一、建筑钢结构新钢种焊接性试验

2012年8月，我国第一本钢结构焊接规范GB 50661—2011《钢结构焊接规范》正式使用，拉开了钢结构行业大规模使用新钢种的序幕；高强钢、耐候钢将在建筑钢结构焊接工程中逐渐得到应用，因此新钢种焊接性试验将会逐渐增多，了解和掌握新钢种焊接性试验的相关知识就显得尤其重要。

由于钢结构体系设计的需要，在重要性建筑钢结构焊接工程中进行新钢种焊接性试验研究就显得格外重要。采用了新一代高强钢种同传统钢种有很大的区别，掌握和研究新钢种的焊接性是一件十分重要和困难的工作。

根据国际惯例，新钢种焊接性试验研究应当由生产厂家和研究机关来承担，而在我国没有明确的规定。因此Q460-Z35钢的焊接性试验研究工作由施工单位承担，这是首例，根据我国国情，这种现象恐怕要延长很长时间，所以新钢种焊接性试验研究可能会成为建筑钢结构焊接工程中的重点和难点。

（一）钢材的焊接性

焊接性是指钢材（材料）在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定运营要求的能力。评定母材金属的试验，叫作焊接性试验。

钢材（材料）对焊接加工的适应性叫作钢材（材料）的焊接性，是用以衡量钢材（材料）在一定工艺条件下获得优质接头的难易程度和该接头能否在使用条件下可靠运行的具体技术指标。

1.焊接性分类

焊接性包含工艺焊接性和使用焊接性两方面的内容。

工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优良致密、无缺陷焊接接头的能力。它不是金属本身所固有的性能，而是根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措施来进行评定的。所以金属材料的工艺焊接性与焊接过程密切相关。对于熔焊，一般都要经历传热过程和冶金反应过程，因而又可把工艺焊接性分为热焊接性和冶金焊接性。热焊接性是指焊接热循环对焊接热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度。用以评定被焊金属对热的敏感性，如晶粒长大、组织性能变化等，它主要与被焊材质及焊接工艺有关。冶金焊接性是指在一定冶金过程的条件下，物理化学变化对焊缝性能和产生缺陷的影响程度。它包括合金元素的氧化，还原，氮化，蒸发，氢、氧、氮的溶解等对形成气孔、夹杂、裂纹等缺陷的影响，用以评定被焊材料对冶金缺陷的敏感性。

使用焊接性是指焊接接头或整个结构满足产品技术条件规定的使用性能的程度。使用性能取决于焊接结构的工作条件和设计上提出的技术要求。通常包括常规力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度、耐蚀性能和耐磨性能等。

从理论上，凡是在熔化状态下相互能形成固溶体或共晶的两种金属或合金，原则上都可以实现焊接，即具有所谓原则焊接性，又叫物理焊接性，然而，这种原则焊接性仅仅为材料实现焊接提供理论依据，并不等于该材料用任何焊接方法，都能获得满足使用性能要求的优质焊接接头。同种金属或合金之间是具有原则焊接性的，但是，它们在不同的焊接工艺条件下的焊接性却表现出很大的差异。因此，金属材料的焊接性不仅与材料本身的固有性能有关，同时也与许多焊接工艺条件有关。在不同的焊接工艺条件下，同一材料具有不同的焊接性。而且随着新的焊接方法、焊接材料或焊接工艺的开发和完善，一些原来焊接性差的金属材料，也会变成焊接性好的材料。

2.影响焊接性的因素

焊接性是金属材料的一种工艺性能。除受材料本身性质影响外，还受到工艺条件、结构条件和使用条件的影响。

（1）材料因素

材料包括母材和焊接材料。在相同的焊接条件下，决定母材焊接性的主要因素是它本身的物理化学性能。

物理性能方面，如金属的熔点、热导率、线胀系数、密度、热容量等因素，都对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，从而影响焊接性。纯铜热导率高，焊接时热量散失迅速，升温的范围很宽，坡口不易熔化，焊接时需要较强烈的加热。如果热源功率不足，就会产生熔透不足的缺陷。铜、铝等热导率高的材料，熔池结晶快，易于产生气孔。钛、不锈钢等热导率低的材料，焊接时温度梯度大，残余应力高，变形大。而且由于高温停留时间长，热影响区晶粒长大，对接头性能不利。铝和奥氏体不锈钢线胀系数大、接头的变形和应力较为严重。铝及其合金的密度小，焊接时，熔池中的气泡和非金属夹杂物不易上浮逸出，就会在焊缝中残留气孔和夹渣等。

化学性能方面，主要看金属与氧的亲和力的强弱。如铝、铁及其合金的化学活泼性很强，在高温焊接下极易氧化。有些金属对氢、氮等气体很敏感，焊接时，就必须有可靠的保护，如采用惰性气体保护焊或在真空中焊接，否则焊接就难以实现。

如果是异种金属焊接，也只有其理化性能和晶体结构接近的金属才比较容易实现焊接。

对于钢材的焊接，影响其焊接性的主要因素是所含的化学成分。其中影响最大的元素有碳、硫、磷、氢、氧和氮等，它们容易引起焊接工艺缺陷和降低接头的使用性能。其他合金元素，如锰、硅、铬、镍、钼、铁、钒、铭、铜、硼等都在不同程度上增加焊接接头的淬硬倾向和裂纹敏感性。所以，钢材的焊接性总是随着含碳量和合金元素含量的增加而恶化。

此外，钢材的冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态等，在不同程度上都对焊接性发生影响。所以近年来研制和发展了各种CF钢（抗裂钢）、Z向钢（抗层状撕裂）、TMCP钢（控轧钢）等，就是通过精炼提纯或细化晶粒和控轧工艺等手段，来改善钢材的焊接性。

焊接材料直接参与焊接过程一系列化学冶金反应，决定着焊缝金属的成分、组织、性能及缺陷的形成。如果选择焊接材料不当，与母材不匹配，不仅不能获得满足使用要求的接头，还会引起裂纹等缺陷的产生和组织性能的变化。因此，正确选用焊接材料也是保证获得优质焊接接头的重要冶金条件。

（2）工艺因素

工艺因素包括焊接方法、焊接参数、装焊顺序、预热、后热及焊后热处理等。焊接方法对焊接性影响很大，主要表现在热源特性和保护条件两个方面。

不同的焊接方法其热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大差别。金属在不同热源下焊接，将显示出不同的焊接性能。如电渣焊功率很大，但能量密度很低，最高加热温度也不高，焊接时加热缓慢，高温停留时间长，使得热影响区晶粒粗大，冲击韧度显著降低，必须经正火处理才得改善。与此相反，电子束焊、激光焊等方法，功率不大，但能量密度很高，加热迅速。高温停留时间短，热影响区很窄，没有晶粒长大的危险。

调整焊接参数，采取预热多层焊和控制层间温度等其他工艺措施，可以调节和控制焊接热循环，从而可改变金属的焊接性。

例如，焊接某些有淬硬倾向的高强钢时，材料本身具有一定冷裂敏感性。当工艺选择不当，焊接接头可能产生冷裂纹或降低接头的塑性和韧性。如果选择合适的填充材料、合理的焊接热循环，并采取焊前预热或焊后热处理等措施，则完全可能获得没有裂纹缺陷，满足使用性能要求的焊接接头。

（3）结构因素

结构因素主要是指焊接结构和焊接接头的设计形式，如结构形状、尺寸、厚度、接头坡口形式、焊缝布置及其截面形状等因素对焊接性的影响。其影响主要表现在热的传递和力的状态方面。不同板厚、不同接头形式或坡口形状，其传热方向和传热速度不一样，从而对熔池结晶方向和晶粒成长发生影响。结构的形状、板厚和焊缝的布置等，决定接头的刚度和拘束度，对接头的应力状态产生影响。不良的结晶形态，严重的应力集中和过大的焊接应力等是形成焊接裂纹的基本条件。设计中减少接头的刚度，减少交叉焊缝，避免焊缝过于密度，以及减少造成应力集中的各种因素，都是改善焊接性的重要措施。

（4）使用条件

使用条件是指焊接结构服役期间的工作温度、负载条件和工作介质等。这些工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能。例如：在低温工作的焊接结构，必须具备坑脆性断裂性能；在高温工作的结构，要具有抗蠕变性能；在交变载荷下工作的结构，要具有良好的抗疲劳性能；在酸、碱或盐类介质工作的焊接容器，应具有高的耐蚀性能等。总之，使用条件越苛刻，对焊接接头的质量要求就越高，材料的焊接性就越不容易保证。

（二）金属焊接性的研究方法

焊接工程师经常遇到一些新材料、新结构或新的工艺方法。在正式投产之前，通常要开展焊接性研究工作，以确保所采用新的材料、结构或工艺方法能获得优质的焊接接头。研究的基本方法是先分析后试验，即在焊接性理论分析的基础上再做必要的焊接性试验。焊接性分析可以避免试验的盲目性，焊接性试验可以验证理论分析的结果。

焊接性分析就是运用现代焊接科学技术的理论知识和实践经验，对金属材料焊接的难易程度做出判断或预测，估计焊接过程可能出现的技术问题，分析产生问题的原因和寻找解决问题的办法。通常分析是从工艺焊接性和使用焊接性这两个方面去考察该材料对焊接的适应能力。前者是要解决该材料能焊不能焊的问题，后者是要解决焊后能不能使用的问题。

（1）对工艺焊接性方面的分析

主要是考察金属材料在给定的工艺条件下（主要指用某种焊接方法焊接时），产生焊接缺陷的倾向性和严重性。首先应结合研究对象的特点，从影响焊接性的材料因素、工艺因素和结构因素等方面入手，分析和估计焊接过程中可能会产生什么缺陷，对材料的工艺焊接性做出科学的预测。焊接工艺缺陷很多，其中以裂纹的危害性最大，产生的原因多而复杂，故分析的重点通常是放在材料的抗裂性能上。

按材料中合金元素及其含量间接地评估合金结构钢的焊接性是最常用的分析方法，如碳当量法和裂纹敏感系（指）数法等。此外，也可利用合金相图，或焊接CCT图等进行分析。合金相图可以用于判断热裂倾向；焊接CCT图可以用于估计有无冷裂的危险和焊后接头的大致性能（硬度值）。

（2）对使用焊接性方面的分析

主要是考察金属材料在给定的焊接工艺条件下，焊成的接头或整个焊接结构是否满足使用要求，这些要求是由结构的工作条件所决定并由设计者提出。如强度、韧度、塑性、疲劳、蠕变、耐蚀或耐磨等性能要求。对于以等性能原则设计的焊接接头，则以母材的性能为依据，分别考察焊缝金属和焊接热影响区在焊接热的作用下可能引起哪些不利于使用性能的变化。对于已经建立焊接连续冷却组织转变图（即CCT图）的金属材料，利用该图来预测或判断焊缝或热影响区熔合线附近的组织与性能的变化较为方便。对金属进行焊接性分析时，要有重点和针对性，表3.1给出不同金属材料作焊接性分析时应特别关注的问题。对于那些尚无把握或难以判断其焊接性能的金属材料，应把可能出现的问题提出来，再通过焊接性试验方法来研究解决。

注：HAZ表示焊接热影响区。

（3）焊接性试验

焊接性分析是以理论知识和生产经验为依据进行的，分析的结果难免与生产实际有出入。因此，对于重大工程，一般应在焊接性理论分析的基础上有针对性地做些焊接性试验加以验证。特别对于一些尚未接触过的新金属材料、新的产品结构或新的工艺方法，更应通过较为全面的焊接性试验，以获取第一手资料。既可以对材料的焊接性做出更为准确和全面的评价，同时也为制订焊接工艺提供可靠的依据。冶金部门每发展一种用于焊接结构的新材料，一般都应进行全面的焊接性试验。

总之，焊接性的分析与试验是焊接性研究中的两个工作环节，相辅相成。根据研究对象的复杂性和重要性，可简可繁。有时分析与试验交叉平行进行。

（三）焊接性的试验内容与方法分类

1.焊接性试验内容

按材料的不同特点和不同使用要求，焊接性试验内容有以下几点。

（1）测定焊缝金属抗热裂缝的能力

热裂缝是一种较常发生又危害严重的焊接缺陷，是熔池金属结晶过程中，由于存在一些有害元素（如低熔点共晶物），并受热应力作用而在结晶末期发生的。热裂纹同焊接接头的设计，母材、焊材有关。所以测定焊缝金属抵抗热裂纹的能力是焊接性试验的一项重要内容。

（2）测定焊缝及热影响区金属抗冷裂纹的能力

冷裂纹在低合金高强钢焊接中是最为常见的缺陷，由于这种缺陷的发生具有延迟性，其危害更大。它是焊缝及热影响区金属在焊接热循环作用下，由于组织及性能变化，加之受焊接应力和扩散氢的共同影响而产生的。所以测定焊缝及热影响区金属抗冷裂纹的能力是焊接性试验中很重要又最经常做的一项试验内容。

（3）测定焊接接头抗脆性断裂的能力

对于在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，可能经过焊接的冶金反应，结晶、固态相变等一系列过程，焊接接头会发生粗晶脆化、组织脆化、热应变时效脆化等现象。使接头韧性严重下降，即焊接接头发生脆性转变。因此，对这类焊接结构的用材，需要做抗脆断（或抗脆性转变）能力的试验。

（4）测定焊接接头的使用性能

根据焊接结构使用条件对焊接性提出的性能要求来确定试验内容。使用要求是多方面的，例如，在腐蚀介质工作的焊接结构要求抗腐蚀性能，就可以确定做焊接接头的耐晶间腐蚀能力或耐应力腐蚀能力等的试验；厚板钢结构要求抗层状撕裂性能时，就需做Z向拉伸或Z向窗口试验，以测定该钢材抗层状撕裂的能力。

2.焊接性试验方法分类

根据试验的内容和特点大致归纳成图3.1所示的工艺焊接性和使用焊接性两大方面的试验，每一大方面又分为直接法和间接法两种类型。直接法有两种情况：一种是仿照实际焊接的条件，通过焊接过程考察是否发生某种焊接缺陷，或发生缺陷的严重程度，直接去评价焊接性的优劣（即焊接性对比试验）。也可以通过试验确定出所需的焊接条件（即工艺适应性试验）。这种情况多在工艺焊接性试验中使用。另一种是直接在实际产品上进行测定其焊接性能的试验，这种情况主要用于使用焊接性方面的试验。间接法一般不需要焊出焊缝，只需对产品实际使用的材料做化学成分、金相组织或力学性能等的试验分析与测定，然后根据分析与测定的结果，对该材料的焊接性进行推测与评估。例如，碳当量法，只需从产品用的材料中测定出其化学成分，代入碳当量计算公式，利用算出碳当量的大小去判断该材料的焊接性。

（四）选择或设计焊接性试验方法的原则

现有的焊接性试验方法很多，随着技术的进步、要求的提高，焊接性试验方法还会不断增加。选择已有的或设计新的焊接性试验方法时，一般应考虑以下原则。

1.可比性

只有试验条件完全相同下，两个试验的结果才具有可比性。因此，凡是国家或国际上已经颁布的标准试验方法，应优先选择，并严格按标准的规定进行试验。曾建立标准但现已废止的或尚没有建立标准的，应选择国内外同行业中较为通用的或公认的试验方法进行。若无标准可供遵循，须自行设计焊接性试验方法时，应把试验条件规定得明确具体。最后要说明试验结果是在什么试验条件下得出。

2.针对性

所选择的或自行设计的试验方法，其试验条件要尽量与实际焊接时的条件相一致，这些条件包括母材、焊接材料、接头形式、接头受力状态，焊接参数等。而且试验条件还应考虑到产品的使用条件，尽量使之接近。只有这样才能使焊接性试验具有良好的针对性，其试验结果才能较准确地显示出实际生产时可能发生的问题或可能出现的现象。

3.再现性

焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。试验数据不可过于分散，否则难以找出变化规律和导出正确的结论。为此，试验方法应尽量减少或避免人为因素的影响，多采用自动化、机械化的操作，少用人工操作。试验条件和试验程序要规定得严格，防止随意性。

4.经济性

在符合上述原则并可获得可靠结果的前提下，力求减少人力、物力和财力消耗，节省试验费用。

（五）常用焊接性试验方法

这里介绍的试验方法，有现行国家标准规定的、曾是国家标准规定的和不是国家标准规定的三类，许多研究成果和技术数据多是采用这些方法试验得出来的，作为研究手段，它们均具有学术价值。当然，在达到同样目的的情况下，仍应优先采用现行国家规定的试验方法。

1.工艺焊接性的间接估算法

（1）评估钢材冷裂纹倾向的碳当量法

基于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有关，所以利用化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性。把钢中合金元素（包括碳）的含量，按其作用换算成碳的相当含量（以碳的作用系数为1），作为粗略评定钢材冷裂倾向的一种参考指标，即所谓碳当量法。

（2）热裂纹敏感指数法

考虑化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响，在试验研究的基础上提出可预测或评估金属材料热裂纹倾向的指数方法。

①热裂纹敏感系数（简称HCS）法，其计算公式为：

当HCS≤2时，不会产生热裂纹。HCS值越大的金属材料，其热裂纹敏感性也越高。

②临界应变增长率（简称CST）法，用下式计算：

CST=（-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0）×10-4　　（3.2）

当CST≥6.5×10-4时，可以防止裂纹。

（3）层状撕裂敏感性指数法

在对500～800MPa级低合金高强度钢的插销试验（沿板厚方向截取试棒）和窗形拘束裂纹试验的基础下裂纹撕裂敏感性指数公式：

式中　［H］——熔敷金属中扩散氢（日本JIS法），mL/100g。

根据PL值可以在图3.2上查出插销试验Z向不产生层状撕裂的临界应力（σz）cr值。

式（3.4）仅适用于热影响区附近产生的层状撕裂。

（4）再热裂纹敏感性指数法

预测钢材焊接性时，根据合金元素对再热裂纹敏感性的影响，可采用再热裂纹敏感性指数法进行评定，下面推荐两种方法。

①ΔG法。

ΔG=Cr+3.3Mo+8.1V-2　　（3.5）

当ΔG<0不再产生裂纹，ΔG≥0对再热裂纹敏感。

对于C>0.1％的钢，式（3.5）修正为

ΔG'=ΔG+10C=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C　　（3.6）

当ΔG'≥0对再热裂纹敏感，1.5≤ΔG'<2敏感性中等，ΔG'<1.5对再热裂纹不敏感。

②PSR法。此法更全面地顾及Cu、Nb、Ti等对再热裂纹的影响，计算公式如下。

PSR=Cr+Cu+2Mo+5Ti+7Nb+10V-2　　（3.7）

此式仅适用于：Cr≤1.5％；Mo≤2.0％；Cu≤1.0％；0.10％≤C≤0.25％；V+Nb+Ti≤0.15％。当PSR越大，对再热裂纹越敏感。

（5）利用CCT图或SHCCT图分析

对于各类低合金钢，可以利用其各自的连续冷却曲线（CCT图）或模拟焊接热影响区的连续冷却曲线（SHCCT图）分析其焊接性问题。这些曲线可以大体上说明在不同焊接热循环条件下将获得什么样的金相组织和硬度，可以估计有无冷裂的危险，以便确定适当的焊接工艺条件

焊接连续冷却组织转变（Continuous Cooling Transformation）曲线图，简称CCT曲线，是表征某焊缝及热影响区金属在各种连续冷却的条件下转变开始温度和终了温度、转变开始时间和终了时间，以及转变的组织、室温硬度与冷却速度之间的关系的曲线图。焊接连续冷却转变图分为焊缝金属连续冷却转变图（简称焊缝金属WM-CCT图）和热影响区连续冷却转变图（简称焊接热影响区SH-CCT图）。由于焊接热影响区SH-CCT图应用比较广泛，一般焊接CCT图多指热影响区SH-CCT图。

因此CCT曲线与实际生产条件相当近似，所以它是制定工艺时的有用参考资料。根据连续冷却转变曲线，可以选择最适当的工艺规范，从而得到恰好的组织，达到提高强度和塑性以及防止焊接裂纹的产生等目的，对合理制定焊接工艺参数有重要的指导意义。

（6）焊接热影响区（HAZ）最高硬度法

焊接热影响区的最高硬度可以相对地评价被焊钢材的淬硬倾向和冷裂纹的敏感性，由于硬度测定的方法简单易行，已被国际焊接学会（IIW）采用，我国也曾制定过适用于焊条电弧焊的国家标准，至今尚有人使用，摘要如下。

①试件制备。

试件的形状和尺寸分别见图3.3和表3.2。试件标准厚度为20mm，若实际板厚超过20mm，则用机械加工成20mm厚，并保留一个轧制表面。若板厚小于24mm，则不须加工。可用气割下料，1号、2号试件各备一块。

②试验条件。

焊前清除试件表面的水、油、铁锈及过厚的氧化皮；焊接时试件两端要支承架空，试件下面留有足够空间；1号试件在室温，2号试件在预热温度下进行焊接；采用平焊位置，沿试件轧制表面的中心线焊出长为（125±10）mm的焊缝，如图3.3所示。用直径为4mm焊条，焊接电流为（170±10）A，焊接速度为（150±10）mm/min施焊。焊后在静止空气中自然冷却，不进行任何热处理。

③硬度的测定。

焊后经12h冷却后，在室温下用机械加工方法垂直切割焊缝中部，在此断面上取硬度测量试样。试样的检测面经研磨后再腐蚀。然后如图3.4所示，划一条既切于熔合线底部切点O，又平行于试样轧制表面的直线。在室温下沿直线上每隔0.5mm测一点，用载荷为10kg的维氏硬度计测定。以切点O及其两侧各7个以上的点作为硬度的测定点。硬度试验应按GB/T 4340.1《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》规定执行。

一般焊接用的钢材都应提供其最高硬度值，表3.3为常用低合金高强钢允许的最高硬度值。

以上介绍几种比较简单方便且被广泛采用的间接评估焊接性的方法。这些方法最大缺点是不能对被焊金属做出精确的焊接性评价，因为化学成分或者硬度仅仅是影响焊接性的一方面因素。

2.工艺焊接性的直接试验法

金属工艺焊接性的直接试验方法有上百种，较为常用的也有数十多种，有些已标准化。目前众多工艺焊接性直接试验方法中，绝大多数是针对某种钢材在焊接过程中出现某类裂纹问题而设计的。因为，裂纹是最常见且危害性最大的焊接工艺缺陷。通过这些试验，可以定性或定量地评定被焊金属产生某种裂纹的倾向性的严重程度，也可以揭示产生这种裂纹的原因和影响因素。进而可寻找或确定出防止这种裂纹的最佳焊接工艺措施，包括选择焊接方法、焊接材料、焊接参数和预热温度等。

焊接冷裂纹是在焊后冷至较低温度下产生的具有延迟性的一种常见裂纹，主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的焊缝及热影响区中。表3.4列出低合金高强度钢常用的焊接冷裂纹试验方法及其主要特点。这里介绍其中应用最多的几种试验方法。

①斜y形坡口焊接裂纹试验方法。

此试验方法在1984～2005年期间，曾作为国家标准来执行，对焊接科研和生产起到过重要作用。它主要用于评定碳素钢和低合金高强钢焊接热影响区的冷裂纹敏感性。

a.试件制备。

试件形状及尺寸如图3.5所示，由被焊钢材制成。板厚δ不作规定，常用9～38mm，坡口用机械切削加工。每一种试验条件要制备两块以上试件。两端各在50mm范围内施焊拘束焊缝，采用双面焊透。要保证待焊试验焊缝处有2mm装配间隙和不产生角变形。

b.试验条件。

试验焊缝用的焊条原则上与试验钢材相匹配，焊前严格烘干，根据需要可在各种预热温度下焊接。推荐采用下列焊接参数：焊条直径4mm，焊接电流（170±10）A，电弧电压（24±2）V，焊接速度（150±10）mm/min。用焊条电弧焊时，按图3.6所示施焊试验焊缝。用焊条自动送进装置施焊时按图3.7所示进行。只焊一道焊缝不填满坡口，焊后48h后才进行裂纹检测和解剖。

c.检测与计算。

用肉眼或手持放大镜来检测焊接接头的表面和断面是否有裂纹，并按下列方法分别计算表面、根部和断面的裂纹率。

•表面裂纹率Cf。如图3.8（a）所示，按下式计算。

式中　lf——表面裂纹长度之和，mm；

L——试验焊缝长度，mm。

•根部裂纹率Cr。用适当方法着色试件，然后把它位断或变断，按图3.8（b）测根部裂纹长度，按下式计算Cr。

式中　lr——根部裂纹长度之和，mm。

•断面裂纹率Cs。在试验焊缝上用机械加工等分地切出4～6块试样，检查5个横断面上的裂纹深度Hs，见图3.8（c），按下式计算。

式中　Hs——5个断面裂纹深度的总和，mm；

H——5个断面焊缝的最小厚度的总和，mm。

可以利用裂纹率进行焊接性能评定，对于低合金钢，一般认为表面裂纹率小于20％，用于生产是安全的，但不应有根部裂纹。

如果试验用的焊接参数不变，用不同预热温度进行试验，就可以测定出防止冷裂纹的临界预热温度，作为评定钢材冷裂纹敏感性指标。

此试验方法用料省，试件易加工，不需特殊装置，试验结果可靠。所以低合金钢多采用此方法评定其抗冷裂性能。其缺点是试验周期较长。

除斜y形坡口试件外，可以仿照此标准做成直Y形坡口的试件，用以考核焊条或异种钢焊接的裂纹敏感性，其试验程序以及裂纹率的检测与计算和斜y形坡口试件相同。

②插销试验法。

此法主要是测定钢材焊接热影响区对冷裂纹敏感性的一种定量试验方法。因试验消耗钢材少，试验结果稳定可靠，在国内外都广泛应用。我国曾制定过国家标准，即GB/T 9446《焊接用插销冷裂纹试验方法》。经适当改变，此法还可以用于测定再热裂纹和层状撕裂的敏感性。

a.基本原理。

插销试验是把被焊钢材做成直径为8mm（或6mm）的圆柱形试棒（即插销），插入与试棒直径相同的底板孔中，其上端与底板的上表面平齐。试棒的上端有环形或螺形缺口，然后在底板上按规定的焊接热输入熔敷一道焊缝，尽量使焊道中心线通过插销的端面中心。该焊道的熔深，应保证缺口位于热影响区的粗晶部位，如图3.9所示。在无预热条件下，焊后冷至100～150℃时加载；如有预热，则应高出初始温度50～70℃时加载。规定的载荷应在1min内，并在试棒冷却到100℃或高出初始温度50～70℃以前加载完毕。如有后热，应在后热以前加载。

在无预热条件下试验时，试棒载荷保持16h后不断裂即可卸载。如有预热或预热加后热，载荷至少要保持24h。

经几次调整后，即可得出试验条件下的“临界应力σcr”。改变含氢量，焊接热输入和预热温度，σcr值也随之变化。

b.试件制备。

插销试棒应从被试钢材或产品（轧材、锻件、铸件、焊缝、焊接构件）中制取，须注明插销相对金属纤维的取向和相对厚度方向的位置。插销试棒的形状如图3.10所示，各部位尺寸见表3.5。

对于环形缺口的插销试棒，缺口与端面的距离a应使焊道熔深与缺口根部所截的平面相切或相交，但缺口根部圆周被熔透的部分不得超过20％，如图3.11所示。对于低合金钢，a值在正常焊接参数下（E=15kJ/cm）为2mm。根据焊接热输入E的变化可按表3.6作适当调整。

底板材料应与被焊钢材相同或热物理常数基本一致。厚度为20mm，其形状和尺寸如图3.11所示。底板钻孔数小于或等于4个。位于底板纵向中心线上，孔间距为33mm。插销试棒在底板孔中的配合尺寸为。

c.试验程序。

检查插销试棒尺寸，特别是缺口尖端的圆角尺寸是否合格，将擂销试棒插入底板相应的孔内，使带缺口一端与底板表面平齐。按所选定的焊接方法，严格控制的焊接参数在底板上进行堆焊，焊接方向垂直于底板的纵向，并通过插销顶端的中心，焊道长度L为100～150mm。

应使用置于焊缝或焊接热影响区的热电偶测定热循环，并记录800～500℃的冷却时间t8/5，Tmax～100℃的冷却时间t100和500～100℃的冷却时间t5/1。测点的最高温度不得低于1100℃，通常测点位于插销两侧约20mm处，焊道下底板的盲孔端部上。盲孔一般为ф3mm。其深度为底板厚-a，如图3.12所示。

按前述的要求加载，插销可能在载荷持续时间内发生断裂，此时应记下承载时间。如未发生断裂，载荷应保持16h或24h。将试棒取下，用金相或氧化等方法检测缺口根部是否存在裂纹。

经多次改变载荷，就可求出在试验条件下不出现断裂的临界应力σcr。临界应力σcr可以用启裂准则，也可以用断裂准则，但应加以注明。根据σcr的大小，就可以相对比较材料抵抗产生冷裂纹的能力。

③拉伸拘束裂纹试验法。

拉伸拘束裂纹试验法又称TRC试验，它是一种大型定量评定冷裂纹敏感性的试验方法。其原理是采用恒定载荷来模拟焊接接头所承受的平均拘束应力。当试件焊接之后冷却到某一温度时，施加一拉伸载荷，并保持恒定，直至产生裂纹或断裂，以求得不产生裂纹的临界应力。

通过TRC试验，可以定量地分析高强度钢产生冷裂纹的各种因素，如化学成分、焊缝含氢量、拘束应力、预热、后热及工艺参数等，可以测出临界应力和裂纹的潜伏期。

图3.13为TRC试验机示意图，它包括拉力机、自动送进焊条机、应变仪、传感器、自动记录仪等，其吨位从2×105～3×107kN不等。试验用的试件形状和尺寸如图3.14所示。在试件两端各用6个高强度螺栓固定在试验机上。根据要求可做成不同形式的坡口，装配间隙为2mm。

试验时，首先将所用焊条烘干并测其含氢量。试件装到试验机上要控制好装配间隙，用选定的焊接参数（一般取电流为170A，电压为24V，焊接速度150mm/min）施焊。焊后冷至100～150℃时，施加拉伸载荷，并在试验过程保持恒定（一般为24h），直至发生裂纹或断裂。当拉伸载荷等于或小于某一数值时，就不再发生裂纹或断裂，此时的应力即为“临界应力”。用此评估该钢材的冷裂纹倾向大小。

④刚性拘束裂纹试验。

刚性拘束裂纹试验简称RRC试验，它是一种大型定量评定钢材冷裂纹倾向的试验方法。它的基本原理是：在焊接接头冷却过程中，靠自身收缩产生的应力为基础，模拟焊接接头承受外部拘束条件。试验过程中保持固定的拘束长度，就像两端被固定的接头一样，见图3.15。因此，在试件冷却过程中所产生的拘束反作用力，比较真实地反映焊接接头的受力状态。它比前述TRC试验的恒载拉伸更为完善，更接近实际情况。

（六）工程案例

案例（一）：两种不同牌号800MPa级高强钢焊接性试验比较

近十几年来，800MPa级高强钢已经越来越多地应用于大型压力管道、容器、储罐的制造，在保证结构安全的前提下，不但取得了较好的经济效益。也使一些原本要求极厚的钢板减薄，使难于加工成形或无法加工成形的结构变得较易加工或能够加工。国内由于受高强度钢焊接难度大、工艺复杂、易出现焊接缺陷等因素的影响，起步较晚。在高强钢特别是高强钢的宽厚板的一些技术指标，不可否认地与国外先进国家生产的高强钢还存在一定的差别。笔者在近十年的时间里，先后在多个不同的工程项目参加了日产SUM-ITEN780，国产WSD690E、SG780CFE、B800CF等几种不同牌号的800MPa级钢的焊接性试验、焊接工艺评定及实际应用施工。几种钢板均是调质状态供货，有很多相同之处，也存在一些不同的特点，但每个项目的钢板用量均较大，为800MPa级高强钢的焊接试验和施工积累了一定的经验。现将具有一定代表性的日产SUMITEN780和国产WSD690E钢的部分焊接试验及工程项目焊接施工中的异同进行分析比较，供此类钢板的生产者、使用者参考。

1.SUMITEN780、WSD690E两种钢板性能比较

（1）钢板的化学成分与冷裂纹敏感指数比较

钢材的裂纹倾向与钢材的化学成分密切相关，焊接性一般以碳当量Ceq高低衡量，冷裂倾向通常则以冷裂敏感指数Pcm大小衡量。两种钢板均在国内使用，执行我国相关标准，采购合同对钢板的化学成分要求也相同。钢板到货后分规格、批号、炉号进行了较大密度的抽样检验，抽样检测中发现两种钢板合金元素的含量差别较大。两种钢板的合金元素含量如表3.7所示，合金元素的比较见图3.16。用下列式（3.10）和式（3.11）分别计算的碳当量Ceq、冷裂敏感指数Pcm如表3.8所示。

①取多个样品中的最大值。

注：表中数值为万分含量。

碳当量：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15　　（3.10）

冷裂敏感指数：Pcm=C+Si/30+（Mn+Cr+Cu）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B（3.11）

从表3.7、表3.8和图3.16可以看出：①两种钢板现场抽样检测的化学成分以及Ceq、Pcm均符合合同要求，作为杂质存留的P、S含量远低于合同规定的要求，钢板质量优良。但SUMITEN780钢的Ceq值略高，主要是Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Nb含量高于WSD690E钢较多；②两种钢的C含量基本相等，SUMITEN780钢的Si、Mn、S、B的含量比WSD690E钢的含量低，其中S、B的含量不到WSD690E钢的一半。

（2）钢板的力学性能比较

两种钢板的现场抽样力学性能检查结果如表3.9、图3.17所示。从图表中可以看出，两种钢板的力学性能满足合同要求，SUMITEN780钢的δ5伸长率、-40℃横向冲击功略优于WSD690E钢。但WSD690E钢的抗拉强度、屈服强度略高，且具有相对明显一些的屈服点，屈强比σs/σb指标比SUMITEN780钢好。

注：SUMITEN780钢冷弯d=2a，WSD690E钢冷弯d=3a。

2.斜y形坡口焊接裂纹试验比较

（1）执行标准与试验条件

所有试验遵循（GB 4675.1）《焊接性试验　斜y形坡口焊接裂纹试验方法》标准，主要施焊条件基本相同。

试件尺寸200mm×160mm。焊接方法为焊条电弧焊。焊接电流170A，电压22～24V，速度150～155mm/min。焊后48h进行各裂纹率的检测。

（2）SUMITEN780钢的斜y形试验

试件δ=60mm，焊条牌号L-80SN。试验检测结果如表3.10所示。

（3）WSD690E钢的斜y形试验

试件δ=66mm，焊条牌号CHE807RH。试验检测结果如表3.11所示。

注：试样HS1～HS3根部裂纹率：刨铣后的PT检查中，发现线性缺陷存在，有长度但无深度，无法确定是焊缝与母材的尖角或是裂纹，按裂纹计。

3.工程应用与比较

（1）应用工程概况

日产SUMITEN780、国产WSD690E钢分别应用于山西西龙池和内蒙古呼和浩特抽蓄能电站的输水压力钢管项目。共同特点是电站水头高，钢管内水压力大，安装于洞内斜井，埋设于混凝土之中。工程均地处干燥寒冷的北方，施工跨越四季。焊接由同一个单位、同一批人员进行。800MPa级钢钢管的基本情况如表3.12所示。

（2）焊接规范基本参数

两种钢板分别用在两个不同的工程，但焊接方法与设备相同。制造焊接以埋弧自动焊为主、焊条电弧焊为辅，安装焊接全部采用焊条电弧焊。接头的坡口形式为非对称双V形坡口，背缝碳弧气刨清根。焊接工艺参数差异如表3.13所示。

注：“300％MT”指正缝表面、背缝清根、背缝表面各100％。

（3）操作工艺

工程应用焊接中，SUMITEN780钢及其配用的焊接材料的操作性比WSD690E钢及其配用的焊接材料在焊接的工艺性方面略优，主要表现在以下几个方面。

①SUMITEN780钢允许的线能量输入范围较大，便于焊接层道的布置、调整。

②允许的层间温度差较大，便于焊接过程中温度的控制。

③WSD690E钢焊接时熔池较浅，易出现夹渣缺陷。

④在WSD690E钢埋弧自动焊背缝第一层焊接时，因焊道深且窄，偶尔出现浅表性的结晶裂纹，未发现其他焊接裂纹，SUMITEN780钢焊接中未出现此现象。

⑤两种钢板在焊接中均出现过意外停电，无法进行层间保温和及时后热而产生冷裂纹，正常情况下均未发现焊接冷裂纹。总体而言，两种钢板的焊接性均较好，所应用的工程焊接质量优良，探伤一次合格率如表3.14所示。经生产性焊接试验验证，两种钢板的所有焊接接头的力学性能指标均符合设计要求。

4.结语

①两种钢板到货后的抽样检测结果符合我国GB/T 1591《低合金高强度结构钢》标准和供货合同的要求。实测SUMITEN780钢的伸长率、-40℃冲击功高于WSD690E钢。

②两种钢板含C量均很低且基本相等，SUMITEN780钢的Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Nb含量高，而Si、Mn、S、B的含量低，其中S、B的含量不到WSD690E钢的一半，Mn/S很大，对焊接裂纹的预防有利。

③钢板的焊接性。两种均具有较好的焊接性。只要工艺规范严格，便可得到高强度和高塑、韧性的焊接接头。

④WSD690E钢焊接热影响区软化现象比SUMITEN780钢明显。但钢板厚度δ与软化区的宽度HAZ之比数值很大，接头的失强率很小。实测接头的抗拉强度σb、屈服强度σs、-40℃横向冲击功均大于设计指标，且AkV具有足够的韧性储备。

⑤WSD690E钢焊接，为预防结晶裂缝的产生，需采取减小焊接的电流电压比，加大熔池的宽深比。这样，增加了焊接操作的难度，降低了焊接效率。

⑥国产800MPa级高强钢宽厚钢板价格为0.85万～1.05万元/t，而SUMITEN780钢在中国4个水电工程的平均报价已超过2500美元/t。由此看出，国产800MPa级高强钢板的性价比远高于SUMITEN780钢板。对于没有特殊要求的水电站引水压力钢管工程而言，是否有必要采购国外钢板，应该引起思考。

案例（二）：Q460E-Z35焊接性试验研究方案

目前，我国的钢结构行业进入了成熟期。进入成熟期的主要标志就是：一大批设计新颖、用料考究的钢结构工程应运而生。使我国钢结构产业出现了欣欣向荣、蓬勃发展的大好局面。典型工程：奥运、世博钢结构焊接工程及其配套钢结构工程的顺利建成、安全运营。以国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程顺利竣工并成功运营为例，“鸟巢”这一项世纪工程的顺利建成，极大地推动了我国的施工技术和钢铁产业的飞速发展。建成后三年，2010年国家体育场“鸟巢”钢结构焊接技术获国际焊接协会（IIW）“格瑞勒”大奖（UGOGuerrera Prize），标志我国的建筑钢结构焊接工程焊接施工技术进入世界先进行业。

现在回头看国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程，由于技术难度和规模空前，推行技术进步卓有成效，现在仍然在行业中起表率作用，很多技术在其他钢结构焊接工程中得到推广应用，Q460E-Z35焊接性试验研究技术也不例外，仍然具有参与应用价值。

1.Q460E-Z35焊接性试验、研究技术路线

①调查研究、搜集整理国内外对Q460E-Z35厚板的研究成果资料及工程实际应用情况，跟踪本课题技术领域国内外发展的动向，确保本项目研究的先进性和实用性。

②利用国内舞阳钢铁有限公司现有设备，通过成分设计及工艺控制措施，试生产出能够满足国家体育场钢结构工程用钢需求的Q460E-Z35级钢材。

③通过热切割、热矫正、焊接性试验和刚性接头试验等系列试验，对试生产的Q460E-Z35级钢材的焊接性进行系统研究，总结出一套适合Q460E-Z35厚板的热切割、热矫正及焊接技术，为国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板的热切割、热矫正及焊接提供指导性意见。

④结合焊接性的研究成果，通过一系列焊接工艺评定试验，总结出一套适用于国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板的焊接工艺参数，以指导国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板焊接施工。

2.主要研究内容与工艺评定试验

（1）主要研究内容

①Q460E-Z35热切割试验。

②Q460E-Z35热矫正试验。

③Q460E-Z35焊接冷裂纹敏感性试验研究。

④Q460E-Z35刚性接头试验研究。

（2）Q460E-Z35厚板焊接工艺评定试验

依据Q460E-Z35厚板热加工及焊接性试验研究的成果，结合国家体育场钢结构工程实际情况，通过系列的焊接工艺评定试验总结出满足Q460E-Z35厚板焊接的成套工艺参数。主要工作内容包括：

①Q460E-Z35+Q460E焊接工艺评定试验；

②Q460E-Z35+Q345GJD焊接工艺评定试验；

④Q460E-Z35+GS-20Mn5V（铸钢）焊接工艺评定试验。

具体技术路线见图3.18。

3.钢材焊接性试验和防止焊接冷裂纹焊接参数的确定

国外与Q460E-Z35同级别厚钢板一般采用控轧控冷工艺生产（TMCP），其碳当量可控制在0.4％以下，焊接性良好。但其强屈比和伸长率不能满足我国抗震设计规范和国家体育场钢结构工程关于Q460E-Z35厚板的力学性能要求。如德国迪林格钢铁公司生产符合EN10113标准的DILLIMAX460，其最大厚度80mm，其强屈比仅能保证≥1.1，伸长率仅保证≥17％；日本新日铁生产的BT-HT440，其屈强比及伸长率虽能满足要求，但其抗撕裂性能仅能保证Z25的要求。

由于当时国内钢厂尚不具备控轧控冷工艺生产100/110mm厚低碳当量高强度钢的能力，而Q460E-Z35正火钢的碳当量最高高达0.48％，在建筑钢结构工程中从未应用过，其焊接性特别是焊接冷裂纹敏感性评价将直接决定这种国产钢材能否批量生产并应用于国家体育场工程。而且，国家体育场工程工期紧迫，批量生产的钢材在施工应用中不允许出现焊接技术和质量上的反复，因此要求试验结果与评价绝对准确可靠。

国内外对低合金钢的焊接性评定和焊接参数的确定（t8/5、热输入、预热温度等）方法多种多样，理论计算公式不尽相同，而且计算结果与施工实际经验有较大差距，各种焊接性试验方法的评定结果也有较大差异。如何在短时间内得出准确可靠的评定结论，为设计选用和钢材订货提供决策依据，在实验研究方法选择的也是难题。

本次试验测试了Q460E-Z35厚板模拟焊接条件下连续冷却组织转变曲线图，根据其最佳t8/5，可计算最低预热温度，或以一定预热温度推算线能量，仅作为参考。主要采用热影响区最高硬度试验、焊接冷裂纹插销试验和斜y形坡口焊接裂纹试验三种国家标准试验方法对Q460E-Z35钢的焊接冷裂纹敏感性进行试验研究和评定，总共进行了34组试验。理论公式计算方法仅供比较不作为主要依据。Q460E-Z35钢焊缝要求-40℃冲击功AkV不小于34J（设计要求热影响区不小于27J），由于该钢种在建筑钢结构中尚未使用过，而且焊接方法种类多（手工焊、气保焊、埋弧焊），焊接操作位置包括平、横、立、仰，在满足低温冲击韧性要求的焊接材料选配以及焊接工艺参数的选用上均有相当难度且工作量大。

试验组调查了国内一流焊材生产厂，以强韧性、低氢兼顾匹配原则，先后选择了2种焊条，5种气保焊实心焊丝，4种药芯焊丝，2种自保护焊丝，4种埋弧焊丝与4种碱度（1.7、2.0、2.2、3.1）的焊剂进行熔敷金属性能初选，最后共选了1种焊条，2种气保焊实心焊丝，2种药芯焊丝（含Ni），2种埋弧焊丝（含Ni、Ti、B），2种焊剂（碱度1.7、3.1）进行了对接接头焊接工艺试验。

在操作手法上，借鉴压力管线施工经验并进行改进：立焊时严格控制焊枪摆动幅度，CO2焊控制在20mm范围内，手工电弧焊控制在3d（d为焊条直径）范围内，焊枪的倾角的限制为±30；H、F、O焊位禁止摆动焊接，单道焊缝厚度要求控制在5～6mm以内，以保证焊缝和热影响区的冷弯和冲击性能。

4.Q460E-Z35焊接性试验研究结果摘选

（1）钢材的复验

试验用钢板为舞阳钢厂生产，其化学成分和各项力学性能如表3.15～表3.17所示。

注：复验数据由国家建筑钢材质量监督检验中心提供。

注：Z向断面收缩率复验试件采用ф10mm的圆形试棒。

①取样方向为纵向。

（2）焊接材料选择原则

焊缝强度匹配系数是表明焊接接头力学非均质性的参数之一。当焊缝强度与母材强度之比大于1，称为超强匹配；等于1，称为等强匹配；小于1（最低0.86）称为低强匹配。对建筑钢结构工程，多采用等强或超强匹配。但是，近年来美日等国家从防止焊接冷裂纹角度考虑，对低强匹配焊接接头的组织性能进行大量研究。采用低强匹配焊材使焊接裂纹显著减小的经验在美日等国家得到大量采用，但主要是对于承受压应力的焊缝。而对于承受拉应力的焊缝，这方面的研究结果目前还分歧很大。

根据以往工程实践，本次试验在焊材选择时考虑采用强韧性、低氢兼顾匹配原则。手工焊条采用超强匹配，药心焊丝和实心焊丝CO2气体保护焊采用等强匹配。

根据设计对焊接接头的要求，考虑抗拉强度、塑性、韧性各项综合性能，提出了匹配焊接材料的性能要求，并以下述型号（牌号）的焊丝和焊条的实际试验结果作为选用依据。试验采用的焊接材料各项力学性能及熔敷金属扩散氢分别列于表3.18～表3.20。

注：1.以上数据摘自材质单。

2.“-G”提出的附加要求为-40℃冲击功≥34J，且气体保护焊保护气体为CO2。

3.带“*”者为试件经过620℃×1h热处理。

注：1.在进行焊接材料复验时，由于第一批复验结果中，实芯焊丝的冲击性能虽然满足设计要求，但数据偏低，因此又进行了再次试验，试验结果低于要求数值，为此又增选了两种实心焊丝进行第二批试验。

2.TM60焊材因产品质量不稳定，未采用。

（3）焊接冷裂纹敏感性试验

①碳当量。

采用国际焊接学会（IIW）推荐的钢碳当量公式计算：

Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15（％）

碳当量越高，则淬硬和冷裂倾向越大，焊接性就越差。一般认为，Ceq<0.4％者为焊接性良好；Ceq=0.4％～0.5％者，焊接性稍差，焊接时要采取适当的预热措施；Ceq>0.5％者为焊接性不好，必须采取有效的工艺措施才能防止冷裂发生。按照试验钢板的成分（实际复验值），用以上公式计算，其Ceq为0.47％>0.4％。因此，Q460E-Z35有产生焊接冷裂纹的倾向，在焊接时应采取适当的预热措施。

②焊接连续冷却组织转变图（CCT图）。

连续冷却组织转变图（CCT图），可以比较方便地预测焊接热影响区的组织性能和硬度，从而可以预测钢材在一定焊接条件下的淬硬倾向和产生冷裂纹的可能性，同时也可以作为调节焊接线能量、改进焊接工艺的依据。

根据焊接热模拟试验结果，Q460E-Z35钢的连续冷却组织转变（CCT）图如图3.19所示，其数据如表3.21所示。

③热影响区最高硬度试验。

焊接热影响区（HAZ）最高硬度试验方法主要以测定焊接热影响区的淬硬倾向来评定钢材的冷裂敏感性。试验按照（GB/T 4675.5）《焊接性试验　焊接热影响区最高硬度试验方法》的规定进行，将厚度为110mm的钢板经机械加工成20mm厚的试件，并保留一个原轧制面进行试验。根据实际施工的要求，试验分别采用手工焊条电弧焊和CO2气体保护焊两种焊接方法，具体焊接条件如下。

a.手工焊条电弧焊。

焊条：CHE557，焊条直径分别为ф4.0mm、ф3.2mm两种。

焊机型号：奥太逆变ZX7-400STG。

焊接工艺参数：见表3.22。

b.CO2气体保护焊。

焊丝：采用两种焊丝，TM60和TWE-81K2，焊丝直径ф1.2mm。

焊机型号：奥太逆变NBC-350。

CO2气体种类：普莱克斯产优等品（CO2≥99.9％、H2O≤50×10-6）。

CO2气体流量：25L/min。

焊接工艺参数：见表3.22。

c.预热条件。

预热方式采用热处理炉整体加热，为保证试件温度的均匀性，当炉温达到要求温度后至少保温0.5h。后热采用热处理炉加热，达到规定的后热时间采用岩棉包裹试件，经15.5h后拆开包裹，实测试件温度为125℃。

共进行了21组试验，不同焊接方法、材料种类规格所对应的预热温度及试件编号说明见表3.23。

硬度测试采用维氏硬度计，施加荷载为10kg，测点位置如图3.20所示，图中点是测定线与熔合线的切点，“O”点右侧为正，左侧为负。两测点之间的距离为0.5mm，试验结果列于表3.24，最高硬度试验曲线见图3.21。

常规焊接热输入常温下施焊的试件（1、6、11、16号试件）近热影响区最高硬度超过规程上限值（350），模拟定位焊热输入的试件（21号试件）热影响区的最高硬度达到了433HV10。当预热温度至少150℃后（2、7、12、17号试件），热影响区最高硬度下降至350HV10以下（最高值为333HV10）。

（4）斜y坡口焊接裂纹试验

斜y坡口焊接裂纹试验（小铁研）主要是评定焊接热影响区及焊缝金属产生冷裂纹的倾向性。试验按照GB 4975.1—84《焊接性试验　斜y坡口焊接裂纹试验方法》的规定进行。

①常温斜y坡口焊接裂纹试验。

试件板厚为110mm。试验条件如下：

a.SMAW。

焊条：CHE557，焊条直径ф4.0mm。

焊机型号：奥太逆变ZX7-400STG。

b.GMAW、FCAW-G。

焊丝：TM60、TWE-81K2，焊丝直径ф1.2mm。

焊机型号：奥太逆变NBC-350。

CO2气体种类：普莱克斯（CO2≥99.9％、H2O≤50×10-6）。

CO2气体流量：25L/min。

装配要求：试件坡口间隙为（2±0.2）mm，具体见图3.22。

预热条件：根据钢材最高硬度试验结果，第一批试验的预热温度确定为150℃、200℃、250℃三组，同时，在CO2气体保护焊250℃预热条件下加250℃×2.5h后热试件一组。预热方式采用热处理炉整体加热，为保证试件温度的均匀性，当炉温达到要求温度后至少保温2h。

检查要求：试验焊缝结束，经48h后，进行表面裂纹检查，每块均经发蓝处理后进行解剖观察断面裂纹状况。

焊接参数及试验结果见表3.25～表3.27。

注：后热采用热处理炉加热，达到规定的后热时间后采用岩棉包裹试件，经15.5h后拆开试件，实测温度为130～135℃。

注：1.后热采用热处理炉加热，达到规定的后热时间后采用岩棉包裹试件，经15.5h后拆开包裹，试件温度为135℃。

2.根据GB 4975.1—84《焊接性试验　斜y坡口焊接裂纹试验方法》的规定，裂纹率的计算不应包括焊缝引弧和收弧处的裂纹。

注：1.后热采用热处理炉加热，达到规定的后热时间后采用岩棉包裹试件，经16h后拆去包裹，实测试件温度为125～130℃。

2.根据GB 4975.1—84《焊接性试验　斜y坡口焊接裂纹试验方法》的规定，裂纹率的计算不应包括焊缝引弧和收弧处的裂纹。

从试验结果看出，各种试验方法绝大部分试验焊缝中心及热影响区未出现裂纹，其他短裂纹均出现在收弧弧坑处或焊缝中段。弧坑处裂纹主要是由于CO2气保焊保护罩直径较大，只能在坡口底部起弧、熄弧，无法将收弧焊缝按标准试验方法的要求引到坡口面上导致的。

考虑到实际施工焊接的预热条件，为了使试验条件更接近于实际施工并确保试验结果的可靠性，在第一批试验的基础上，增加了一组试验，该组试验预热条件改为火焰加热，其他焊接条件均与第一组相同，具体规定为：预热方式采用火焰加热，以正面加热为主、侧面加热为辅。预热温度手工焊条电弧焊为100℃、150℃，CO2气体保护焊的预热温度为150℃，当焊接正面坡口达到预热温度时，测量板厚方向中部及背面温度并记录温度差异，以便于分析试验结果并对实际施工的预热规定提供依据。

焊接参数及试验结果见表3.28～表3.30。

从以上斜y坡口抗裂试验结果看出，该钢材在所选用的焊材匹配时，不产生裂纹的最低预热温度为150℃，并且必须在厚度方向均衡达到预热温度。

②不同板厚的斜y坡口焊接裂纹试验。

为了探讨钢板厚度对斜y坡口焊接裂纹试验结果的影响，本课题分别采用不同厚度的钢板进行了对比试验，试验条件同上节焊条电弧焊试验，试验结果如表3.31所示。

从以上斜y坡口裂纹试验结果可以看出，不同板厚不产生裂纹的最低预热温度均为150℃。

③低温环境斜y坡口焊接裂纹试验。

在第一批试验的基础上，增加了一组试验，该组试验预热条件改为火焰加热，其他焊接条件均与第一组相同，具体规定为：预热方式采用火焰加热，以正面加热为主、侧面加热为辅。预热温度手工焊条电弧焊为100℃、150℃，CO2气体保护焊的预热温度为150℃，当焊接正面坡口达到预热温度时，测量板厚方向中部及背面温度并记录温度差异，以便于分析试验结果并对实际施工的预热规定提供依据。

考虑到工程冬季施工的需要，本课题在常温试验结果的基础上增加了2组低温试验。

为简化试验，我们可以使用30mm厚的钢板来代表厚板（>30mm）进行试验，以确定最低预热温度。

试件板厚为30mm，环境温度为-16℃，试验条件同常温手工电弧焊试验，试验结果如表3.32所示。

注：用110mm厚板去除上下面得试验板厚，焊后直接空冷。

由以上试验结果可以看出，低温环境（-16℃）焊接时，不产生裂纹的最低预热温度仍为150℃，与常温条件下的相同。

（5）焊接冷裂纹插销试验

①试验条件。

试验材料：Q460E-Z35（国产）。

焊接材料：CHE557（ф4mm）。

试验标准：插销冷裂纹试验GB 9446《焊接用插销冷裂纹试验方法》。

试验温度：预热150℃、200℃、250℃。

试验准则：断裂准则。

②试样的制取。

插销的外形如图3.23所示。

底板选用Q235A普通碳素结构钢，底板的尺寸为300mm×200mm，厚度为20mm。底板钻空数小于或等于4，位置处于底板纵向中心线上，孔的间距为33mm。插销试样和底板的制备严格按照GB 9446的要求进行。

③焊接。

焊接方法为手工电弧焊，焊接规范如表3.33所示。

注：焊条烘干条件为350℃×1.5h。

焊接时，在底板上熔敷一焊道，使焊道中心线通过插销端面中心。控制焊接过程符合焊接规范的要求，确保焊道的熔深适宜以保证缺口位于该焊道热影响区的粗晶区中。

④试验结果。

a.预热150℃的试验结果。

在预热150℃的试验条件下，采用手工电弧焊进行插销冷裂纹试验的试验结果。该种钢材临界断裂应力620MPa。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为400MPa，抗拉强度为560MPa。因此该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感，具有良好的抗裂性。

b.预热200℃的试验结果。

在预热200℃的试验条件下，采用手工电弧焊进行插销冷裂纹试验，结果表明该种钢材临界断裂应力850MPa。该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感，具有良好的抗裂性。

c.预热250℃的试验结果。

在预热250℃的试验条件下，采用手工电弧焊进行插销冷裂纹试验结果。结果表明该种钢材临界断裂应力1050MPa，该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感，具有良好的抗裂性。

d.预热温度对临界断裂应力的影响。

随预热温度的增加，断裂应力呈线性增加。预热温度越高，临界断裂应力越大。试验结果表明，预热150℃以上的断裂应力均大于屈服载荷，因此本材料具有良好的抗裂性。

e.结论。

·国产Q460E-Z35钢在预热150℃情况下采用手工电弧焊，其插销冷裂纹试验的临界断裂应力为620MPa，该材料对冷裂纹不敏感。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为400MPa，抗拉强度为560MPa。因此该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感，具有良好的抗裂性。

国产Q460E-Z35钢在预热200℃情况下采用手工电弧焊时插销冷裂纹试验的临界断裂应力850MPa，该材料对冷裂纹不敏感。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为400MPa，抗拉强度为560MPa。因此该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感，具有良好的抗裂性。

国产Q460E-Z35钢在预热250℃情况下，采用手工电弧焊进行插销冷裂纹试验，结果表明该种钢材临界断裂应力1050MPa。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为400MPa，抗拉强度为560MPa。因此该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感，具有良好的抗裂性。

国产Q460E钢的插销断裂应力随预热温度的增加呈线性增加。预热温度越高，临界断裂应力越大。最低预热温度有两种计算方法，下面分别进行介绍。

最低预热温度理论计算法一：

用以下公式计算t8/5

式（3.12）中，各参数取值见表3.34。

手工电弧焊t8/5=7.5s，从焊接连续冷却图查得439HV。

GMAWt8/5=10.8s，从焊接连续冷却图查得410HV。

说明用正常焊接线能量，150℃预热温度，计算的焊缝硬度值太高，应采用更高的预热温度（计算约为350℃），显示此计算方法所得结果与热影响区最高硬度试验和斜y坡口焊接裂纹试验的结果相差太大，与插销试验更无可比性。

最低预热温度理论计算法二：

用以下公式计算最低预热温度T0。

T0=1330Pw-380　　（3.13）

其中，Pw=Pcm+［H］/60+t/600

t=110mm，根据检测结果取［H］=1.5mL/100g（已换算为甘油法）。

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B（3.14）

计算结果：

试生产炉号：CE=0.45％，T0=240℃；

05101306N炉号：CE=0.48％，T0=273℃。

此计算结果也比热影响区最高硬度试验和斜y坡口焊接裂纹试验的最低预热温度150℃的结果保守得多。

根据上述焊接冷裂纹敏感性试验及理论计算结果，得到如下结论。

国家体育场钢结构工程用Q460E-Z35厚板由于碳当量较高，厚度大，而且钢结构工程节点复杂、刚性大，对小线能量焊接和快速冷却比较敏感，因此应以最高硬度试验和斜y坡口焊接裂纹试验的结果为依据，以150℃为最低预热温度并均衡预热，且选择抗裂性好的焊接材料进行焊接。

最高硬度试验和斜y坡口焊接裂纹试验的评价是一致的，且与AWSD1.1附录XI中用氢含量控制法（表XI-1，2）所查得的最低预热温度一致。而焊接冷裂纹插销试验的评价冷裂敏感性较低，与实际钢种的碳当量存在较大的差距，本工程不以此作为施工指导参数。不同试验方法的差别未列入本课题的研究内容。

鉴于理论计算最低预热温度偏高，本工程Q460E-Z35钢板焊接最低预热温度不采用理论方法计算结果。

5.结语

在焊接系统工程主要工作中，首要的是新钢种的焊接性试验，这是一项具有一定风险、较高技术难度的研究性试验工作。这项工作的难处不仅是职责的划分，担任焊接性试验单位责任的确定，还涉及焊接性试验的具体方法和有机组合。对国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程而言，急需研究出一整套工期短、成本低，能准确揭示Q460-Z35钢焊接性的试验方法和试验技术。同时还要针对个别试验方法和技术进行改良，比如斜Y试验。由此，更加大了Q460E-Z35钢材可焊性的试验风险和难度。

国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程获得极大成功的事实证明：Q460E-Z35钢材焊接性试验方法和技术组合是正确的，焊接性试验结果是准确可靠的。这一个研究试验工作的成功，不仅解决了国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程的难题，而且为焊接应用技术理论的发展作出了较大的贡献，同时本章所推荐的这份资料也将为后续工程提供难得的参考资料，成为我国焊接界的共同财富。