耐候钢， 即耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，耐候钢由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、抗疲劳等特性；耐候性为普碳钢的2~8倍，涂装性为普碳钢的1.5~10倍。同时，它具有耐锈，使构件抗腐蚀延寿、减薄降耗，省工节能等特点。耐候钢主要用于铁道、车辆、桥梁、塔架、光伏、高速工程等长期暴露在大气中使用的钢结构。用于制造集装箱、铁道车辆、石油井架、海港建筑、采油平台及化工石油设备中含硫化氢腐蚀介质的容器等结构件。
1 发展概况
从20世纪初至今，美、德、英、日各国对耐候钢进行了深入的研究。早在1916年，欧美科学家就发现铜可以改善钢在大气中的耐蚀性能。1916年，美国实验和材料学会(ASTM)开始了大气腐蚀研究。C. P. Larrabee 等进行了大气腐蚀的数据积累工作，总结腐蚀规律，探讨了腐蚀机理。20世纪30年代，美国的 U. S. Steel 公司首先研制成功了耐腐蚀高强度含铜低合金钢——Corten 钢，在20世纪60年代不涂漆直接用于建筑和桥梁，其中最普遍应用的是高磷、铜+铬、镍的Corten A 系列钢和以铬、锰、铜合金化为主的Corten B系列钢。这种耐候钢在欧洲、日本也得到广泛应用。目前，国外已将耐候钢逐渐作为普通钢种广泛使用，并且在钢种开发、使用及设计施工方面也进行了详细规定。表1列出了国内外耐候钢发展主要历程。
表1 耐候钢的发展历程
2 钢种基本情况
2.1 牌号及化学成分
高耐候钢的牌号和化学成分(质量分数)列于表2 。耐候钢与一般含铜钢的区别在于除含铜外，还含有磷、铬、镍、钛及钒等合金元素。国外代表钢种为CORTENA 和SPA2H ，主要为Cu2P2Ni2Cr 系。国内考虑到资源条件及原料经济性，常在钢中加入适量的稀土(RE)，主要为Cu2P2RE系。
表2 高耐候钢的牌号和化学成分
2.2 耐候钢的力学性能
耐候钢的力学性能列于表3 和表4。可以看出，耐候钢的力学性能基本上与优质碳素钢或优质低合金钢接近，但要求耐候钢应具有较好的冷加工性能。
表3 耐候钢的力学性能
表4 耐候钢的常温和低温冲击性能
2.3 金相组织、非金属夹杂物及晶粒度
钢材的金相组织应为铁素体+珠光体，氧化物夹杂级别不超过2级，硫化物夹杂级别不大于215级，晶粒度不小于7级。
3 耐侯钢焊接性
耐候钢中除含P钢外，焊接性与一般低合金热轧钢没有较大差别，焊接热影响区的最高硬度不超过350HV故焊接性良好，焊接时不会产生热裂纹，冷脆倾向也不大，所以可与强度较低(o=343~292MPa)的低合金热轧钢一样拟定焊接工艺。
在选择焊接材料时应注意，除满足强度要求外还必须使焊缝金属的耐蚀性能与母材相匹配。如果使用无抗大气腐蚀的填充金属则应该确保焊缝本身是耐候的。
在焊接之前，应该将已形成的表面层清除至接头边缘10mm到20mm的距离。焊接钢材级别磷含量很高时，应该采用特殊的预防措施。
4 耐候钢相关标准
针对耐候钢的不同用途有不同的标准，我国主要关于耐候钢的标准有:
GB/T 4171《高耐候结构钢》，主要钢种为Q××GNH(L)，其中××代表屈服强度，L代表含有Cr、Ni元素。
GB/T 4172《焊接结构耐候钢》，主要钢种有Q××NH，其中××代表屈服强度。
GB/T 18982《集装箱用耐腐蚀钢板及钢带》，主要钢种有Q××GNH(L)J、Q××NHYJ，其中L代表含有Cr、Ni元素，NHY代表耐海洋，J代表集装箱。
TB/T 1979《铁道车辆用耐大气腐蚀钢订货技术条件》，主要钢种以含有的合金元素表示，如08CuPVRE、09CuPCrNi等。
5 高强耐候钢焊接的三大问题及应对措施
5.1 高强耐候钢焊接冷裂纹
造成焊接冷裂纹的主要因素有3个方面：(1)钢的淬硬倾向；(2)焊接拉应力；(3)焊接接头的含氢量及其分布。
针对以上3个方面的影响因素，可采取的主要措施有：
(1)选用碱性低氢型焊条、焊剂。碱性低氢型焊条、焊剂焊接接头的含氢量低，脱硫、脱磷性能好，冲击韧性高。使用前需在350℃～420℃温度下烘干1～2 h，目的是有效去除其中的水分，从而减少焊接接头的含氧量，降低接头的冷裂倾向。
(2)焊接备件必须经检验合格才可组对。不得强力组对，避免过大的组装应力。
(3)焊前清理焊件。对钢材欲焊部位及两侧各20 mm范围内应认真清理，去除水分、铁锈、油污等杂物。
(4)合理安排焊接次序。原则是尽量使大多数焊缝能在刚度较小的条件下焊接，进一步减少焊接应力。
(5)焊前预热、焊后缓冷或热处理。焊前预热通常是防止高强钢焊接冷裂纹的重要工艺措施。焊后缓冷或热处理可以使扩散的氢充分逸出，降低了焊接残余应力，改善组织，减少淬硬性，从而降低焊接冷裂倾向。高强度耐候钢焊接时一般也不需要采取预热及焊后缓冷等工艺措施。
(6)选用合适的焊接线能量。手工电弧焊和混合气体保护焊时焊接线能量一般较小，这时适当增大合理的焊接线能量，可延长焊接接头的冷却时间，减少或避免焊接热影响区的淬火组织，同时还有利于氢的逸出，降低了冷裂纹的倾向。
(7)选用合适的焊接方法和焊接操作规范。在中厚板几种常用的焊接方法中，焊接接头的低温冲击韧性以清根双面多层混合气体保护焊最好，其次是清根双面多层手工焊条焊，再次为不清根双面单层埋弧自动焊。混合气体保护焊焊接头的氢含量低，抗冷裂性能好，应优先采用。多层焊时，前一层焊道对后一层焊道起到预热的作用；而后一层焊道对前一层焊道又起到后热缓冷和回火的作用，所以多层焊接头比单层焊接头抗裂性高。当焊缝断面较大时，应采用多层多道焊。手工焊条焊须保持短弧操作。手工焊条焊和混合气体保护半自动焊应在离开焊缝端头20～30 mm引弧，电弧稳定后再拉到焊缝端头进行正常焊接。焊缝末端必须采用回焊收尾法，回焊长度应为25～40 mm；焊接弧坑必须焊满。
5.2高强耐候钢焊接热裂纹
高强度耐候钢的焊接热裂纹主要是焊缝的结晶裂纹。已有的焊接实践证明，高强度耐候钢焊缝的热裂倾向比普通耐候钢小，估计与高强度耐候钢更低的硫、磷含量及较高的锰含量及手弧焊时使用的碱性焊条有关。
为避免高强度耐候钢的焊接热裂纹，采取的主要措施有：
(1)选用碱性焊条、焊剂。
(2)合理安排焊接次序，尽量减小焊接应力。
(3)控制焊缝的形状。凹心和平齐的角焊缝及窄深的对接焊缝，焊缝结晶时其低熔点物质易富集在焊缝中心面上，在焊接拉应力的作用下，极易产生结晶裂纹。宽而浅的对接焊缝，当柱状晶往上生长时，杂质大部分被推向表面而分散分布，拉应力集中的现象也大为减弱，焊缝的抗热裂性较高。所以对接焊缝的形状系数(宽厚比)一般控制在1．3—2，且有1 2 mm的焊缝余高(仅对车体焊缝而言)。对接焊缝和角焊缝的外形应为微凸形，焊缝末端采用回焊收尾法，手弧焊和半自动气电焊焊缝弧坑须焊满。埋弧自动焊应设引弧板和引出板。
(4)采用合理的焊接规范。焊接电流越大，焊接熔深越大，熔合比越大。适当减小焊接电流并提高电弧电压。
5.3高强耐候钢焊缝脆化问题
在做高强度耐候钢的焊接接头低温V形缺口冲击试验时发现，冲击韧性最低的区域是在焊缝上，这与一般高强钢焊接接头冲击韧性最低的区域是在熔合区上不同。再一个规律性的现象就是，用大规范(大线能量)焊接的焊缝其冲击韧性较用小规范(小线能量)焊接的冲击韧性低。
高强度耐候钢焊接时，从提高焊接接头的冲击韧性考虑，采用较小的线能量是有利的。当然减小焊接线能量(即加大冷却速度)对冲击韧性提高的作用是有限的。另一方面，减小焊接线能量对接头的抗冷裂性能及塑性指标亦有不利影响。所以，选择焊接线能量时须通盘考虑。
已有的焊接试验证明，高强度耐候钢的较大线能量手弧焊和半自动气电焊焊缝冲击韧性虽然较低，但仍高于母材的冲击韧性要求。
因此手弧焊和半自动气电焊时可不必单独考虑接头的冲击韧性问题。但用粗丝埋弧自动焊时，则须考虑焊接线能量对接头冲击韧性的影响。在保证焊透和完全熔合的前提下，焊接线能量不能超过30 kJ／cm。
