耐候钢输电杆塔焊接腐蚀性能研究

耐候钢输电杆塔焊接腐蚀性能研究

段然余明智符斌

（中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司云南昆明650051）

摘要：我国耐候钢输电杆塔已经开始逐步推广应用，其焊接接头由于冶金、化学、力学的作用，导致接头耐腐蚀性能不同于母材，往往会成为结构件中的薄弱环节。本文将从耐候钢的焊接性能、焊接材料、焊接工艺等方面分析焊接接头的耐腐蚀性能，为耐候钢输电杆塔焊接提供技术支持。

关键词：耐候钢；输电杆塔；焊接材料；焊接工艺；腐蚀性能

1前言

我国输电线路杆塔多建设在野外，由于其长期暴露在大气之中，经受风雨雪霜等各种天气的综合影响，塔材腐蚀情况较为严重，长期以来主要采用热镀锌进行防腐[1]。但热镀锌工艺投资大、成本高、污染环境，为了能达到降低成本和保护环境的目的，我国输电线路工程已经开始逐步探索推广应用耐候钢输电杆塔。

耐候钢输电杆塔在加工过程中常采用焊接，在评估杆塔整体结构的耐腐蚀性能时，需要综合考虑耐候钢母材和焊接接头的耐腐蚀性能。焊接接头由于冶金、化学、力学的作用，导致接头耐腐蚀性能不同于母材，往往会成为结构件中的薄弱环节[5]。如何选择合适的焊接材料和焊接工艺，使母材和焊接接头耐腐蚀性能相当，是耐候钢输电杆塔结构安全性的重要保障。本文将从耐候钢的焊接性能、焊接材料、焊接工艺等方面分析焊接接头的耐腐蚀性能，为耐候钢输电杆塔焊接提供技术支持。

2耐候钢焊接性能

钢材的焊接性能一般是指焊缝和热影响区是否容易形成裂纹、焊接接头是否出现脆性等。实验表明，钢材的碳当量越高，焊接热影响区的冷裂倾向越大，钢材的焊接性能越差，所以用钢材的碳含量和碳当量可以大致评价钢材的焊接性能[2-3]。

我国使用的耐候钢主要为仿CortenA、CortenB的Cu-P系和Cu-P-Cr-Ni系。近年来，为适应市场的需要，我国各钢厂加快了耐候钢种的开发进度，一些新的耐候钢已在铁路等行业得到良好应用。根据《耐候结构钢》（GB/T4171-2008）[6]中有关耐候钢的牌号和用途，结合输电杆塔的具体情况，输电杆塔用耐候钢的碳含量小于0.12%，采用相应的碳当量公式计算，其碳当量为0.20%～0.43%。根据图1，结合相关文献的研究[3-4]，表明耐候钢中添加的合金元素对钢材的焊接性能削弱不是很大，因此在理论分析上，耐候钢的焊接性能满足输电杆塔的相关要求。同时，国内制造厂商已开始使用耐候钢加工输电杆塔，加工过程中同样表现出良好的焊接性能，接头裂纹试验数据良好，表面、端部和根部均无裂纹出现。理论分析和实际应用都证明，耐候钢具有良好的焊接性能，完全能满足输电杆塔的制造要求。

3焊接材料对腐蚀性能的影响

为分析不同焊接材料对耐候钢焊接接头腐蚀性能的影响，选取Q420NH高强耐候钢和两种不同的焊接材料进行实验分析。1号焊缝为耐候焊丝，其耐腐蚀性指数与母材接近，相差5%以内；2号焊缝为普通焊丝，其耐腐蚀性指数小于6，与母材相差35%左右。两种焊接材料的焊接实验采用相同的焊接工艺，焊接设备为YD-500气体保护焊机，焊接方法采用CO2气体保护焊和V型坡口焊缝。对耐候钢母材和焊接接头进行取样，尺寸为40mm×60mm×4mm。试样分别进行电化学开路电位测试和72h周期浸润试验。

图2耐候钢母材及焊缝的电化学开路电位

图2为耐候钢不同焊接接头的电化学开路电位图，电位表征的是材料表面的腐蚀电化学活性，开路电位越正，材料表面腐蚀倾向性越小，活性越低，反之开路电位越负，材料表面腐蚀倾向性越大，活性越大，耐腐蚀性能差。从图2可知，1号焊缝的电化学开路电位值与母材相差不大，而2号焊缝的电化学开路电位值则小很多，表明1号焊缝与母材耐腐蚀性能相当，2号焊缝耐腐蚀性能差。

（a）耐候焊丝（b）普通焊丝

图3腐蚀后锈层表面形貌

图3为72h周期浸润加速腐蚀后锈层表面形貌图，从图3可以看出，1号焊缝区域腐蚀后表面锈层颜色均匀，焊缝和母材没有明显的颜色界限，表面腐蚀坑均匀分布在母材与焊缝区域；而2号焊缝区域腐蚀后的绣层颜色与母材不一致，存在明显分界，焊缝区域的腐蚀坑分布比母材区域密集。经锈层表面微观形貌分析，1号焊缝的内锈层均匀致密；2号焊缝的内外锈层区分不明显，整个锈层不均匀。1号焊缝的锈层厚度远小于2号焊缝。

4焊接工艺对腐蚀性能的影响

为分析不同焊接工艺对耐候钢焊接接头腐蚀性能的影响，同样选用Q420NH耐候钢，对其不同焊接工艺的焊缝区域进行腐蚀性能实验。试样尺寸为460×150×12.7mm，接头形式采用V型坡口焊缝，详见图4（a）。结合输电线路杆塔的特点，焊接方式采用气保焊和埋弧焊进行比对，其中变化的工艺参数主要为焊接的电流变化，气保焊的焊接电流分别为150A、250A和350A，埋弧焊的焊接电流为350A和500A。

图4不同焊接工艺耐候钢

耐候钢焊接后，通过室内周期浸润试验对试样进行加速腐，对比母材的腐蚀速率，分析焊接工艺对耐候钢的抗腐蚀速率的影响。图4（b）为不同焊接工艺周期浸润试验结果，其中6#为原始耐候钢的腐蚀速率曲线变化关系，1～5#为不同焊接工艺对耐候钢腐蚀性能影响。由图4（b）可知，采用焊接工艺后，耐候钢的腐蚀速率均有所降低，说明采用焊接工艺，并不降低耐候钢的耐腐蚀性能。其中，埋弧焊的工艺，采用500A的电流明显好于350A的电流；气保焊的工艺，采用250A的电流明显好于350A的电流。就整体而言，气保焊工艺的耐腐蚀性能略好于埋弧焊。

5结论

（1）耐候钢中添加的合金元素对钢材的焊接性能削弱不是很大，耐候钢输电杆塔加工过程中表现出良好的焊接性能，接头裂纹试验数据良好。理论分析和实际应用都证明，耐候钢具有良好的焊接性能，完全能满足输电杆塔的制造要求。

（2）耐腐蚀性指数与母材相当的焊接材料进行焊接，得到的焊接接头耐腐蚀性能与母材的耐腐蚀性能相差不大，焊缝与母材发生均匀腐蚀。对耐候钢输电杆塔结构件进行焊接时，宜采用与母材耐腐蚀性能相当的焊接材料，耐腐蚀性指数相差控制在5%以内，有利于发生均匀腐蚀，提高结构件的整体安全性。

（3）采用合适的焊接工艺，可不降低耐候钢焊缝的耐腐蚀性。不同焊接工艺对于耐候钢耐腐蚀性能具有不同特点。针对Q420NH高强耐候钢，焊接工艺宜采用低电流的气保焊工艺。

参考文献

[1]韩军科，杨风利，杨靖波.耐候钢在输电线路铁塔中的应用[A].中国钢结构协会房屋建筑钢结构分会2011年学术年会论文集[C]，广州：中国钢结构协会，2012.起止页码132-138.

[2]谢震.展望耐候钢在输电杆塔中的应用[J].特种结构，2014，31（4）：29-33.

[3]王秀琴，田川，李艳琴，等.高强度耐候钢焊接性分析与研究[J].焊接，2004，10：12-15.

[4]刘华松.高强度耐候钢的焊接[J].机车车辆工艺，2006，6：10-12.

[5]高立军，杨建炜，曹建平，等.不同焊接材料对耐候钢焊接接头耐腐蚀性能的影响[J].四川冶金，2017，39（2）：1-3，10.

[6]GB/T4171-2008.耐候结构钢[S].