技术前沿

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：预热温度：不预热、80℃、120℃、160℃、200℃五组梯度；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；层间温度：控制区间 80～250℃分档管控；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；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；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；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；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；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；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；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：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；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；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；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℃；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℃；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；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；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；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；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；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；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；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；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。

作者：钟国辉、石永久、王立军等　　 出处：《钢结构》2026 年第 2 期（v.41, No.326）　　 主题：超高强钢设计方法、稳定与连接、本构模型、规范编制 期刊阅览链接：http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgS25110701当前国内现行钢结构规范仅覆盖屈服强度 690MPa 及以下钢材，缺少 Q890、Q960 超高强钢配套设计计算、构造与抗震条文，严重制约轻量化高强钢在超高层、大跨度场馆、重型工业建筑的标准化落地应用。本文依托中国钢结构协会团体标准《690 至 960MPa 高强钢结构设计标准》完整编制过程，系统梳理标准研发全流程核心关键技术；以国产 Q690、Q890、Q960 调质高强钢海量试验数据库为基础，建立适配超高强钢材的单调、循环滞回双套材料本构模型；重新界定板件宽厚比分级阈值、轴压 / 压弯构件整体稳定系数曲线，修正焊接残余应力、初始缺陷对承载力的折减计算方法；针对焊接接头、大规格高强螺栓干式连接、梁柱刚接节点开展承载力与延性分级，明确不同强度钢材连接构造限值与抗力分项系数；构建分层级抗震性能化设计体系，区分 Q690 与 Q890/Q960 钢材弹塑性分析适用边界；同步对比欧盟 EN1993 系列规范设计逻辑，完成中外标准计算体系对标与本土化适配优化；针对材料冶炼、焊接施工、耐久性、防火验算配套补充专项控制条款。文章完整剖析超高强钢标准编制中的技术难点与解决路径，可为结构设计人员规范应用 690~960MPa 高强钢、后续国家规范修订、超高强钢成套技术研发提供体系化理论与试验支撑。一、研究背景与标准编制立项意义建筑轻量化、双碳低碳转型推动 690~960MPa 高强钢快速普及，同等承载力下相较 Q355 钢材可削减 30% 以上用钢量，大幅降低建材隐含碳排放。但现有国标《钢结构设计标准》GB 50017、行业标准 JGJ/T 483 仅针对≤690MPa 钢材，存在多重技术空白：材料层面：缺少超高强钢循环滞回本构、低温 / 高温力学衰减量化模型，无法支撑弹塑性抗震数值分析；构件稳定层面：原有宽厚比、稳定系数曲线基于普通钢材标定，超高强钢屈强比高、塑性储备低，直接套用会高估承载力，存在安全隐患；连接节点层面：焊接热影响区脆化、高强螺栓滑移、端部撕裂缺少专属折减公式，节点构造无统一标准；抗震层面：Q890/Q960 钢材塑性变形能力极弱，无法照搬常规钢框架塑性耗能设计思路，无分级性能目标管控要求。为此中国钢结构协会牵头，联合清华大学、香港理工大学、钢企、设计院、施工单位组建编制组，整合近十年国内足尺试验成果，参考欧洲钢结构规范体系，编制专用团体标准。本文作为标准编制综述，完整拆解全部核心攻关技术，填补超高强钢规范编制系统性研究空白。二、标准编制第一大核心技术：690~960MPa 高强钢材料本构与材料性能指标体系（一）静力单调拉伸本构模型超高强钢无明显屈服平台，采用 0.2% 残余应变定义屈服强度；屈强比随强度提升持续升高，Q960 钢材断后伸长率显著低于 Q690。编制组基于上千组母材拉伸试验，建立分段式多折线本构，区分弹性段、强化段、软化断裂段，给出不同板厚、热处理工艺的强度、伸长率标准限值，纳入标准材料章节强制指标。（二）地震往复荷载滞回本构模型常规随动强化模型难以复现超高强钢循环硬化、后期承载力快速跌落特征。编制组提出改良混合强化滞回本构，区分 Q690、Q890、Q960 三组参数：Q690：具备一定循环塑性变形能力，可用于整体弹塑性时程分析；Q890、Q960：循环加载下塑性发展极有限，标准限定仅可采用弹性整体计算，塑性耗能构件必须搭配低屈服支撑、外置阻尼配件。（三）多环境耦合材料性能控制条款低温韧性：明确不同厚度钢材韧脆转变温度，严寒地区限定最高使用板厚；高温抗火：建立 690~960MPa 钢材高温强度、弹性模量折减曲线，配套防火涂料厚度修正计算方法；焊接配套指标：统一碳当量、冷裂纹敏感指数 Pcm 限值，划分不同板厚预热、后热工艺最低要求，写入标准施工配套附录。三、标准编制第二大核心技术：构件稳定与截面设计修正方法普通钢材稳定计算体系不适用于超高强钢，编制组通过大量短柱、压弯构件试验，完成全套稳定计算体系重构。（一）板件宽厚比全新分级限值超高强钢板件易发生局部屈曲，原有宽厚比限值大幅放宽，标准重新划分 S1~S4 四级截面：S1 全塑性截面：仅 Q690 薄板可实现，允许截面塑性内力重分布；S2~S4 截面：Q890、Q960 仅能达到弹性截面，禁止采用塑性设计。同步给出焊接工字形、箱型、圆管截面专属宽厚比计算公式。（二）轴心受压构件稳定系数曲线考虑超高强钢焊接残余应力幅值更大、初始缺陷敏感度更高，回归生成 690、890、960MPa 三条独立稳定 φ 曲线，区分轧制截面、焊接截面两类工况，替代原规范单一曲线。（三）压弯构件承载力交互计算公式原有压弯相关方程基于普通钢材塑性储备推导，对超高强钢偏不安全。编制组结合数百组压弯构件试验数据，修正弯剪轴力耦合交互系数，区分平面内、平面外稳定验算两套公式。（四）残余应力简化计算模型实测显示同等板厚下超高强钢焊缝残余拉应力接近母材屈服强度，标准给出焊接 H 型钢、箱型截面残余应力简化分布模型，用于稳定承载力数值校准。四、标准编制第三大核心技术：焊接、螺栓连接与节点成套设计规定节点是超高强钢结构薄弱环节，编制组分焊接连接、高强螺栓连接、梁柱节点三大板块建立完整设计条文。（一）焊接接头设计关键规定母材匹配焊材分级：Q690、Q890、Q960 对应不同强度超低氢焊材，严控扩散氢含量；接头承载力折减系数：粗晶热影响区韧性衰减，对接、角焊缝承载力引入专属折减系数；厚板焊接强制工艺条款：厚度≥30mm 超高强钢强制预热、焊后消氢后热，纳入标准强制性条文。（二）大规格高强螺栓干式连接接触面抗滑移系数分级：超高强钢板喷砂、抛丸处理摩擦系数低于普通钢材，给出修正取值；端部撕裂、孔壁承压验算：超高强钢孔边应力集中显著，扩孔、边距端距限值严格收严，新增承压承载力折减公式；抗震工况螺栓预拉力、滑移控制指标。（三）梁柱节点抗震分级设计全焊接刚性节点：塑性变形集中于焊缝热影响区，纯超高强钢节点滞回耗能差；端板螺栓节点：优化端板厚度、加劲肋布置，避免端板提前撕裂；标准推荐韧性构造方案：主体采用 Q890/Q960 高强钢承重，梁端设置狗骨削弱段、外置摩擦阻尼、BRB 支撑，将塑性损伤转移至可拆卸配件，保护高强钢主体构件。五、标准编制第四大核心技术：分层级抗震性能化设计体系结合超高强钢塑性能力差异，建立差异化抗震管控逻辑，为标准抗震章节核心创新点：多遇地震（小震）：所有 690~960MPa 高强钢构件全部保持弹性，无塑性损伤；设防地震（中震）分级管控：罕遇地震（大震）：六、中外标准对标与本土化适配关键处理编制组系统对比欧洲 EN 1993-1-1 高强钢设计体系，兼顾国际互通与国内工程实际，完成双向适配优化：吸收欧标优势：采用截面宽厚比分级、极限状态分项系数设计逻辑，统一构件验算表达形式，便于国内工程师对外工程交流；本土化修正内容：七、标准编制现存技术难点与攻关对策试验数据库不均衡：Q960 大尺寸压弯、节点足尺试验样本偏少，编制组补充开展多组专项加载试验，完善数据样本库；塑性与抗震矛盾：超高强钢高强度与低塑性无法兼顾，通过 “主体弹性、配件耗能” 的分离式韧性构造方案化解；施工工艺配套缺失：中小加工厂超高强钢焊接设备不足，标准增设焊接工艺附录，给出分级施工管控方案；耐久性长期数据不足：腐蚀、疲劳长期试验数据有限，标准设置阶段性预留条款，后续依据长期试验持续修订完善。八、论文核心研究结论与行业工程价值现行国标无法覆盖 690~960MPa 超高强钢设计需求，本次团体标准编制围绕材料本构、构件稳定、连接节点、抗震性能化四大核心技术构建完整计算体系，填补国内超高强钢结构规范空白；Q690 与 Q890/Q960 钢材力学、循环塑性、抗震性能差异显著，标准采取分级管控思路：Q690 可适度利用塑性，Q890/Q960 仅限弹性受力，必须配套外置耗能构件实现抗震韧性；超高强钢构件稳定、螺栓 / 焊接连接均不能直接套用普通钢材计算公式，本文给出的修正稳定曲线、承载力折减系数、宽厚比限值均基于国产钢材足尺试验标定，计算精度与安全性显著提升；标准兼顾欧盟规范国际通用逻辑与国内抗震、施工国情，实现中外钢结构设计体系互通，助力国产超高强钢工程技术对外输出；文中梳理的全套标准编制关键技术、试验标定方法、分强度分级设计思路，可为超高层、大跨度轻量化高强钢项目设计、行业规范更新、超高强钢新材料研发提供权威理论与试验依据，推动建筑钢结构轻量化、低碳化高质量发展。