Q420B鋼板對接焊工藝探討

施志強

摘 要：目前，Q420B高強鋼已經廣泛應用于輸電線路鐵塔中，而Q420B高強鋼的焊接工藝還不成熟、不規范。以Q420B鋼板對接焊為例，通過闡述Q42B鋼板對接焊的過程，為Q420B鋼板的對接焊和Q420B高強鋼的焊接工藝提供了參考依據。

關鍵詞：Q420B鋼板；對接焊；焊接工藝；焊接性

中圖分類號：TU758.16 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.123

近年來，由于我國南方地區的自然災害不斷，對輸電線路鐵塔造成了嚴重的損壞，而且我國電力事業正朝著能源節約型方向迅猛發展。因此，Q420B高強度鋼開始被應用于輸電線路鐵塔中。Q420B高強度鋼是一種剛被引入輸電線路鐵塔行業中的新型鋼種，目前其焊接工藝還很不成熟。在輸電線路鐵塔加工中，焊接是一道非常重要的工序，而焊接件則往往是鐵塔中受力比較大的關鍵聯接構件。這些焊接件往往會因焊接質量問題，使其機械性能下降，出現裂紋，甚至開裂，進而會給電網帶來很大的損害。為此，本文就Q420B鋼板對接焊進行了探討。

1 Q420B鋼板的焊接性分析

由于在鐵塔中，420B鋼板焊接要求很高的強度、硬度、耐磨性和機械性能，所以我們首先對其焊接性能進行分析。Q420B的化學成分如表1所示。

表1 Q420B的化學成分

牌號 化學成分（質量分數）/（%）

C Mn Si S P

Q420B 0.17 1.44 0.27 0.006 0.011

從表1可以看出，Q420B鋼板作為母材，其含碳量較高，且含有大量合金元素，我們根據國際焊接協會（IIW）推薦的碳當量（CET）計算公式來計算這一鋼板的焊接性能：

CET=C+（Mn+Mo）/10+（Cr+Cu）/20+Ni/40（%）.

（1）

計算可得Q420B的CET=0.314%.而根據表2，我們可以看出Q420B的焊接性能不良。

表2 按碳當量鋼的可焊性分類

碳當量 可焊性 碳當量 可焊性

<0.25% 優良 0.35%～0.45% 尚好

0.25%～0.35% 較好 >0.45% 不良

>0.60% 必須采取一定的焊接工藝措施

綜合上述數據和零件本身的剛性（厚度16 mm），我們可以得出：Q420B板淬硬傾向較為嚴重（C、Cr均是淬硬性元素），焊接性不良，且其焊接性的主要內容就是防止裂紋和內部缺陷的產生。要取得滿意的拼接效果，我們既要合理選擇焊接材料，又要制訂相應的焊接工藝措施。

2 焊接材料的選擇

2.1 過渡層材料的選擇

因母材有較強的淬硬傾向，焊接過渡層是必不可少的，它是拼接成功與否的關鍵一環。選擇過渡層材料的原則是：焊材的含碳量要低，塑性要好。因此我們選用了抗裂性較好的低氫型焊條純鐵焊條J350，成功地解決了過渡層產生裂紋的難題。

2.2 工作層材料的選擇

由于這類焊接板表面要承受著較大的載荷，因此要求其表面具有較高的強度、硬度和耐磨性。但此對接縫只是連接焊縫，并非工作焊縫。基于這個前提，我們選擇了ER55-G氣保焊絲，取得了滿意效果。

3 焊接工藝

3.1 焊前準備

3.1.1 坡口的制備

由于Q420B的淬硬傾向極為嚴重，為了防止坡口制備過程中淬硬層和微細裂紋的出現，我們采用機加工方式制備坡口，如圖1所示。

圖1 坡口示意圖

3.1.2 坡口區域的清理

對坡口區域進行全面、徹底的清理，保證焊縫坡口處平整、無毛刺、無裂紋、無氣割熔瘤、夾層等缺陷，清除影響焊縫質量的附著物存在，例如油、銹、氧化皮等。

3.1.3 裝配對接

裝配對接要求兩板之間不留間隙，且坡口板厚方向無錯邊，裝配點焊要求預熱50～80 ℃后實施，且定位焊焊縫不宜超過設計焊縫的2/3（但要有一定的厚度），定位焊長度宜為30～50 mm，間隔不宜超過600 mm，以保證接頭有一定的剛性，在翻身施焊過程中不至于開裂。

3.1.4 防變形措施

為保證鋼板拼接完成后角變形不會超差，且機械矯正角變形不易引起焊縫開裂，我們除采用交錯翻身施焊的方法外，特別采用了剛性固定法，沿焊縫方向每隔400 mm點焊一工藝“碼子”，如圖2所示。

3.1.5 焊條在焊前除氫

氫對焊接質量是非常有害的，它使焊接冷裂紋具有延遲性。而焊接時，氫主要來源之一是焊接材料—焊條。因此，在焊前要對焊條進行烘干去氫處理，即在350 ℃下烘干1 h。

3.2 焊前預熱

預熱是指在焊接開始前對焊件的全部（或局部）進行加熱的工藝措施。預熱的目的是減少焊接區和結構整體的溫差，溫差越小，越能使焊縫區和結構整體盡可能地均勻冷卻，從而減小內應力，對于易裂的母材和剛性大的焊件，常采用此法。

根據SMS DEMAG公司沿用的SN200標準，焊前預熱溫度視母材材料分析而定，與母材碳當量相關，其預熱溫度（TP）的推薦計算公式如下：

由此可計算出Q420B的最佳預熱溫度在85 ℃左右，因此我們采用遠紅外線履帶片加熱器輔以氧-丙烷加熱坡口區域至80 ℃后開始施焊。

4 施焊

在焊接過程中，由于對焊縫加熱時間過長，連續焊往往造成較大的變形，所以我們采用分段退焊法，使局部焊縫造成的變形適當減小或相互抵消，從而達到減小總體變形的目的。

另外，焊縫區金屬由于在冷卻收縮時受阻會產生拉伸應力，在層道焊后冷卻的過程中，可用渣錘或風鏟敲擊焊縫金屬（為防止產生裂紋，敲擊應在焊縫塑性較好的熱態下進行），促使焊縫金屬產生塑性變形，以抵消焊縫的一部分收縮，從而起到階段性減小焊接應力的作用。焊接過程及焊接規范如表3所示。

5 層間溫度的控制

保證一定的層間溫度，可以使熔池中的氣體充分析出，雜質元素偏析分散，不會呈集中連續狀，同時后焊焊道對前一焊道及其熱影響區進行再加熱，使再加熱區的組織和性能發生變化，形成細小晶粒，塑性韌性得到改善。因此，我們通過采用連續施焊和相關保溫措施，使層間溫度一直保持在250 ℃左右。

6 后熱保溫（時效）

加熱至80～200 ℃，保溫5～20 h或更長時間，然后空冷，稱為時效處理。施焊完畢后，對對接縫采用這種處理方式，達到了穩定組織尺寸、消除殘余應力、消除氫脆傾向的良好效果。

7 結束語

通過以上一系列工藝措施的嚴格執行，Q420B鋼板對接縫無裂紋出現，且對接縫錯邊小于2 mm。Q420B鋼板的成功對接焊為高強度鋼材的施焊提供了比較規范、成熟的焊接工藝。

〔編輯：王霞〕