Q420B鋼焊接裂紋原因分析及改善措施

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用。在應用過程中，該鋼種出現了焊接開裂情況，給該材料的使用帶來了結構安全影響。在山東某大型國有鋼鐵冶金企業的工程項目建設中，材質為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裂紋，裂紋從熱影響區開始，貫穿焊縫，止裂于母材另一側，裂紋長度分別為80 mm、100 mm。對此進行相關測試、分析、研究，找到原因，并為今后該類鋼使用質量提供借鑒。

2 焊接裂紋產生的原因分析

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熱措施，焊后采取自然冷卻；環境溫度15 ℃。

焊接裂紋出現在焊縫冷卻后，從產生裂紋的機理看，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變的起始溫度Ms附近，在淬硬組織、氫和拘束應力的共同作用下產生。冷裂紋主要發生在低合金鋼、中合金鋼、中碳和高碳鋼的焊接熱影響區。為了研究裂紋原因，從焊縫和熱影響區的冷卻時間對焊接接頭的組織成分、氫和拘束應力的影響等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，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。

試驗母材采用兩塊厚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，焊前不采取預熱措施，焊后自然冷卻；焊接參數為焊接電流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

測溫過程中發現，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，不影響試驗結果，故冷卻到500 ℃的時間以冷卻到400 ℃的時間代替。現場測量多組焊縫冷卻到500 ℃的時間數據，取較準確的數據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，熔池就由熔化狀態急速冷卻到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

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產生根部延遲裂紋，采用連續冷卻組織轉變圖和用CTS裂紋試驗法，測定冷卻時間對熱影響區冷裂影響，并對抗拉強度為510 MPa的高強鋼，做出了高強鋼CCT圖與CTS裂紋試驗的結果［1］，見圖3。

圖3 高強鋼CCT圖與CTS裂紋試驗的結果

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

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，焊縫由熔化狀態冷卻到800 ℃，所用時間很短，數值很小，手工較難測量，對結果分析影響不大，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，焊接接頭會出現裂紋。根據圖3 分析得出，焊縫及熱影響區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向母材熱影響區擴散，在焊縫根部有塑性應變的部位（缺口效應、應力集中等）發生聚集，導致此部位易產生氫裂紋。一般認為，殘余擴散氫對冷裂紋的產生和擴展起了決定性作用。相關試驗研究證明，高強鋼焊接接頭的含氫量越高，裂紋的敏感性越大，當局部地區的含氫量達到某一臨界值時，便開始出現裂紋，此值稱為產生裂紋的臨界含氫量。

2.3 .1 冷卻時間與含氫量關系

國外對焊縫冷卻到100 ℃時殘余擴散氫［H］R100與冷裂臨界應力的關系進行研究，建立了［H］R100經驗計算公式［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，決定于試驗方法、焊縫形狀和母材的材質等，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經驗計算公式表明，導致100 ℃焊接接頭冷裂臨界應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。

根據理論分析，CO2保護焊時，因未進行焊前預熱，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的氫含量，使焊接區組織更加脆化，開裂傾向增大。

2.4 焊縫冷卻速度對拘束應力影響分析

結構自身拘束條件會造成焊縫的拘束應力，同時焊接時產生的拘束應力也會不斷增大，直至開始產生裂紋時，此時的拘束應力稱為臨界拘束應力σcr。低合金高強鋼的對接接頭不產生裂紋的臨界拘束應力σcr，可以通過經驗計算公式［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為熱影響區的平均最大維式硬度。

由（3）計算公式可以看出，σcr與［H］有關，［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力就越小，焊接接頭就越容易開裂。

在前面分析中已經得出了殘余擴散氫［H］R100含量與冷卻時間t 的關系，冷卻時間t 越短，殘余擴散氫［H］R100越大，產生的臨界拘束應力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在短時間內快速冷卻，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的部位，促使這個地區進一步脆化，導致臨界拘束應力降低。其后果是淬硬的馬氏體組織受氫的誘發和促進后脆化，來不及逸出的擴散氫大大降低了焊接接頭的臨界拘束應力，在拘束應力的作用下形成了焊接裂紋。

3 焊接工藝改善措施

為了防止出現焊接裂紋，針對數千噸材質為Q420B的鋼結構，采取CO2保護焊焊接的，從以下幾個方面采取了措施：

3.1 采取焊前預熱處理

查找相關資料，對于國內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，在實際操作中應適當提高預熱溫度。參考低合金高強鋼HT80的預熱溫度［1］，見表1。

對構件的焊接采取了焊前預熱和后熱處理工藝。預熱溫度85 ℃提高到90～100 ℃，預熱區間為焊縫兩側各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。

根據公式（4）和Q420B 鋼的碳當量，計算得TP為117.3 ℃。

根據上述計算，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力，起到了韌化熱影響區和焊縫組織，降低淬硬性的作用。在產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

對于出現裂紋的構件，確定了焊前預熱，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）焊前預熱。修補焊接前，先進行預熱，預熱溫度200 ℃，預熱區間為焊縫兩側各100 mm。根據現場實際條件，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。由于焊前預熱溫度較高，根據表1，焊前預熱溫度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，未再出現焊接裂紋。此外，為了確保焊接質量，采用超聲波探傷，探傷結果顯示焊縫全部合格。

5 結 語

由于CO2保護焊相比較于手工電弧焊，焊接速度快、費用低，在冶金鋼結構工程焊接施工中得到廣泛應用。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，對熱影響區的重復加熱，又造成熱影響區組織的晶粒粗大、脆化，極大地降低結構的承載能力。在冶金工程大規模的鋼結構焊接施工中，受工期、成本、人員素質、操作習慣等各種因素的影響，焊前預熱處理措施不受重視，經常被忽視，出現裂紋后又多次重復焊接修補，嚴重降低結構的強度，存在質量安全隱患。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，做好焊前預熱等措施，盡量一次焊接合格，避免出現焊接裂紋，減少返修次數，這對焊接質量和工程質量、效率均有顯著意義。