Q355钢焊接性及其与Q345钢焊接技术的关键比较

Q355钢焊接性及其与Q345钢焊接技术的关键比较 Weldability of Q355 Steel and Key Comparison of Welding Technology between It and Q345 Steel first-author 陈　浩（1982—），男，工程师，主要从事工厂体系文件的编制、修订以及ISO评审工作。E-mail：29869600@qq.com。 陈　浩（1982—），男，工程师，主要从事工厂体系文件的编制、修订以及ISO评审工作。E-mail：29869600@qq.com。 29869600@qq.com 美建建筑系统（中国）有限公司，上海 201199 美建建筑系统（中国）有限公司，上海 201199 Meijian Building Systems (China) Co., Ltd., Shanghai 201199, China Meijian Building Systems (China) Co., Ltd., Shanghai 201199, China 根据国家标准GB/T1591-2018《低合金高强钢》和建筑钢结构工程实例，从钢材的化学成分入手分析Q355和Q345的本质区别，基于碳当量概念进一步阐述Q355低碳、微合金、纯净化、细晶粒特点，进一步论证了Q355是典型的细晶粒新钢种这一客观事实。分析认为：高强钢种焊接接头的强度、细化晶粒等指标与钢材的微合金元素直接有关。焊接热循环会造成合金元素的损失，因此，多一次热循环，合金元素的损失会增加，必然降低焊接接头的综合性能，这就是焊接Q355钢的关键所在。 According to the national standard GB/T1591-2018 "Low-alloy High-strength Steel" and the examples of steel structure construction, this paper analyzes the essential difference between Q355 and Q345 based upon the chemical composition of the steel. It further expounds upon the characteristics of Q355 low carbon, micro-alloy, pure purification and fine grain with the concept of carbon equivalent, which illustrates the objective fact that Q355 is a typically new type of fine grain steel. Based on the analysis, this paper only considers that the strength and grain refinement of the welded joints of high-strength steel are directly related to the micro-alloyed elements of steel. The welding thermal cycle will cause the loss of alloying elements. Therefore, the loss of alloying elements will increase after one more thermal cycle, which is unfavorable to the quality of welded joint and will inevitably reduce the comprehensive properties of the welded joint. This is the key to welding Q355 steel. 高强钢 化学成分 合金系列 碳当量 焊接技术 high-strength steel chemical composition alloy series carbon equivalent welding technique 前言 1 我国自2019年起不再生产Q345钢，其应用由Q355取代。由此，我国钢结构全面进入高强钢焊接时代，这也是我国钢材与国际接轨的重大举措。根据高强钢的相关技术内涵，国家标准GB/T1591-2008《低合金高强钢》的全部钢种均属于高强钢范畴，可是在贯彻标准的过程中错误地将Q355认同为Q345的升级，认为Q345强度上限就是Q355，于是采用Q345的焊接技术来焊接Q355，焊接质量不如人意。 由于对Q355钢的特殊地位及其高强细晶粒锅的特性不了解，加上贯彻相关标准宣讲观点上的不准确，施工单位几乎没人对此进行分析研究，对上述“Q345强度上限就是Q355”的观点信以为真，于是违背客规律的现象时有发生，因而造成一些焊接质量问题。 用 Q345 的焊接技术和工艺方法焊接 Q355 失败的案例 1 （1）案例1：某单位采用埋弧焊做Q355对接全熔透焊缝焊接工艺评定，焊丝为H08MnA，焊剂为HJ431，其结果是力学性能不过关，最差的是冲击韧性。当改用H10Mn2焊丝、SJ101焊剂后，在焊接规范没有变化的前提下，所有的力学指标全部合格。 分析认为：Q345适合高锰高硅焊剂和H08A焊丝，Q355则不适合，因为Q355所含的气体和杂质少，显然高锰高硅焊剂是不合适的，08焊丝属沸腾钢焊丝（沸腾钢是指炼钢时未能很好脱氧的钢，沸腾钢中的孔多，使结构疏松，偏析也多，质量较差，可用于不十分重要的钢结构中），有害气体含量较高，这样的配比焊接Q355会出现质量问题。 （2）案例2：某工厂采用SAW技术焊接Q355，焊丝为H08MnA，焊剂为HJ431，产生的裂纹如 图1 图1 所示，该裂纹十分特殊，比较接近热裂纹，但区别于热裂纹，这种裂纹形态是在焊丝和焊剂错误的情况下产生的，其产生机理需进一步研究。当釆用H10Mn2焊丝，SJ101焊剂后，裂纹消失。 （3）案例3：在某工程工地上，Q355与铸钢件的焊接出现裂纹，如 图2 图2 所示。工地技术人员按Q345的成熟工艺焊接此接头，焊完一半后停工，再次焊接时发现裂纹。这个案例比较特殊，因为焊接工艺有错误，但在以前用此工艺焊接Q345和铸钢件并没有出裂纹，分析认为是Q355比Q345特殊，两种错误叠加产生了热裂纹。 综上所述，工程实践证实，不能完全照搬Q345的技术来焊接Q355，因为Q355不是Q345的升级。 Q355 钢焊接性分析 1 钢的化学成分决定了钢的焊接性，钢的合金化程度决定了钢的特性。 钢中细化晶粒度的微合金化元素 2 钢是铁和碳（<2.1%）的合金，在工业用钢中尚存在少量非有意加入的其他元素，例如一般含量的硅、锰、硫、磷等，这些元素通常称为常存元素或残余元素。为了达到合金化的目的，即为改善或获得钢的某些性能，在冶炼过程中有意加入的元素称为合金元素。它们在钢中的含量各有不同，有的可高达百分之几十，有的则低至十万分之几，含量低的元素就是所说的微合金。微合金化元素在钢中的作用主要是细化晶粒，阻碍再结晶进行以及析出强化。 为了保证良好的综合性能和焊接性，要求钢中的含碳量不大于0.22%（实际上 w （C）≤0.18%）。此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，这些元素可以推迟珠光体和贝氏体的转变，使产生马氏体转变的临界冷却速率降低，以提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。 根据有关资料介绍，微合金在细化晶粒方面有几种元素的作用十分明显，比如铝（Al），其熔点660 ℃，主要作用是脱氧和细化晶粒；镍（Ni），熔点1 453 ℃，扩镍细化铁素体晶粒，可改善钢的低温性能，特别是韧性；钛（Ti），熔点1 812 ℃，由于它能细化钢的晶粒并成为奥氏体分解时的有效晶核，反而降低钢的淬透性，钛含量高时析出弥散分布的拉氏相产生时效强化作用；钒（V），熔点1 730 ℃，钒细化钢的晶粒，可提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性。 Q355钢含有上述所有元素。Q355、Q390、Q420、Q460钢的化学成分如 表1 表1 所示。 注： 钢中应至少含有铝、铌、钒、钛等细化晶粒元素中一种，单独或组合加入时，应保证其中至少一种合金元素含量不小于表中规定含量的下限。①对于型钢和棒材，磷和硫含量上限值可提高 0.005%；②V+Nb+Ti≤0.22%，Mo＋Cr≤0.30%；③最高可到0.20%；④可用全铝Alt替代，此时全铝最小含量为0.020%。当钢中添加了铌、钒、钛等细化晶粒元素且含量不小于表中规定含量的下限时，铝含量下限值不限。 2 牌号 14 化学成分（质量分数，%） 钢级 质量等级 C Si Mn P ① S ① Nb ② V ② Ti ③ Cr ② Ni Cu Mo ② N Als ④ 5 Q355N B ≤0.20 5 ≤0.50 5 0.90~1.65 ≤0.035 ≤0.035 5 0.005~0.05 5 0.01~0.12 5 0.006~0.05 5 ≤0.30 5 ≤0.50 5 ≤0.40 5 ≤0.10 5 ≤0.015 5 0.015 C ≤0.20 ≤0.030 ≤0.030 D ≤0.20 ≤0.030 ≤0.025 E ≤0.18 ≤0.025 ≤0.020 F ≤0.16 ≤0.020 ≤0.010 4 Q390N B 4 ≤0.20 4 ≤0.50 4 0.90~1.70 ≤0.035 ≤0.035 4 0.01~0.05 4 0.01~0.20 4 0.006~0.05 4 ≤0.30 4 ≤0.50 4 ≤0.40 4 ≤0.10 4 ≤0.015 4 0.015 C ≤0.030 ≤0.030 D ≤0.030 ≤0.025 E ≤0.025 ≤0.020 4 Q420N B 4 ≤0.20 4 ≤0.60 4 1.00~1.70 ≤0.035 ≤0.035 4 0.01~0.05 4 0.01~0.20 4 0.006~0.05 4 ≤0.30 4 ≤0.80 4 ≤0.40 4 ≤0.10 ≤0.015 4 0.015 C ≤0.030 ≤0.030 ≤0.015 D ≤0.030 ≤0.025 ≤0.025 E ≤0.025 ≤0.020 ≤0.025 3 Q460N b C 3 ≤0.20 3 ≤0.60 3 1.00~1.70 ≤0.030 ≤0.030 3 0.01~0.05 3 0.01~0.20 3 0.006~0.05 3 ≤0.30 3 ≤0.80 3 ≤0.40 3 ≤0.10 ≤0.015 3 0.015 D ≤0.030 ≤0.025 ≤0.025 E ≤0.025 ≤0.020 ≤0.025 由表１可知，Q355是典型的细晶粒新钢种，与Q390、Q420、Q460钢同为微合金强化系列，这是其与Q345的最大区别。Q355和Q345钢的性能差别很大，特别是Q355M钢为TMCP钢（thermo-mecha-nical processed，也称“控制轧制”），具有一定的特殊性。Q355M除具有低碳、微合金性能外，S、P含量很低，晶粒度小，碳当量和其他牌号的高强钢几乎相同，也就是说其焊接性相似。因此，Q355M具有“低碳、微合金，纯净化、细晶粒”的特点，除实际强度稍低外，其他基本符合高强钢的基本特性，因此，Q355为高强钢，焊接技术来不得半点马虎。 Q355 和 Q390 碳当量 CEV （ Ceq ）对比 2 衡量钢材焊接性的重要指标就是碳当量。钢的碳当量就是把钢中包括碳在内的对淬硬、冷裂纹及脆化等有影响的合金元素含量换算成碳的相当含量。通过对钢的碳当量和冷裂敏感指数的估算，可以初步衡量低合金高强度钢冷裂敏感性的高低，这对于焊接工艺条件如预热、焊后热处理、线能量等的确定具有重要的指导作用。20世纪50年代初，钢的强化主要采用碳、锰，在预测钢的焊接性时，应用较为广泛的碳当量公式主要有国际焊接学会（IIW）所推荐的公式和日本JIS标准规定的公式。20世纪60年代以后，人们为改进钢的性能和焊接性，大力发展了低碳微量多合金之类的低合金高强度钢，同时又提出了许多新的碳当量计算公式。对于低合金钢，碳的含量影响最大，它决定钢的“淬硬性”。为了比较各种合金元素对HSLA钢的硬化倾向的影响，一般用碳当量CE或Ceq来表示。两个常用于非调质钢碳当量公式有国际焊接学会（IIW）公式： Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15 日本焊接协会（JWES）公式： Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 适用于调质钢的碳当量公式有日本焊接协会（JWES）公式： Ceq=C+Mn/9+Ni/40+Cr/20+Mo/8+V/10 一般来说，钢材的强度等级越高，碳当量也越高。碳当量越高，焊接性越差，根据碳当量的大小，基本能判断钢材的可焊性，如 表2 表2 所示。 注： ①当需对硅含量控制时（例如热浸镀锌涂层），为达到抗拉强度要求而增加其他元素如碳和锰的含量，表中最大碳当量值的增加应符合下列规定：对于Si≤0.030%，碳当量可提高0.02%；对于Si≤0.25%.碳当量可提高0.01%；②对于型钢和棒材，其最大碳当量可到0.54%；③只适用于质量等级为D的钢板；④只适用于型钢和棒材。 2 牌号 5 碳当量CEV（质量分数，%） 2 钢级 2 质量等级 5 公称厚度或直径/mm ≤30 >30~63 >63~150 >150~250 >250~400 3 Q355 ① B 3 0.45 3 0.47 3 0.47 3 0.49 ② — C — D 0.49 ③ 3 Q390 B 3 0.45 3 0.47 3 0.48 3 — 3 — C D 2 Q420 ④ B 2 0.45 2 0.47 2 0.48 2 0.49 ② 2 — C Q460 ④ C 0.47 0，49 0.49 — — 由 表2 表2 可知，热轧状态交货板厚≥30~63 mm的Q355钢材的碳当量不仅与Q390钢相同，而且与Q420钢一样（该状态的Q355钢是目前用量最大的钢材）。由此可判定，Q355的焊接性基本等同Q390（Q420）钢材。那么，Q355钢肯定不是Q345升级版，即Q355钢在焊接技术方面有很大不同于Q345钢的地方，值得引起足够重视。 Q355 钢焊接要尽量减少焊接热循环次数（含火焰切割和碳孤气刨） ［ 2 2 ］ 1 由上述分析可知，Q355属于高强钢系列，因此应采用高强钢焊接技术。高强钢焊接的首要关键技术是避免微量元素的损失过大，对此简要分析微量元素的损失机理如下： 世界上所有物质都有固、液、气三种状态。水在4 ℃有最小的“临界体积”，温度升高和降低都会使体积膨胀，在0 ℃时形成冰水混合物，进而变为固态冰，在100 ℃时气化成为水蒸气。焊接过程中，除焊材中水分蒸发外，金属元素和熔渣中各种化学成分在电弧高温下也会蒸发成为蒸气。各类元素沸点比较如 图3 图3 所示。 由于各类元素及化合物的熔点和沸点存在差距，故其在高温区停留的时间不同；微合金元素及其化合物气化，在高温区停留时间相对较长，气化较铁及铁的化合物更充分，从 图3 图3 看出金属元素Zn、Mg、Bb、Mn的沸点较低。因此这是一种比例失调的损失。焊接本身就是多次进行相同或者相似的热循环，热循环次数越多，比例失调也就越严重（工程实践中称为微合金元素烧损），于是便形成了高强钢（Q355）焊接的第一问题：在传统钢结构的放样、下料、组装、焊接、检查返工直到合格验收的全过程，同一道焊缝和HAZ至少要经历5次不完全相同的热循环（含碳弧气的刨微合金元素烧损）。对高强钢（Q355）性能而言，这5次焊接热循环是致命的；完全可以设想，经过5次热循环部位的焊缝及HAZ，特别是熔合线，微量元素的损失基本改变了钢材的原配比，即已不再是原来的钢种成分，而成分不同带来的后果是综合性能的变化，这种变化导致断裂形式和位置的不同，焊接质量直线下降 ［ 3 3 ］ 。 实践研究证实，高强钢（Q355）焊接接头一次焊接成功，比返工后一次成功的焊缝，焊缝的综合指标要好很多。可理解为：高强钢种焊接接头的强度、细化晶粒等指标同钢材的微合金元素直接有关。焊接热循环会造成合金元素的损失，因此，多一次热循环，合金元素的损失会增加，对焊接接头质量不利，必然降低焊接接头的综合性能，这就是焊接Q355钢的关键所在 ［ 3 3 - 5 5 3-5 ］ 。 除此之外，根据GB50661《钢结构焊接标准》的强制规定6.2节焊接工艺评定替代规则：不同焊接方法的评定结果不得互相替代。不同焊接方法组合焊接可用相应板厚的单种焊接方法评定结果替代，也可用不同焊接方法组合焊接评定，但弯曲及冲击试样切取位置应包含不同的焊接方法；同种牌号钢材中，质量等级（冲击韧性）高的钢材可替代质量等级低的钢材，质量等级（冲击韧性）低的钢材不可替代质量等级高的钢材。因此，施工单位在第一次焊接Q355钢时，必须作焊接工艺评定（PQR），根据（PQR）作出焊接工艺规程（WPS）。 参考文献 GB/T1591-2018 《低合金高强度结构钢》 ［S］. 戴为志 ， 刘景凤 ， 高良 . 建筑钢结构焊接应用技术及案例 ［M］. 北京 ： 化学工业出版社 ， 2016 . 建筑钢结构焊接应用技术及案例 DAI Weizhi ， LIU Jingfeng ， GAO Liang . Application technology and case of building steel structure welding ［M］. Beijing ： Chemical Industry Press ， 2016 . Application technology and case of building steel structure welding 戴为志 . 影响钢结构焊接技术进步的几个重要因素 ［J］. 电焊机 ， 2020 ， 50 （ 09 ）： 207 - 212 . 影响钢结构焊接技术进步的几个重要因素 DAI Weizhi . Several important factors affecting welding technology progress of steel structure ［J］. Electric Welding Machine ， 2020 ， 50 （ 09 ）： 207 - 212 . Several important factors affecting welding technology progress of steel structure 高良 ， 周云芳 ， 戴为志 . 建筑钢结构高强钢不适合大线能量焊接 ［J］. 电焊机 ， 2016 ， 46 （ 02 ）： 1 - 6 . 建筑钢结构高强钢不适合大线能量焊接 GAO Liang ， ZHOU Yunfang ， DAI Weizhi . Construction of high strength steel is not suitable for steel structure of large line energy welding ［J］. Electric Welding Machine ， 2016 ， 46 （ 02 ）： 1 - 6 . Construction of high strength steel is not suitable for steel structure of large line energy welding 戴为志 . 建筑钢结构焊接技术发展趋势 ［J］. 电焊机 ， 2011 ， 41 （ 08 ）： 1 - 3 . 建筑钢结构焊接技术发展趋势 DAI Weizhi . Development trend of the steel sturcture welding technology in the field of architecture ［J］. Electric Welding Machine ， 2011 ， 41 （ 08 ）： 1 - 3 . Development trend of the steel sturcture welding technology in the field of architecture 编辑部网址： http：//www.71dhj.com http://www.71dhj.com 编辑部网址： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.02.16 TG457.11 A 1001-2303（2022）02-0109-05 陈　浩，张　晓，朱瑞芳.Q355钢焊接性及其与Q345钢焊接技术的关键比较［J］.电焊机，2022，52（2）：109-113. 陈　浩，张　晓，朱瑞芳.Q355钢焊接性及其与Q345钢焊接技术的关键比较［J］.电焊机，2022，52（2）：109-113. CHEN Hao, ZHANG Xiao, ZHU Ruifang.Weldability of Q355 Steel and Key Comparison of Welding Technology between It and Q345 Steel[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(2): 109-113. CHEN Hao, ZHANG Xiao, ZHU Ruifang.Weldability of Q355 Steel and Key Comparison of Welding Technology between It and Q345 Steel[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(2): 109-113. 2022-01-11 2022-02-16 2022-02-20 2022-05-06 电焊机 2 52