• 作者：王东坡，吴世品，李午申　　
• 出处：《焊接学报》，2021，42 (08) 　　
• 主题：高强钢焊接工艺、韧性控制、冷裂纹防治
• Q690 调质型高强钢厚板广泛应用于重型厂房、工程机械、超高层巨型钢柱等承重钢结构，板材厚度增大后淬硬倾向显著提升，焊接接头易产生冷裂纹、热影响区韧性大幅衰减等缺陷，直接降低结构承载与抗震安全储备。本文选用工程常用 40mm 厚度 Q690 钢板为试验母材，围绕预热温度、焊接热输入、配套焊材、层间温度四大关键工艺参数设计多组对比焊接试验；通过硬度检测、低温冲击韧性试验、光学金相观测、斜 Y 形坡口焊接冷裂纹试验，系统分析不同工艺条件下焊缝、熔合线、粗晶热影响区的组织演变、硬度分布与低温冲击功变化规律；量化判定预热温度、热输入量对冷裂纹萌生概率、接头低温韧性的调控作用，明确可同时满足防裂与韧性要求的工艺参数区间；针对厚板多层多道焊提出优化焊接操作方案，完善层间控温、后热消氢成套工艺措施；总结厚板焊接热影响区脆化机理与组织调控思路，形成适配大厚度 Q690 高强钢的标准化焊接工艺体系，为重型钢结构厚板现场焊接施工、焊接工艺评定提供完整试验依据与实操控制标准。

一、研究背景与研究意义

Q690 属于低合金调质高强钢，依靠淬火加回火热处理获得高强度，同等承载力下可大幅缩减构件截面，实现钢结构轻量化、降碳减材。在重型工业支架、风电塔筒、超高层钢管混凝土巨柱等工程中，常采用 30～60mm 厚钢板加工构件。

该类厚板焊接存在两大突出工程难题：一是钢材碳当量偏高，焊接冷却过程极易形成高硬度淬硬马氏体组织，在扩散氢与焊接残余拉应力共同作用下诱发延迟冷裂纹，裂纹隐蔽性强，服役阶段持续扩展易引发构件突发性断裂；二是厚板焊接热传导慢、热输入累积大，粗晶热影响区晶粒异常粗大，低温冲击韧性显著下降，高烈度地震、低温严寒地区结构存在脆性破坏风险。

当前施工现场焊接工艺选取多依靠经验，预热温度、热输入、后热制度缺少量化试验支撑，工艺参数把控失衡极易同时出现裂纹与韧性不达标双重问题。现有研究多针对薄板开展试验，针对 40mm 及以上大厚度 Q690 钢板的系统性工艺对比研究不足。基于工程实际需求，本文开展多变量焊接对比试验，厘清工艺参数对接头组织与力学性能的影响规律，建立兼顾防裂与韧性的标准化焊接控制方案。

二、试验材料、试件制备与检测方案

（一）试验母材与焊接耗材

试验母材为 40mm 厚工程通用 Q690 调质钢板，检测实测碳当量、屈服强度、抗拉强度、常温与 - 20℃低温冲击韧性；配套选用两类低氢型高强匹配焊材开展对照：实芯气体保护焊丝、低氢碱性焊条，两类焊材均严格控制扩散氢含量，降低冷裂纹生成基础条件。

（二）试验变量设计

设置多梯度对照变量，覆盖现场施工常见参数范围：

1. 预热温度：不预热、80℃、120℃、160℃、200℃五组梯度；
2. 焊接热输入：小、中、大三档热输入，匹配多层多道埋弧焊、手工电弧焊两种工艺；
3. 层间温度：控制区间 80～250℃分档管控；
4. 后热消氢处理：保温 250℃持续 1h、2h 两组对比，同步设置无后热对照组。

（三）全套检测试验手段

1. 斜 Y 形坡口焊接冷裂纹试验：定量统计不同预热条件下焊缝根部、熔合线冷裂纹率，判定防裂最低预热阈值；
2. 维氏硬度测试：沿焊缝、熔合区、粗晶热影响区、细晶区、母材连续打点检测硬度，明确淬硬组织分布范围；
3. 低温冲击韧性试验：制取 V 型缺口冲击试样，试验温度 - 20℃，测定各区域冲击功，评估接头抗脆断能力；
4. 金相显微观测：观察不同工艺下热影响区晶粒尺寸、马氏体 / 贝氏体组织占比，揭示韧性优劣微观机理；
5. 外观与无损探伤：焊后外观检查 + 超声波探伤，统计微裂纹、夹渣、未熔合缺陷出现概率。

三、工艺参数对焊接接头性能的影响规律

（一）预热温度对冷裂纹与硬度的控制作用

1. 无预热 / 低温预热（80℃及以下）：焊缝冷却速度快，热影响区大量生成高硬度马氏体，斜 Y 形试验裂纹率接近 100%，接头最高硬度远超规范安全限值，延迟冷裂纹风险极高；
2. 预热 120～160℃区间：钢板整体冷却速率放缓，淬硬组织占比大幅下降，扩散氢有充足时间逸出，冷裂纹基本完全消除，接头硬度回落至安全区间；
3. 预热温度超过 200℃：完全杜绝冷裂纹，但长时间高温会造成热影响区晶粒过度粗化，低温冲击功明显下降，出现接头韧性劣化问题，同时增加施工能耗与工期成本。试验得出最优预热温度区间 120～160℃，平衡防裂需求与接头低温韧性。

（二）焊接热输入双重影响机理

1. 低热输入焊接：冷却速度快，淬硬倾向提升，冷裂纹风险上升，但热影响区晶粒细小，低温韧性相对优良；
2. 大热输入焊接：冷却放缓可抑制马氏体生成，降低裂纹风险，但高温停留时间过长，粗晶区晶粒急剧长大，冲击韧性大幅衰减；工程推荐中等热输入区间，多层多道分层施焊，单道焊接热输入不宜过大，避免单道厚焊造成晶粒粗化。

（三）层间温度管控要求

多层多道厚板连续焊接时，层间温度不可低于最低预热温度，防止后续焊道冷却过快诱发局部淬硬；同时层间温度不宜高于 250℃，持续高温累积会持续粗化晶粒，弱化接头抗冲击能力，现场采用测温枪实时监控，超温暂停施焊自然降温至允许区间再继续焊接。

（四）后热消氢工艺防裂效果

焊后及时 250℃保温 1h 及以上后热处理，可加速焊缝与热影响区内部扩散氢向外逸散，大幅消除延迟冷裂纹隐患；无后热工艺下，即使满足预热要求，厚板内部氢聚集仍会在焊后数小时至数天出现隐蔽延迟裂纹；对于低温严寒地区、受动荷载关键承重构件，强制要求焊后立即开展消氢后热。

四、Q690 厚板焊接热影响区脆化微观机理

金相观测结果显示，接头性能薄弱区域集中在粗晶热影响区：

1. 预热不足、低热输入条件：组织以高硬度片状马氏体为主，塑性极差，冲击功低，极易萌生裂纹并快速扩展；
2. 热输入过大、高温预热超温：奥氏体晶粒急剧粗化，冷却后形成粗大贝氏体 + 少量马氏体混合组织，晶界成为裂纹扩展通道，低温冲击韧性显著降低；
3. 120～160℃适中预热 + 中等热输入工艺：热影响区以细小针状贝氏体为主，硬度适中，兼具抗裂能力与优良低温韧性，是理想微观组织形态。多层多道焊后续焊道的回火作用可细化前道粗晶组织，适当改善接头整体韧性，因此厚板严禁单道一次填满坡口。

五、适配 40mm 级 Q690 厚板成套标准化焊接工艺

1. 焊材选型：选用超低氢碱性配套焊材，焊材使用前按规范高温烘干、保温存放，杜绝水分带入增加扩散氢含量；
2. 预热管控：板厚 40mm Q690 钢板整体预热 120～160℃，坡口两侧各延伸不小于 3 倍板厚范围同步加热，避免局部温差；低温环境施工预热温度上调至 160℃；
3. 焊接操作：采用多层多道窄道焊，严控单道热输入，道间清理焊渣，实时监测层间温度维持 80～250℃；
4. 焊后处理：施焊完成后立即进行 250℃保温 1h 消氢后热，保温完成后缓慢冷却，禁止吹风、浇水快速降温；
5. 质量检测：焊后静置 24h 待扩散氢充分逸出后再开展超声波无损探伤，排查延迟冷裂纹。

六、当前 Q690 厚板焊接现存工程短板

1. 施工工艺管控难度大：预热、层间温度、后热多道工序需同步把控，现场人工测温易出现管控疏漏，诱发裂纹或韧性不足；
2. 低温、动载工况适配性差：严寒地区、承受往复地震、疲劳荷载的构件，常规工艺接头冲击储备不足；
3. 厚板多层焊变形控制复杂，残余应力集中叠加淬硬组织，进一步放大裂纹扩展风险；
4. 中小加工厂热处理、测温配套设备不足，难以稳定执行消氢后热工艺。

七、论文核心研究结论与工程应用价值

1. 40mm 厚 Q690 高强钢厚板淬硬倾向高，冷裂纹是焊接首要风险，预热温度、焊接热输入、层间温度、焊后消氢后热是决定接头抗裂性能与低温韧性的四大核心工艺参数，参数区间失衡会同步出现裂纹、韧性劣化两类缺陷；
2. 最优施工工艺窗口为预热 120～160℃、中等焊接热输入、层间温度 80～250℃、焊后 250℃保温 1h 消氢处理，该参数区间可彻底抑制延迟冷裂纹，同时保证热影响区具备合格低温冲击韧性；
3. 低热输入易诱发淬硬马氏体提升裂纹风险，过大热输入会造成热影响区晶粒粗化、接头低温脆化，厚板优先采用多层窄道焊接，利用后续焊道回火作用优化组织性能；
4. 粗晶热影响区是 Q690 厚板接头力学薄弱区域，微观组织形态直接由焊接热循环参数决定，可通过标准化温控工艺实现组织调控；
5. 本文通过多组对比试验确定的成套焊接工艺参数、层间与后热管控细则，可直接用于重型钢结构 Q690 厚板焊接工艺评定、现场焊接施工管控，为超高层巨柱、重型工业支架等高强钢厚板构件焊接质量控制提供完整试验支撑。