焊接缺陷可能位于焊缝金属中,也可能位于与焊缝(或热影响区)相邻的母材中。因此,焊材的化学成分对于焊缝是否能达到足够的强度和韧性来说非常重要。为了避免焊接过程中由于升温和降温循环产生的缺陷,需要制订和通过规范化的焊接程序并严格遵守。
现场焊接应按照与工厂焊接相同的高标准进行,且必须由具备资质的焊工按照焊接工艺规范进行操作,详见后续章节。可能需要针对现场焊接提出额外的要求,例如需要保证安全通道以及保证焊接现场不受天气的影响,不允许降低焊接质量。BCSA 出版的指南 53 针对高强钢的焊接提出了建议。
也可参照国标《钢结构焊接规范》GB 50661-2011和《钢结构施工质量验收规范》GB 50205进行焊接质量控制。
可焊性
碳当量 (CEV) 以及焊材的供应情况
在评估钢材的可焊性时,通常会采用碳当量值 (CEV) 作为参考。它实际上是由钢材的化学成分有关的可硬化性指标。有几个计算 CEV 的公式。公式(10-1)是国际焊接学会(IIW)对 CEV 的定义,这个公式也被包括国标 GB 50661 在内的很多钢材焊接规范所采用。不过这个公式不适用于含硼钢。
一般来说,碳当量越高,钢材的可硬化指标越高,焊接节点越容易产生氢致冷裂纹。国标高强钢板材和空心型材允许的最大碳当量值可参考表 10.3 和表 10.4。
热机械轧制钢的碳当量较低,这说明这类钢材的不容易产生热影响区氢致冷裂纹。但要注意热机械轧制钢在焊接时可能发生一定程度的热影响区软化,因此通常建议限制热输入量,避免焊接节点的力学性能发生折减。
相比之下,调质钢的碳当量和可硬化指标更高,因此更容易产生热影响区氢致冷裂纹。同样也应该限制焊接热输入量,避免钢材的过度回火,导致力学性能的折减。调质钢的热影响区软化现象不太明显。
市售钢材的碳当量值可能低于表中列出的碳当量最大允许值。因此,在订购高强钢时,可以针对可焊性,明确提出更严格的要求。具体要求应由焊接协调员与钢材供应商进行协商后决定,以确保这些要求对满足结构性能有效且符合实际。

表 10.2 正火、正火轧制状态交货的 Q355 至 Q460 钢材的碳当量(GB/T 1591)

表 10.3 热机械轧制或热机械轧制加回火状态交货的 Q355 至 Q690 钢材的碳当量(GB/T 1591)

表 10.4 Q345GJ 至 Q690GJ 高强钢材的碳当量 (GB/T 19879)

焊材
应当根据焊缝的设计强度和韧性要求选择合适的焊材。钢铁生产商和焊材供应商会针对高强钢焊材提出一些建议,包括采用低强匹配的焊材,避免氢致冷裂纹的产生,以及使用低氢含量的焊材进行焊接等。高强钢的焊材通常比普通钢焊材价格更高。焊材根据其强度等级和焊接工艺进行分类,针对不同的焊接工艺制定特定标准。高强钢焊材的碳当量高于用于普通钢焊材。高强钢母材通过严格控制微观结构,细化晶粒提高强度,而焊材则通过微合金化提高强度。这也表示高强钢焊材同样可能先于母材产生氢致冷裂纹。
与普通钢焊接结构一样,可能需要根据焊材而非母材来控制焊接参数。
如果作用在焊缝上的应力较高,需要选择设计焊缝的抗拉强度接近母材强度或与之相等,并且采用等强匹配的焊材。如果焊缝的应力水平较低,可以考虑采用低强匹配的焊材,有效避免焊接节点产生裂纹。
对于-20°C时的冲击性能吸收能量不小于 40J正火钢和热机械轧制钢,焊接时采用标准碳钢高锰焊丝已经可以满足要求。 必须按照钢构加工商的建议选用合适的焊材。
焊接接头的准备和加工
通常采用热切割和机械加工对焊接坡口进行准备(参见 9.2 节和 9.7 节)。所有常用的坡口加工方法都可用于高强钢61。在热切割过程中,接头表面可能会形成一层较薄的氧化层,于焊接前先应将其去除。对于厚度较小的钢板,可采用剪切加工焊接坡口。建议去氧化层,保证焊接接头的性能。对于强度等级高于 Q460 的钢材,应打磨切割区域,去除氧化层,并通过目测、着色渗透或磁粉探伤检测等方法确保没有裂纹生成。可通过打磨去除可见的裂纹,并调整坡口的几何形状。
焊接时应注意避免焊渣产生飞溅,如果焊渣飞溅出焊缝熔合区以外,应打磨钢材表面并检查。对强度高于 Q460 的钢材,应进行目测、着色渗透或磁粉探伤进行检查,还应该打磨去除焊渣。
焊接时应尽可能减小临时支撑。如果不能避免,应与工程师或设计人员沟通,确定临时支撑的位置。临时支撑应通过切割或打磨的方式去除,以免损坏母材,随后应小心打磨平整。对临时支撑拆除的部位应进行目测检查,对强度等级高于 Q355 的钢材应进行无损检测。未经允许,不能对强度等级高于Q460 的钢材进行切削。
与普通钢相比,高强钢在焊接过程中的产生的焊接变形更大。因此需要对焊接工艺进行更严格的控制,并且需要更多的夹具进行固定。
焊材的力学性能