焊接接頭的強(qiáng)度匹配

長(zhǎng)期以來，焊接結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則基本上是強(qiáng)度設(shè)計(jì)。在實(shí)際的焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫與母材在強(qiáng)度上的配合關(guān)系可有三種：焊縫強(qiáng)度等于母材（等強(qiáng)匹配）、焊縫強(qiáng)度超出母材（超強(qiáng)匹配，也叫高強(qiáng)匹配）及焊縫強(qiáng)度低于母材（低強(qiáng)匹配）。從結(jié)構(gòu)的安全可靠性考慮，一般都要求焊縫強(qiáng)度至少與母材強(qiáng)度相等，即“等強(qiáng)”設(shè)計(jì)原則。但實(shí)際生產(chǎn)中，多是按照熔敷金屬?gòu)?qiáng)度來選擇焊接材料，而熔敷金屬?gòu)?qiáng)度并非是實(shí)際的焊縫強(qiáng)度。熔敷金屬不等同于焊縫金屬，特別是低合金高強(qiáng)度鋼用焊接材料，其焊縫金屬的強(qiáng)度往往比熔敷金屬的強(qiáng)度高出不少。

所以，就會(huì)出現(xiàn)名義“等強(qiáng)”而實(shí)際“超強(qiáng)”的結(jié)果。超強(qiáng)匹配是否一定安全可靠，認(rèn)識(shí)上并不一致，并且有所質(zhì)疑。我國(guó)九江長(zhǎng)江大橋設(shè)計(jì)中就限制焊縫的“超強(qiáng)值”不大于98MPa；美國(guó)的學(xué)者Pelini則提出，為了達(dá)到保守的結(jié)構(gòu)完整性目標(biāo)，可采用在強(qiáng)度方面與母材相當(dāng)?shù)暮缚p或比母材低137MPa的焊縫（即低強(qiáng)匹配）；根據(jù)日本學(xué)者佐藤邦彥等的研究結(jié)果，低強(qiáng)匹配也是可行的，并已在工程上得到應(yīng)用。但比利時(shí)學(xué)者Soete和我國(guó)張玉鳳等的觀點(diǎn)是，超強(qiáng)匹配應(yīng)該有利。顯然，涉及焊接結(jié)構(gòu)安全可靠的有關(guān)焊縫強(qiáng)度匹配的設(shè)計(jì)原則，還缺乏充分的理論和實(shí)踐的依據(jù)，未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。為了確定焊接接頭更合理的設(shè)計(jì)原則和為正確選用焊接材料提供依據(jù)，清華大學(xué)陳伯蠡教授等承接了國(guó)家自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目“高強(qiáng)鋼焊縫強(qiáng)韌性匹配理論研究”。課題的研究?jī)?nèi)容有：490MPa級(jí)低屈強(qiáng)比高強(qiáng)鋼接頭的斷裂強(qiáng)度，690~780MPa級(jí)高屈強(qiáng)比高強(qiáng)鋼接頭的斷裂強(qiáng)度，無缺口焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，深缺口試樣缺口頂端的變形行為，焊接接頭的NDT試驗(yàn)等。大量試驗(yàn)結(jié)果表明：

1、對(duì)于抗拉強(qiáng)度490MPa級(jí)的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)鋼，選用具備一定韌性而適當(dāng)超強(qiáng)的焊接材料是有利的。如果綜合焊接工藝性和使用適應(yīng)性等因素，選用具備一定韌性而實(shí)際“等強(qiáng)”的焊接材料應(yīng)更為合理。該類鋼焊接接頭的斷裂強(qiáng)度和斷裂行為取決于焊接材料的強(qiáng)度和塑韌性的綜合作用。因此，僅考慮強(qiáng)度而不考慮韌性而進(jìn)行的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并不能可靠地保證其使用安全性。

2、對(duì)于抗拉強(qiáng)度690~780MPa級(jí)的高屈強(qiáng)比高強(qiáng)鋼，其焊接接頭的斷裂性能不僅與焊縫的強(qiáng)度、韌性和塑性有關(guān)，而且受焊接接頭的不均質(zhì)性所制約，焊縫過分超強(qiáng)或過分低強(qiáng)均不理想，而接近等強(qiáng)匹配的接頭具有最佳的斷裂性能，按實(shí)際等強(qiáng)原則設(shè)計(jì)焊接接頭是合理的。因此焊縫強(qiáng)度應(yīng)有上限和下限的限定。

3、抗拉強(qiáng)度匹配系數(shù)（Sr）即焊接材料的熔敷金屬抗拉強(qiáng)度與母材抗拉強(qiáng)度之比值，它可以反映接頭力學(xué)性能的不均質(zhì)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Sr≧0.9時(shí)，可以認(rèn)為焊接接頭強(qiáng)度很接近母材強(qiáng)度。因此，生產(chǎn)實(shí)踐中采用比母材強(qiáng)度降低10%的焊接材料施焊，是可以保證接頭等強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的。當(dāng)Sr≧0.86時(shí)，接頭強(qiáng)度可達(dá)母材強(qiáng)度的95%以上，這是因?yàn)閺?qiáng)度較高的母材對(duì)焊縫金屬產(chǎn)生拘束作用，使焊縫強(qiáng)度得到提高。

 4、母材的屈強(qiáng)比對(duì)焊接接頭的斷裂行為有重要影響，母材屈強(qiáng)比低的接頭抗脆斷能力較母材屈強(qiáng)比高的接頭抗脆斷能力更好。這說明母材的塑性儲(chǔ)備對(duì)接頭的抗脆斷性能亦有較大的影響。

5、焊縫金屬的變形行為受到焊縫與母材力學(xué)性能匹配情況的影響。在相同拉伸應(yīng)力下，低屈強(qiáng)比鋼的超強(qiáng)匹配接頭的焊縫應(yīng)變較大，高屈強(qiáng)比鋼的低強(qiáng)匹配接頭的焊縫應(yīng)變較小，焊接接頭的裂紋張開位移（COD值）也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，即低屈強(qiáng)比鋼的超強(qiáng)匹配接頭具有裂紋頂端處易于屈服且裂紋頂端變形量更大的優(yōu)勢(shì)。

6、焊接接頭的抗脆斷性能與接頭力學(xué)性能的不均質(zhì)性有很大關(guān)系，他不僅決定于焊縫的強(qiáng)度，而且受焊縫的韌性和塑性所制約。焊接材料的選擇不僅要保證焊縫具有適宜的強(qiáng)度，更要保證焊縫具有足夠高的韌性和塑性，即要控制好焊縫的強(qiáng)韌性匹配。

對(duì)于強(qiáng)度級(jí)別高的鋼種，要使焊縫金屬與母材達(dá)到等強(qiáng)匹配則存在很大的技術(shù)難度，既使焊縫強(qiáng)度達(dá)到了等強(qiáng)，卻使焊縫的塑性、韌性降低到了不可接受的程度；抗裂性能也顯著下降，為防止出現(xiàn)焊接裂紋，施工條件要求極為嚴(yán)格，施工成本大大提高。

為了避免這種只追求強(qiáng)度而損害結(jié)構(gòu)整體性能，提高施工上的經(jīng)濟(jì)可靠性，不得不把強(qiáng)度降下來，采用低強(qiáng)匹配方案。如日本的潛艇用鋼NS110,它的屈服強(qiáng)度大于或等于1098MPa，而與之配套的焊條和氣保焊絲的熔敷金屬屈服強(qiáng)度則要求大于或等于940MPa，其屈服強(qiáng)度匹配系數(shù)為0.85。采用低強(qiáng)匹配的焊接材料后，焊縫的含碳量及碳當(dāng)量都可以降低，這將使焊縫的塑韌性得到提高，抗裂性能得到改善，給焊接施工帶來了方便，降低了施工方面的成本。

另外，日本學(xué)者佐藤邦彥的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，只要焊縫金屬的強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度的80%，仍可保證接頭與母材等強(qiáng)，但是低強(qiáng)焊縫的接頭整體伸長(zhǎng)率要低一些。在疲勞載荷作用下，如不削除焊縫的余高，疲勞裂紋將產(chǎn)生在熔合區(qū)；但若削除焊縫的余高，疲勞裂紋將產(chǎn)生在低強(qiáng)度的焊縫之中。因此，關(guān)于低強(qiáng)焊縫的運(yùn)用，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體條件進(jìn)行一些試驗(yàn)工作為宜。