高強鋼在電力輸變電工程中的應用及其關鍵焊接技術

趙連桂

1. 高強鋼的應用

隨著電網建設的飛速發展，對輸變電構架結構的安全性、可靠性和經濟性要求越來越高。通過提高鋼材強度，不但可以減少鋼材用量、降低成本、節約資源，而且還可以提高結構承載能力、降低結構風載阻力，優化結構特點。因此，近些年低合金高強度結構鋼（簡稱高強鋼）在電力輸變電鐵塔工程中得到了大量應用。目前，電力輸變電鐵塔工程應用較廣泛的高強鋼有Q345、Q420和Q460三種。隨著冶金技術的發展、加工技術的進步，高強鋼的應用也在不斷提高，輸變電線路工程建設也在研究和嘗試更高強度高強鋼的應用，如Q500、Q550和Q690。

2. 高強鋼的特點

低合金高強度結構鋼與一般的碳素結構鋼相比，具有更高的強度、硬度和承載能力，可大幅降低結構自身尺寸而有效保證其強度滿足結構的要求，高強鋼結構還具有結構自重輕、風阻系數小、結構簡潔、傳力清晰及制造成本低等優點。

3. 高強鋼的焊接性及難點

高強鋼是通過增加材料內部化學成分和優化加工工藝等方法達到提高強度的目的，隨著自身強度的提高，其焊接性也隨之變差。目前，應用較廣泛的Q3 45高強鋼是強度適中、焊接性極佳的普通高強鋼(也稱普低鋼）。Q420和Q460高強鋼強度較高且制造成本增加幅度不大，因此近些年在輸變電鐵塔制工程中得到了大量應用。GB50661《鋼結構焊接規范》中將Q420劃分為較難焊接金屬，Q46 0劃分為難焊接金屬，實際焊接施工過程中常見的質量問題有焊接熱裂紋和冷裂紋，且控冷控軋狀態交貨的高強鋼焊接后接頭易出現焊后強度大幅降低的現象，因此焊接時需采取適當的焊接工藝措施，才能保證焊接接頭的性能滿足技術規范和使用要求。

4. 高強鋼焊接工藝要點

（1）坡口加工 坡口宜采取機械加工的方式進行，且坡口角度宜小不宜大，避免過多的填充金屬造成母材與熔敷金屬過大的稀釋及焊接變形。采取熱切割加工坡口，應將坡口面的淬硬層去除，避免造成焊接接頭晶粒粗大和脆硬現象。

（2）焊前準備 第一，施焊前，確保現場環境條件滿足施焊條件的要求：相對濕度≤80%；現場風速≤2 m/s；現場溫度：Q345焊接時≥0℃，Q420和Q460焊接時≥5℃；當現場溫度低于規定溫度時，應采取焊前預熱的方式降低焊接接頭的冷卻速度。焊前預熱溫度應根據接頭形式和母材厚度確認，如十字接頭和母材厚度＞20mm時，預熱溫度應控制在120~150℃，非十字接頭和母材厚度≤20mm時，預熱溫度應控制在100~120℃。對于十分重要的焊接接頭，即使現場溫度滿足要求但母材厚度＞20mm的Q420和Q460高強鋼，焊前應進行100~150℃預熱。

第二，施焊前，應將坡口及附近20mm范圍內打磨至露出金屬光澤。

第三，調試好焊接電流、電弧電壓及保護氣體流量后再進行施焊，并在坡口內引燃電弧且避免電弧擦傷現象。

（3）焊接參數 焊接熱輸入應控制在15~25k J，避免過小的熱輸入產生冷脆現象和過大的熱輸入造成結晶粗大、應力集中、焊接變形增大等問題。

（4）焊接過程控制 焊工應嚴格按照焊接工藝文件進行施焊，且施焊過程中應設專人進行監督和記錄，確保工藝文件切實有效的執行。焊接過程中每條焊縫盡量一次完成，避免中斷過程中產生缺陷。焊接過程中及時測量層間溫度（道間溫度），應控制在150℃范圍內，如果進行焊前預熱，則層間溫度不得低于預熱溫度且≤150℃。焊接過程中發現嚴重質量問題時應立即停止施焊，經焊接技術人員分析原因并制定措施后重新施焊。

（5）焊后處理 焊后應確保構件自然冷卻，必要時采取緩冷措施。焊后24h進行焊接質量檢測，防止冷裂紋的產生。焊縫內部檢測應在外觀質量檢查合格后進行，重要的構件宜進行焊后消應力處理。

圖1 自動化熔化極氣體保護焊設備

圖2 典型焊縫

5. 高強鋼高效自動化焊接技術在電力鐵塔工程中的應用

（1）高效自動化焊接技術的應用 隨著工業化、數字化、自動化技術的發展，以及制造企業的需求，自動化焊接技術已發展成為機械制造尤其是金屬加工的一種重要的加工工藝。近些年，自動化焊接技術在工業制造中起到了降低勞動強度、提高焊接效率、保證焊接質量等顯著作用，成為制造工業現代化發展的必然趨勢。

目前，電力輸變電鐵塔工程高強鋼焊接應用最廣泛的自動化焊接工藝有熔化極氣體保護自動焊和埋弧焊。自動焊接工藝通常用于鋼管結構環向對接一級焊縫和鋼管縱向對接一級焊縫的焊接。近些年，鐵塔塔腳、聯板及插板結構的焊接也逐步采用自動化焊接工藝進行施焊。

（2）熔化極氣體保護自動焊 電力輸變電鐵塔工程熔化極氣體保護自動焊主要用于鋼管結構的環向一級焊縫的焊接，其他焊縫也有應用，如塔腳機器手焊接、聯板機器手焊接及插板機器手焊接等。熔化極氣體保護自動焊設備如圖1所示。

熔化極氣體保護自動焊具有設備輕便、性能優越、操作簡單及焊接質量優良等優點，典型焊縫如圖2所示。

（3）埋弧焊 電力輸變電鐵塔工程埋弧焊主要用于鋼管結構的環向一級焊縫的焊接和鋼管縱向對接焊縫的焊接。埋弧焊設備如圖3所示。埋弧焊具有設備性能優越、操作簡單、焊接質量優良及焊接生產效率高等優點，典型焊縫如圖4所示。

圖3 埋弧焊接設備

圖4 典型焊縫