Q420B钢板对接焊工艺探讨

施志强

摘 要：目前，Q420B高强钢已经广泛应用于输电线路铁塔中，而Q420B高强钢的焊接工艺还不成熟、不规范。以Q420B钢板对接焊为例，通过阐述Q42B钢板对接焊的过程，为Q420B鋼板的对接焊和Q420B高强钢的焊接工艺提供了参考依据。

关键词：Q420B钢板；对接焊；焊接工艺；焊接性

中图分类号：TU758.16 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.123

近年来，由于我国南方地区的自然灾害不断，对输电线路铁塔造成了严重的损坏，而且我国电力事业正朝着能源节约型方向迅猛发展。因此，Q420B高强度钢开始被应用于输电线路铁塔中。Q420B高强度钢是一种刚被引入输电线路铁塔行业中的新型钢种，目前其焊接工艺还很不成熟。在输电线路铁塔加工中，焊接是一道非常重要的工序，而焊接件则往往是铁塔中受力比较大的关键联接构件。这些焊接件往往会因焊接质量问题，使其机械性能下降，出现裂纹，甚至开裂，进而会给电网带来很大的损害。为此，本文就Q420B钢板对接焊进行了探讨。

1 Q420B钢板的焊接性分析

由于在铁塔中，420B钢板焊接要求很高的强度、硬度、耐磨性和机械性能，所以我们首先对其焊接性能进行分析。Q420B的化学成分如表1所示。

表1 Q420B的化学成分

牌号 化学成分（质量分数）/（%）

C Mn Si S P

Q420B 0.17 1.44 0.27 0.006 0.011

从表1可以看出，Q420B钢板作为母材，其含碳量较高，且含有大量合金元素，我们根据国际焊接协会（IIW）推荐的碳当量（CET）计算公式来计算这一钢板的焊接性能：

CET=C+（Mn+Mo）/10+（Cr+Cu）/20+Ni/40（%）.

（1）

计算可得Q420B的CET=0.314%.而根据表2，我们可以看出Q420B的焊接性能不良。

表2 按碳当量钢的可焊性分类

碳当量 可焊性 碳当量 可焊性

<0.25% 优良 0.35%～0.45% 尚好

0.25%～0.35% 较好 >0.45% 不良

>0.60% 必须采取一定的焊接工艺措施

综合上述数据和零件本身的刚性（厚度16 mm），我们可以得出：Q420B板淬硬倾向较为严重（C、Cr均是淬硬性元素），焊接性不良，且其焊接性的主要内容就是防止裂纹和内部缺陷的产生。要取得满意的拼接效果，我们既要合理选择焊接材料，又要制订相应的焊接工艺措施。

2 焊接材料的选择

2.1 过渡层材料的选择

因母材有较强的淬硬倾向，焊接过渡层是必不可少的，它是拼接成功与否的关键一环。选择过渡层材料的原则是：焊材的含碳量要低，塑性要好。因此我们选用了抗裂性较好的低氢型焊条纯铁焊条J350，成功地解决了过渡层产生裂纹的难题。

2.2 工作层材料的选择

由于这类焊接板表面要承受着较大的载荷，因此要求其表面具有较高的强度、硬度和耐磨性。但此对接缝只是连接焊缝，并非工作焊缝。基于这个前提，我们选择了ER55-G气保焊丝，取得了满意效果。

3 焊接工艺

3.1 焊前准备

3.1.1 坡口的制备

由于Q420B的淬硬倾向极为严重，为了防止坡口制备过程中淬硬层和微细裂纹的出现，我们采用机加工方式制备坡口，如图1所示。

图1 坡口示意图

3.1.2 坡口区域的清理

对坡口区域进行全面、彻底的清理，保证焊缝坡口处平整、无毛刺、无裂纹、无气割熔瘤、夹层等缺陷，清除影响焊缝质量的附着物存在，例如油、锈、氧化皮等。

3.1.3 装配对接

装配对接要求两板之间不留间隙，且坡口板厚方向无错边，装配点焊要求预热50～80 ℃后实施，且定位焊焊缝不宜超过设计焊缝的2/3（但要有一定的厚度），定位焊长度宜为30～50 mm，间隔不宜超过600 mm，以保证接头有一定的刚性，在翻身施焊过程中不至于开裂。

3.1.4 防变形措施

为保证钢板拼接完成后角变形不会超差，且机械矫正角变形不易引起焊缝开裂，我们除采用交错翻身施焊的方法外，特别采用了刚性固定法，沿焊缝方向每隔400 mm点焊一工艺“码子”，如图2所示。

3.1.5 焊条在焊前除氢

氢对焊接质量是非常有害的，它使焊接冷裂纹具有延迟性。而焊接时，氢主要来源之一是焊接材料—焊条。因此，在焊前要对焊条进行烘干去氢处理，即在350 ℃下烘干1 h。

3.2 焊前预热

预热是指在焊接开始前对焊件的全部（或局部）进行加热的工艺措施。预热的目的是减少焊接区和结构整体的温差，温差越小，越能使焊缝区和结构整体尽可能地均匀冷却，从而减小内应力，对于易裂的母材和刚性大的焊件，常采用此法。

根据SMS DEMAG公司沿用的SN200标准，焊前预热温度视母材材料分析而定，与母材碳当量相关，其预热温度（TP）的推荐计算公式如下：

由此可计算出Q420B的最佳预热温度在85 ℃左右，因此我们采用远红外线履带片加热器辅以氧-丙烷加热坡口区域至80 ℃后开始施焊。

4 施焊

在焊接过程中，由于对焊缝加热时间过长，连续焊往往造成较大的变形，所以我们采用分段退焊法，使局部焊缝造成的变形适当减小或相互抵消，从而达到减小总体变形的目的。

另外，焊缝区金属由于在冷却收缩时受阻会产生拉伸应力，在层道焊后冷却的过程中，可用渣锤或风铲敲击焊缝金属（为防止产生裂纹，敲击应在焊缝塑性较好的热态下进行），促使焊缝金属产生塑性变形，以抵消焊缝的一部分收缩，从而起到阶段性减小焊接应力的作用。焊接过程及焊接规范如表3所示。

5 层间温度的控制

保证一定的层间温度，可以使熔池中的气体充分析出，杂质元素偏析分散，不会呈集中连续状，同时后焊焊道对前一焊道及其热影响区进行再加热，使再加热区的组织和性能发生变化，形成细小晶粒，塑性韧性得到改善。因此，我们通过采用连续施焊和相关保温措施，使层间温度一直保持在250 ℃左右。

6 后热保温（时效）

加热至80～200 ℃，保温5～20 h或更长时间，然后空冷，称为时效处理。施焊完毕后，对对接缝采用这种处理方式，达到了稳定组织尺寸、消除残余应力、消除氢脆倾向的良好效果。

7 结束语

通过以上一系列工艺措施的严格执行，Q420B钢板对接缝无裂纹出现，且对接缝错边小于2 mm。Q420B钢板的成功对接焊为高强度钢材的施焊提供了比较规范、成熟的焊接工艺。

〔编辑：王霞〕