順利建成、安全運營。以國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接工程順利竣工并成功運營為例，“鳥巢”這一項世紀工程的順利建成，極大地推動了我國的施工技術和鋼鐵產業的飛速發展。建成后三年，2010年國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接技術獲國際焊接協會（IIW）“格瑞勒”大獎（UGOGuerrera Prize），標志我國的建筑鋼結構焊接工程焊接施工技術進入世界先進行業。

現在回頭看國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接工程，由于技術難度和規?？涨?，推行技術進步卓有成效，現在仍然在行業中起表率作用，很多技術在其他鋼結構焊接工程中得到推廣應用，Q460E-Z35焊接性試驗研究技術也不例外，仍然具有參與應用價值。

1.Q460E-Z35焊接性試驗、研究技術路線

①調查研究、搜集整理國內外對Q460E-Z35厚板的研究成果資料及工程實際應用情況，跟蹤本課題技術領域國內外發展的動向，確保本項目研究的先進性和實用性。

②利用國內舞陽鋼鐵有限公司現有設備，通過成分設計及工藝控制措施，試生產出能夠滿足國家體育場鋼結構工程用鋼需求的Q460E-Z35級鋼材。

③通過熱切割、熱矯正、焊接性試驗和剛性接頭試驗等系列試驗，對試生產的Q460E-Z35級鋼材的焊接性進行系統研究，總結出一套適合Q460E-Z35厚板的熱切割、熱矯正及焊接技術，為國家體育場鋼結構工程Q460E-Z35厚板的熱切割、熱矯正及焊接提供指導性意見。

④結合焊接性的研究成果，通過一系列焊接工藝評定試驗，總結出一套適用于國家體育場鋼結構工程Q460E-Z35厚板的焊接工藝參數，以指導國家體育場鋼結構工程Q460E-Z35厚板焊接施工。

2.主要研究內容與工藝評定試驗

（1）主要研究內容

①Q460E-Z35熱切割試驗。

②Q460E-Z35熱矯正試驗。

③Q460E-Z35焊接冷裂紋敏感性試驗研究。

④Q460E-Z35剛性接頭試驗研究。

（2）Q460E-Z35厚板焊接工藝評定試驗

依據Q460E-Z35厚板熱加工及焊接性試驗研究的成果，結合國家體育場鋼結構工程實際情況，通過系列的焊接工藝評定試驗總結出滿足Q460E-Z35厚板焊接的成套工藝參數。主要工作內容包括：

①Q460E-Z35+Q460E焊接工藝評定試驗；

②Q460E-Z35+Q345GJD焊接工藝評定試驗；

④Q460E-Z35+GS-20Mn5V（鑄鋼）焊接工藝評定試驗。

具體技術路線見圖3.18。

3.鋼材焊接性試驗和防止焊接冷裂紋焊接參數的確定

國外與Q460E-Z35同級別厚鋼板一般采用控軋控冷工藝生產（TMCP），其碳當量可控制在0.4％以下，焊接性良好。但其強屈比和伸長率不能滿足我國抗震設計規范和國家體育場鋼結構工程關于Q460E-Z35厚板的力學性能要求。如德國迪林格鋼鐵公司生產符合EN10113標準的DILLIMAX460，其最大厚度80mm，其強屈比僅能保證≥1.1，伸長率僅保證≥17％；日本新日鐵生產的BT-HT440，其屈強比及伸長率雖能滿足要求，但其抗撕裂性能僅能保證Z25的要求。

由于當時國內鋼廠尚不具備控軋控冷工藝生產100/110mm厚低碳當量高強度鋼的能力，而Q460E-Z35正火鋼的碳當量最高高達0.48％，在建筑鋼結構工程中從未應用過，其焊接性特別是焊接冷裂紋敏感性評價將直接決定這種國產鋼材能否批量生產并應用于國家體育場工程。而且，國家體育場工程工期緊迫，批量生產的鋼材在施工應用中不允許出現焊接技術和質量上的反復，因此要求試驗結果與評價絕對準確可靠。

國內外對低合金鋼的焊接性評定和焊接參數的確定（t8/5、熱輸入、預熱溫度等）方法多種多樣，理論計算公式不盡相同，而且計算結果與施工實際經驗有較大差距，各種焊接性試驗方法的評定結果也有較大差異。如何在短時間內得出準確可靠的評定結論，為設計選用和鋼材訂貨提供決策依據，在實驗研究方法選擇的也是難題。

本次試驗測試了Q460E-Z35厚板模擬焊接條件下連續冷卻組織轉變曲線圖，根據其最佳t8/5，可計算最低預熱溫度，或以一定預熱溫度推算線能量，僅作為參考。主要采用熱影響區最高硬度試驗、焊接冷裂紋插銷試驗和斜y形坡口焊接裂紋試驗三種國家標準試驗方法對Q460E-Z35鋼的焊接冷裂紋敏感性進行試驗研究和評定，總共進行了34組試驗。理論公式計算方法僅供比較不作為主要依據。Q460E-Z35鋼焊縫要求-40℃沖擊功AkV不小于34J（設計要求熱影響區不小于27J），由于該鋼種在建筑鋼結構中尚未使用過，而且焊接方法種類多（手工焊、氣保焊、埋弧焊），焊接操作位置包括平、橫、立、仰，在滿足低溫沖擊韌性要求的焊接材料選配以及焊接工藝參數的選用上均有相當難度且工作量大。

試驗組調查了國內一流焊材生產廠，以強韌性、低氫兼顧匹配原則，先后選擇了2種焊條，5種氣保焊實心焊絲，4種藥芯焊絲，2種自保護焊絲，4種埋弧焊絲與4種堿度（1.7、2.0、2.2、3.1）的焊劑進行熔敷金屬性能初選，最后共選了1種焊條，2種氣保焊實心焊絲，2種藥芯焊絲（含Ni），2種埋弧焊絲（含Ni、Ti、B），2種焊劑（堿度1.7、3.1）進行了對接接頭焊接工藝試驗。

在操作手法上，借鑒壓力管線施工經驗并進行改進：立焊時嚴格控制焊槍擺動幅度，CO2焊控制在20mm范圍內，手工電弧焊控制在3d（d為焊條直徑）范圍內，焊槍的傾角的限制為±30；H、F、O焊位禁止擺動焊接，單道焊縫厚度要求控制在5～6mm以內，以保證焊縫和熱影響區的冷彎和沖擊性能。

4.Q460E-Z35焊接性試驗研究結果摘選

（1）鋼材的復驗

試驗用鋼板為舞陽鋼廠生產，其化學成分和各項力學性能如表3.15～表3.17所示。

注：復驗數據由國家建筑鋼材質量監督檢驗中心提供。

注：Z向斷面收縮率復驗試件采用ф10mm的圓形試棒。

①取樣方向為縱向。

（2）焊接材料選擇原則

焊縫強度匹配系數是表明焊接接頭力學非均質性的參數之一。當焊縫強度與母材強度之比大于1，稱為超強匹配；等于1，稱為等強匹配；小于1（最低0.86）稱為低強匹配。對建筑鋼結構工程，多采用等強或超強匹配。但是，近年來美日等國家從防止焊接冷裂紋角度考慮，對低強匹配焊接接頭的組織性能進行大量研究。采用低強匹配焊材使焊接裂紋顯著減小的經驗在美日等國家得到大量采用，但主要是對于承受壓應力的焊縫。而對于承受拉應力的焊縫，這方面的研究結果目前還分歧很大。

根據以往工程實踐，本次試驗在焊材選擇時考慮采用強韌性、低氫兼顧匹配原則。手工焊條采用超強匹配，藥心焊絲和實心焊絲CO2氣體保護焊采用等強匹配。

根據設計對焊接接頭的要求，考慮抗拉強度、塑性、韌性各項綜合性能，提出了匹配焊接材料的性能要求，并以下述型號（牌號）的焊絲和焊條的實際試驗結果作為選用依據。試驗采用的焊接材料各項力學性能及熔敷金屬擴散氫分別列于表3.18～表3.20。

注：1.以上數據摘自材質單。

2.“-G”提出的附加要求為-40℃沖擊功≥34J，且氣體保護焊保護氣體為CO2。

3.帶“*”者為試件經過620℃×1h熱處理。

注：1.在進行焊接材料復驗時，由于第一批復驗結果中，實芯焊絲的沖擊性能雖然滿足設計要求，但數據偏低，因此又進行了再次試驗，試驗結果低于要求數值，為此又增選了兩種實心焊絲進行第二批試驗。

2.TM60焊材因產品質量不穩定，未采用。

（3）焊接冷裂紋敏感性試驗

①碳當量。

采用國際焊接學會（IIW）推薦的鋼碳當量公式計算：

Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15（％）

碳當量越高，則淬硬和冷裂傾向越大，焊接性就越差。一般認為，Ceq<0.4％者為焊接性良好；Ceq=0.4％～0.5％者，焊接性稍差，焊接時要采取適當的預熱措施；Ceq>0.5％者為焊接性不好，必須采取有效的工藝措施才能防止冷裂發生。按照試驗鋼板的成分（實際復驗值），用以上公式計算，其Ceq為0.47％>0.4％。因此，Q460E-Z35有產生焊接冷裂紋的傾向，在焊接時應采取適當的預熱措施。

②焊接連續冷卻組織轉變圖（CCT圖）。

連續冷卻組織轉變圖（CCT圖），可以比較方便地預測焊接熱影響區的組織性能和硬度，從而可以預測鋼材在一定焊接條件下的淬硬傾向和產生冷裂紋的可能性，同時也可以作為調節焊接線能量、改進焊接工藝的依據。

根據焊接熱模擬試驗結果，Q460E-Z35鋼的連續冷卻組織轉變（CCT）圖如圖3.19所示，其數據如表3.21所示。

③熱影響區最高硬度試驗。

焊接熱影響區（HAZ）最高硬度試驗方法主要以測定焊接熱影響區的淬硬傾向來評定鋼材的冷裂敏感性。試驗按照（GB/T 4675.5）《焊接性試驗　焊接熱影響區最高硬度試驗方法》的規定進行，將厚度為110mm的鋼板經機械加工成20mm厚的試件，并保留一個原軋制面進行試驗。根據實際施工的要求，試驗分別采用手工焊條電弧焊和CO2氣體保護焊兩種焊接方法，具體焊接條件如下。

a.手工焊條電弧焊。

焊條：CHE557，焊條直徑分別為ф4.0mm、ф3.2mm兩種。

焊機型號：奧太逆變ZX7-400STG。

焊接工藝參數：見表3.22。

b.CO2氣體保護焊。

焊絲：采用兩種焊絲，TM60和TWE-81K2，焊絲直徑ф1.2mm。

焊機型號：奧太逆變NBC-350。

CO2氣體種類：普萊克斯產優等品（CO2≥99.9％、H2O≤50×10-6）。

CO2氣體流量：25L/min。

焊接工藝參數：見表3.22。

c.預熱條件。

預熱方式采用熱處理爐整體加熱，為保證試件溫度的均勻性，當爐溫達到要求溫度后至少保溫0.5h。后熱采用熱處理爐加熱，達到規定的后熱時間采用巖棉包裹試件，經15.5h后拆開包裹，實測試件溫度為125℃。

共進行了21組試驗，不同焊接方法、材料種類規格所對應的預熱溫度及試件編號說明見表3.23。

硬度測試采用維氏硬度計，施加荷載為10kg，測點位置如圖3.20所示，圖中點是測定線與熔合線的切點，“O”點右側為正，左側為負。兩測點之間的距離為0.5mm，試驗結果列于表3.24，最高硬度試驗曲線見圖3.21。

常規焊接熱輸入常溫下施焊的試件（1、6、11、16號試件）近熱影響區最高硬度超過規程上限值（350），模擬定位焊熱輸入的試件（21號試件）熱影響區的最高硬度達到了433HV10。當預熱溫度至少150℃后（2、7、12、17號試件），熱影響區最高硬度下降至350HV10以下（最高值為333HV10）。

（4）斜y坡口焊接裂紋試驗

斜y坡口焊接裂紋試驗（小鐵研）主要是評定焊接熱影響區及焊縫金屬產生冷裂紋的傾向性。試驗按照GB 4975.1—84《焊接性試驗　斜y坡口焊接裂紋試驗方法》的規定進行。

①常溫斜y坡口焊接裂紋試驗。

試件板厚為110mm。試驗條件如下：

a.SMAW。

焊條：CHE557，焊條直徑ф4.0mm。

焊機型號：奧太逆變ZX7-400STG。

b.GMAW、FCAW-G。

焊絲：TM60、TWE-81K2，焊絲直徑ф1.2mm。

焊機型號：奧太逆變NBC-350。

CO2氣體種類：普萊克斯（CO2≥99.9％、H2O≤50×10-6）。

CO2氣體流量：25L/min。

裝配要求：試件坡口間隙為（2±0.2）mm，具體見圖3.22。

預熱條件：根據鋼材最高硬度試驗結果，第一批試驗的預熱溫度確定為150℃、200℃、250℃三組，同時，在CO2氣體保護焊250℃預熱條件下加250℃×2.5h后熱試件一組。預熱方式采用熱處理爐整體加熱，為保證試件溫度的均勻性，當爐溫達到要求溫度后至少保溫2h。

檢查要求：試驗焊縫結束，經48h后，進行表面裂紋檢查，每塊均經發藍處理后進行解剖觀察斷面裂紋狀況。

焊接參數及試驗結果見表3.25～表3.27。

注：后熱采用熱處理爐加熱，達到規定的后熱時間后采用巖棉包裹試件，經15.5h后拆開試件，實測溫度為130～135℃。

注：1.后熱采用熱處理爐加熱，達到規定的后熱時間后采用巖棉包裹試件，經15.5h后拆開包裹，試件溫度為135℃。

2.根據GB 4975.1—84《焊接性試驗　斜y坡口焊接裂紋試驗方法》的規定，裂紋率的計算不應包括焊縫引弧和收弧處的裂紋。

注：1.后熱采用熱處理爐加熱，達到規定的后熱時間后采用巖棉包裹試件，經16h后拆去包裹，實測試件溫度為125～130℃。

2.根據GB 4975.1—84《焊接性試驗　斜y坡口焊接裂紋試驗方法》的規定，裂紋率的計算不應包括焊縫引弧和收弧處的裂紋。

從試驗結果看出，各種試驗方法絕大部分試驗焊縫中心及熱影響區未出現裂紋，其他短裂紋均出現在收弧弧坑處或焊縫中段?；】犹幜鸭y主要是由于CO2氣保焊保護罩直徑較大，只能在坡口底部起弧、熄弧，無法將收弧焊縫按標準試驗方法的要求引到坡口面上導致的。

考慮到實際施工焊接的預熱條件，為了使試驗條件更接近于實際施工并確保試驗結果的可靠性，在第一批試驗的基礎上，增加了一組試驗，該組試驗預熱條件改為火焰加熱，其他焊接條件均與第一組相同，具體規定為：預熱方式采用火焰加熱，以正面加熱為主、側面加熱為輔。預熱溫度手工焊條電弧焊為100℃、150℃，CO2氣體保護焊的預熱溫度為150℃，當焊接正面坡口達到預熱溫度時，測量板厚方向中部及背面溫度并記錄溫度差異，以便于分析試驗結果并對實際施工的預熱規定提供依據。

焊接參數及試驗結果見表3.28～表3.30。

從以上斜y坡口抗裂試驗結果看出，該鋼材在所選用的焊材匹配時，不產生裂紋的最低預熱溫度為150℃，并且必須在厚度方向均衡達到預熱溫度。

②不同板厚的斜y坡口焊接裂紋試驗。

為了探討鋼板厚度對斜y坡口焊接裂紋試驗結果的影響，本課題分別采用不同厚度的鋼板進行了對比試驗，試驗條件同上節焊條電弧焊試驗，試驗結果如表3.31所示。

從以上斜y坡口裂紋試驗結果可以看出，不同板厚不產生裂紋的最低預熱溫度均為150℃。

③低溫環境斜y坡口焊接裂紋試驗。

在第一批試驗的基礎上，增加了一組試驗，該組試驗預熱條件改為火焰加熱，其他焊接條件均與第一組相同，具體規定為：預熱方式采用火焰加熱，以正面加熱為主、側面加熱為輔。預熱溫度手工焊條電弧焊為100℃、150℃，CO2氣體保護焊的預熱溫度為150℃，當焊接正面坡口達到預熱溫度時，測量板厚方向中部及背面溫度并記錄溫度差異，以便于分析試驗結果并對實際施工的預熱規定提供依據。

考慮到工程冬季施工的需要，本課題在常溫試驗結果的基礎上增加了2組低溫試驗。

為簡化試驗，我們可以使用30mm厚的鋼板來代表厚板（>30mm）進行試驗，以確定最低預熱溫度。

試件板厚為30mm，環境溫度為-16℃，試驗條件同常溫手工電弧焊試驗，試驗結果如表3.32所示。

注：用110mm厚板去除上下面得試驗板厚，焊后直接空冷。

由以上試驗結果可以看出，低溫環境（-16℃）焊接時，不產生裂紋的最低預熱溫度仍為150℃，與常溫條件下的相同。

（5）焊接冷裂紋插銷試驗

①試驗條件。

試驗材料：Q460E-Z35（國產）。

焊接材料：CHE557（ф4mm）。

試驗標準：插銷冷裂紋試驗GB 9446《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》。

試驗溫度：預熱150℃、200℃、250℃。

試驗準則：斷裂準則。

②試樣的制取。

插銷的外形如圖3.23所示。

底板選用Q235A普通碳素結構鋼，底板的尺寸為300mm×200mm，厚度為20mm。底板鉆空數小于或等于4，位置處于底板縱向中心線上，孔的間距為33mm。插銷試樣和底板的制備嚴格按照GB 9446的要求進行。

③焊接。

焊接方法為手工電弧焊，焊接規范如表3.33所示。

注：焊條烘干條件為350℃×1.5h。

焊接時，在底板上熔敷一焊道，使焊道中心線通過插銷端面中心?？刂坪附舆^程符合焊接規范的要求，確保焊道的熔深適宜以保證缺口位于該焊道熱影響區的粗晶區中。

④試驗結果。

a.預熱150℃的試驗結果。

在預熱150℃的試驗條件下，采用手工電弧焊進行插銷冷裂紋試驗的試驗結果。該種鋼材臨界斷裂應力620MPa。從該材料的力學性能試驗結果可知，屈服應力為400MPa，抗拉強度為560MPa。因此該材料在此焊接工藝條件下對冷裂紋不敏感，具有良好的抗裂性。

b.預熱200℃的試驗結果。

在預熱200℃的試驗條件下，采用手工電弧焊進行插銷冷裂紋試驗，結果表明該種鋼材臨界斷裂應力850MPa。該材料在此焊接工藝條件下對冷裂紋不敏感，具有良好的抗裂性。

c.預熱250℃的試驗結果。

在預熱250℃的試驗條件下，采用手工電弧焊進行插銷冷裂紋試驗結果。結果表明該種鋼材臨界斷裂應力1050MPa，該材料在此焊接工藝條件下對冷裂紋不敏感，具有良好的抗裂性。

d.預熱溫度對臨界斷裂應力的影響。

隨預熱溫度的增加，斷裂應力呈線性增加。預熱溫度越高，臨界斷裂應力越大。試驗結果表明，預熱150℃以上的斷裂應力均大于屈服載荷，因此本材料具有良好的抗裂性。

e.結論。

·國產Q460E-Z35鋼在預熱150℃情況下采用手工電弧焊，其插銷冷裂紋試驗的臨界斷裂應力為620MPa，該材料對冷裂紋不敏感。從該材料的力學性能試驗結果可知，屈服應力為400MPa，抗拉強度為560MPa。因此該材料在此焊接工藝條件下對冷裂紋不敏感，具有良好的抗裂性。

國產Q460E-Z35鋼在預熱200℃情況下采用手工電弧焊時插銷冷裂紋試驗的臨界斷裂應力850MPa，該材料對冷裂紋不敏感。從該材料的力學性能試驗結果可知，屈服應力為400MPa，抗拉強度為560MPa。因此該材料在此焊接工藝條件下對冷裂紋不敏感，具有良好的抗裂性。

國產Q460E-Z35鋼在預熱250℃情況下，采用手工電弧焊進行插銷冷裂紋試驗，結果表明該種鋼材臨界斷裂應力1050MPa。從該材料的力學性能試驗結果可知，屈服應力為400MPa，抗拉強度為560MPa。因此該材料在此焊接工藝條件下對冷裂紋不敏感，具有良好的抗裂性。

國產Q460E鋼的插銷斷裂應力隨預熱溫度的增加呈線性增加。預熱溫度越高，臨界斷裂應力越大。最低預熱溫度有兩種計算方法，下面分別進行介紹。

最低預熱溫度理論計算法一：

用以下公式計算t8/5

式（3.12）中，各參數取值見表3.34。

手工電弧焊t8/5=7.5s，從焊接連續冷卻圖查得439HV。

GMAWt8/5=10.8s，從焊接連續冷卻圖查得410HV。

說明用正常焊接線能量，150℃預熱溫度，計算的焊縫硬度值太高，應采用更高的預熱溫度（計算約為350℃），顯示此計算方法所得結果與熱影響區最高硬度試驗和斜y坡口焊接裂紋試驗的結果相差太大，與插銷試驗更無可比性。

最低預熱溫度理論計算法二：

用以下公式計算最低預熱溫度T0。

T0=1330Pw-380　　（3.13）

其中，Pw=Pcm+［H］/60+t/600

t=110mm，根據檢測結果?。跦］=1.5mL/100g（已換算為甘油法）。

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B（3.14）

計算結果：

試生產爐號：CE=0.45％，T0=240℃；

05101306N爐號：CE=0.48％，T0=273℃。

此計算結果也比熱影響區最高硬度試驗和斜y坡口焊接裂紋試驗的最低預熱溫度150℃的結果保守得多。

根據上述焊接冷裂紋敏感性試驗及理論計算結果，得到如下結論。

國家體育場鋼結構工程用Q460E-Z35厚板由于碳當量較高，厚度大，而且鋼結構工程節點復雜、剛性大，對小線能量焊接和快速冷卻比較敏感，因此應以最高硬度試驗和斜y坡口焊接裂紋試驗的結果為依據，以150℃為最低預熱溫度并均衡預熱，且選擇抗裂性好的焊接材料進行焊接。

最高硬度試驗和斜y坡口焊接裂紋試驗的評價是一致的，且與AWSD1.1附錄XI中用氫含量控制法（表XI-1，2）所查得的最低預熱溫度一致。而焊接冷裂紋插銷試驗的評價冷裂敏感性較低，與實際鋼種的碳當量存在較大的差距，本工程不以此作為施工指導參數。不同試驗方法的差別未列入本課題的研究內容。

鑒于理論計算最低預熱溫度偏高，本工程Q460E-Z35鋼板焊接最低預熱溫度不采用理論方法計算結果。

5.結語

在焊接系統工程主要工作中，首要的是新鋼種的焊接性試驗，這是一項具有一定風險、較高技術難度的研究性試驗工作。這項工作的難處不僅是職責的劃分，擔任焊接性試驗單位責任的確定，還涉及焊接性試驗的具體方法和有機組合。對國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接工程而言，急需研究出一整套工期短、成本低，能準確揭示Q460-Z35鋼焊接性的試驗方法和試驗技術。同時還要針對個別試驗方法和技術進行改良，比如斜Y試驗。由此，更加大了Q460E-Z35鋼材可焊性的試驗風險和難度。

國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接工程獲得極大成功的事實證明：Q460E-Z35鋼材焊接性試驗方法和技術組合是正確的，焊接性試驗結果是準確可靠的。這一個研究試驗工作的成功，不僅解決了國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接工程的難題，而且為焊接應用技術理論的發展作出了較大的貢獻，同時本章所推薦的這份資料也將為后續工程提供難得的參考資料，成為我國焊接界的共同財富。