焊接接頭的強度匹配

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

所以，就會出現(xiàn)名義“等強”而實際“超強”的結果。超強匹配是否一定安全可靠，認識上并不一致，并且有所質疑。我國九江長江大橋設計中就限制焊縫的“超強值”不大于98MPa；美國的學者Pelini則提出，為了達到保守的結構完整性目標，可采用在強度方面與母材相當?shù)暮缚p或比母材低137MPa的焊縫（即低強匹配）；根據(jù)日本學者佐藤邦彥等的研究結果，低強匹配也是可行的，并已在工程上得到應用。但比利時學者Soete和我國張玉鳳等的觀點是，超強匹配應該有利。顯然，涉及焊接結構安全可靠的有關焊縫強度匹配的設計原則，還缺乏充分的理論和實踐的依據(jù)，未有統(tǒng)一的認識。為了確定焊接接頭更合理的設計原則和為正確選用焊接材料提供依據(jù)，清華大學陳伯蠡教授等承接了國家自然科學基金研究項目“高強鋼焊縫強韌性匹配理論研究”。課題的研究內容有：490MPa級低屈強比高強鋼接頭的斷裂強度，690~780MPa級高屈強比高強鋼接頭的斷裂強度，無缺口焊接接頭的抗拉強度，深缺口試樣缺口頂端的變形行為，焊接接頭的NDT試驗等。大量試驗結果表明：

1、對于抗拉強度490MPa級的低屈強比高強鋼，選用具備一定韌性而適當超強的焊接材料是有利的。如果綜合焊接工藝性和使用適應性等因素，選用具備一定韌性而實際“等強”的焊接材料應更為合理。該類鋼焊接接頭的斷裂強度和斷裂行為取決于焊接材料的強度和塑韌性的綜合作用。因此，僅考慮強度而不考慮韌性而進行的焊接結構設計，并不能可靠地保證其使用安全性。

2、對于抗拉強度690~780MPa級的高屈強比高強鋼，其焊接接頭的斷裂性能不僅與焊縫的強度、韌性和塑性有關，而且受焊接接頭的不均質性所制約，焊縫過分超強或過分低強均不理想，而接近等強匹配的接頭具有最佳的斷裂性能，按實際等強原則設計焊接接頭是合理的。因此焊縫強度應有上限和下限的限定。

3、抗拉強度匹配系數(shù)（Sr）即焊接材料的熔敷金屬抗拉強度與母材抗拉強度之比值，它可以反映接頭力學性能的不均質性。試驗結果表明，當Sr≧0.9時，可以認為焊接接頭強度很接近母材強度。因此，生產(chǎn)實踐中采用比母材強度降低10%的焊接材料施焊，是可以保證接頭等強度設計要求的。當Sr≧0.86時，接頭強度可達母材強度的95%以上，這是因為強度較高的母材對焊縫金屬產(chǎn)生拘束作用，使焊縫強度得到提高。

 4、母材的屈強比對焊接接頭的斷裂行為有重要影響，母材屈強比低的接頭抗脆斷能力較母材屈強比高的接頭抗脆斷能力更好。這說明母材的塑性儲備對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性能匹配情況的影響。在相同拉伸應力下，低屈強比鋼的超強匹配接頭的焊縫應變較大，高屈強比鋼的低強匹配接頭的焊縫應變較小，焊接接頭的裂紋張開位移（COD值）也呈現(xiàn)相同的趨勢，即低屈強比鋼的超強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。

6、焊接接頭的抗脆斷性能與接頭力學性能的不均質性有很大關系，他不僅決定于焊縫的強度，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韌性匹配。

對于強度級別高的鋼種，要使焊縫金屬與母材達到等強匹配則存在很大的技術難度，既使焊縫強度達到了等強，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格，施工成本大大提高。

為了避免這種只追求強度而損害結構整體性能，提高施工上的經(jīng)濟可靠性，不得不把強度降下來，采用低強匹配方案。如日本的潛艇用鋼NS110,它的屈服強度大于或等于1098MPa，而與之配套的焊條和氣保焊絲的熔敷金屬屈服強度則要求大于或等于940MPa，其屈服強度匹配系數(shù)為0.85。采用低強匹配的焊接材料后，焊縫的含碳量及碳當量都可以降低，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，日本學者佐藤邦彥的一些試驗數(shù)據(jù)表明，只要焊縫金屬的強度不低于母材強度的80%，仍可保證接頭與母材等強，但是低強焊縫的接頭整體伸長率要低一些。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)生在低強度的焊縫之中。因此，關于低強焊縫的運用，應當結合具體條件進行一些試驗工作為宜。