1前言 近年来，钢结构向大型化方向发展，相应地开展了对钢铁材料高强度化使钢结构轻量化的研究，并进行了实际应用。最近对钢结构的可靠性和安全性要求有了进一步提高。同时，在钢结构制作方面，对简略工序和缩短工期的要求也不断提高。为应对焊接钢结构高强度化，开发出许多高强度钢焊接材料。本文对高强度钢焊接材料的发展做简要介绍。 2钢材高强度化 钢材高强度化的好处是，提高钢结构的设计应力，使钢结构部件薄型化、轻量化。由此可减少焊接工作量、降低制造成本和缩短制造工期。此外，由于部件断面面积变小，可以对钢结构进行灵活设计。并且由于部件制造、运输等各环节的CO₂排放量减少，对环境保护也十分有利。 目前在焊接结构钢方面，最高强度950MPa级高强钢（HT950）主要用于高压输水管，在建筑钢结构上的用例很少，正处于实证阶段。 HT780级高强钢已经在自升式钻井平台、球形储罐、日本明石海峡大桥等钢结构中得到应用。最近被日本东京晴空塔的增益塔用来制作钢管柱。HT780级高强钢正在建筑领域得到推广应用。 HT590级以下的高强钢广泛用于海工结构、桥梁、造船、建筑等产业。商用船舶使用的钢材强度基本上在HT490级以下。但大型集装箱运输船的仓口围板采用了HT570级高强度厚钢板。 图1是建筑钢结构材料的抗拉强度与设计强度的关系。近年来日本支撑建筑物的立柱的高强度化有了显著进展。其背景原因是阪神·淡路大地震后，建筑物减震结构受到关注。采用减震结构，地震灾害后的建筑物仍可继续使用。为此，使钢结构在大地震时仍处于弹性范围的设计方法被广泛采用。 在桥梁建造方面，高强度、加工性和焊接性良好的高屈服点钢板已经纳入JIS G 3140，实现了标准化。桥梁高强度化的客观条件已经具备。 3高强度焊接材料的发展 HT780、HT950级高强钢的焊接材料设计变化如图2。20世纪70年代末使用的是添加Ni-Cr-Mo的超低氢型手工电弧焊（SMAW）和熔炼型焊剂埋弧焊（SAW）焊接材料。后来为了适应对缺口韧性要求的提高，开发出利用Ni强化基体和利用烧结型焊剂的低氧型焊接材料，并得到实际应用。此后，为了应对进一步高强度化的要求（HT950级），采用HT780级钢的方法使焊接材料进一步高强度化。由于HT950级钢用于高压输水管，要求高断裂韧性，为此开发出HT950级钢用、超低氧型高韧性SMAW、SAW焊接材料。 4 高强度焊接材料的开发状况 4.1高强度高韧性化 焊缝金属高强度化的主要方法是添加合金元素和使组织细化。SMAW焊缝金属的碳当量（Ceq）和抗拉强度的关系如图3。焊缝金属抗拉强度和Ceq基本上是正比例关系。因此通过合金元素添加量的调整，可以获得要求的强度。 焊缝金属基体强化和组织微细化对于焊缝金属高韧性化极为重要。对于不同强度级别的焊缝金属，采用不同的组织控制方法。如图4所示，焊缝金属屈服强度在600MPa以下时，焊缝金属的组织是铁素体，焊缝金属屈服强度在600MPa以上时，焊缝金属的组织是贝氏体或马氏体。保证低温韧性的高强钢用焊接材料，以500-600MPa为焊缝金属强度界限，焊缝金属屈服强度小于500-600MPa的焊缝金属成分设计与焊缝金属强度大于500-600MPa的焊缝金属成分设计有很大不同。提高各强度级别焊缝金属韧性的方法如表1。提高强度级别小于600MPa的焊缝金属韧性的方法主要是复合添加Ti-B，提高强度级别大于600MPa的焊缝金属韧性的方法主要是增加Ni含量使组织微细化。 此外，降低焊缝金属的氧含量使相变点下降，因此，使焊缝金属组织微细化和提高韧性裂纹抗力也是提高焊缝金属韧性的有效方法。一般来说，钨极惰性气体保护焊（GTAW）焊缝金属可以获得与母材同等的韧性。GTAW焊缝金属氧含量在50ppm以下，而其他焊接方法焊缝氧含量为几百至上千ppm。为了使焊缝金属低氧含量化，不同焊接方法采用的方法也不同。SMAW采用碱性低氢型药皮，SAW采用碱性熔炼型焊剂，GMAW（熔化极气体保护焊）采用Ar CO₂保护气体。此外，近年来正在推进利用纯Ar等惰性气体保护焊接方法降低焊缝金属氧含量的研究。 由于焊缝金属低氧化提高了焊缝金属的韧性断裂抗力，所以提高了焊缝金属夏比冲击完全韧性断裂时的冲击功（上平台功）。焊缝金属强度和氧含量对焊缝金属夏比冲击上平台功的影响如图5。从图中可知，焊缝金属氧含量越高，强度越高，上平台功越小。原因是氧含量越高，强度越高，真应变越小，韧性断裂能越小。其中，焊缝金属氧含量小于50ppm的GTAW焊缝金属，在高强度时也具有高的上平台功。因此，焊缝金属强度越高，为了提高韧性，必须使焊缝金属低氧化。 4.2 降低焊前预热温度 增加焊缝金属合金元素含量实现高强度化，会提高焊缝金属的碳当量和焊接裂纹敏感性指数（Pcm）。在这种情况下，焊接热循环作用下发生硬化的母材热影响区（HAZ）和焊缝金属会产生低温裂纹。 特别是HT590级以上的高强钢焊接，对预热、层间温度和焊后热处理都有严格要求，以防止焊接裂纹的发生。为应对这种情况，在钢材制造方面，采用热机械控制轧制工艺（TMCP）细化晶粒，使TMCP钢的Pcm低于同强度的传统钢，降低了钢的焊接裂纹敏感性。图6是焊缝金属扩散性氢含量与最低预热温度的关系。根据图6可知，在相同Pcm情况下，焊接材料低氢化，可以降低焊接预热温度。目前日本通过焊接性优良钢材和低 氢型焊接材料相结合的方法，实现了省略焊前预热和焊后热处理工序，或降低了预热温度。 在特厚板多层焊接方面，由于各焊道都积蓄了氢，所以常常发生焊接低温裂纹。防止这种焊接低温裂纹的方法是，焊接后立即进行焊后热处理进行脱氢（例如150℃×2h以上）。高压输水管用HT950钢的焊接，不论板厚多少，都要进行焊前预热和焊后热处理，以防止焊接低温裂纹的发生。 4.3 焊接高效化和省力化 随着焊接钢结构的大型化，对钢结构高强度、高韧性的要求越来越高。目前大线能量焊接用HT490-HT590建筑结构钢已经实用化。这种钢材主要用来制作焊接方形立柱。焊接采用电渣焊和埋弧焊等大线能量焊接方法。 电渣焊采用一道次立向自动焊接方式，进行内心墙和外板间隙（如23-25mm）的焊接，实现了高效率和省力化焊接。焊接线能量与内心墙厚度成正比例增加，例如厚度为60mm心墙的焊接线能量达到90-100kJ/mm。目前出现了外板与内心墙厚度比（外板厚度/内心墙厚度）减小，使焊接时的冷却速度变慢的趋势。因此对焊缝金属心部和熔合线附近的韧性要求越来越严格。 埋弧焊作为高效率焊接方法用于立柱外板的组装。外板两侧有I型或V型的角接头 （焊接衬垫）。对该部位进行埋弧焊焊接时，采用双电极粗焊丝大电流焊接和铁粉熔炼焊剂提高了焊接效率，并完全焊透。例如，厚度为60mm外板焊 接时，坡口是35°V形坡口，线能量为60 kJ/mm，可一道次完成焊接。此外，使用焊接机器人对冷成形柱体部件进行焊接，实现了焊接省力化。 J I S Z 3312 YGW11（BCR295用）和YGW18（BCP325用）等传统的CO₂保护焊丝，由于焊道重叠，焊渣堆积量增加，成为不能进行连续焊接的主要原因。为此，开发出控制焊渣量的、机器人焊接用实心焊丝YGW11、YGW18。 （慧子）