焊接接头的强度匹配

huanghong · 发表于 2024-2-14 14:01:19

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长期以来，焊接结构的传统设计原则基本上是强度设计。在实际的焊接结构中，焊缝与母材在强度上的配合关系可有三种：焊缝强度等于母材（等强匹配）、焊缝强度超出母材（超强匹配，也叫高强匹配）及焊缝强度低于母材（低强匹配）。从结构的安全可靠性考虑，一般都要求焊缝强度至少与母材强度相等，即“等强”设计原则。但实际生产中，多是按照熔敷金属强度来选择焊接材料，而熔敷金属强度并非是实际的焊缝强度。熔敷金属不等同于焊缝金属，特别是低合金高强度钢用焊接材料，其焊缝金属的强度往往比熔敷金属的强度高出不少。

所以，就会出现名义“等强”而实际“超强”的结果。超强匹配是否一定安全可靠，认识上并不一致，并且有所质疑。我国九江长江大桥设计中就限制焊缝的“超强值”不大于98MPa；美国的学者Pelini则提出，为了达到保守的结构完整性目标，可采用在强度方面与母材相当的焊缝或比母材低137MPa的焊缝（即低强匹配）；根据日本学者佐藤邦彦等的研究结果，低强匹配也是可行的，并已在工程上得到应用。但比利时学者Soete和我国张玉凤等的观点是，超强匹配应该有利。显然，涉及焊接结构安全可靠的有关焊缝强度匹配的设计原则，还缺乏充分的理论和实践的依据，未有统一的认识。为了确定焊接接头更合理的设计原则和为正确选用焊接材料提供依据，清华大学陈伯蠡教授等承接了国家自然科学基金研究项目“高强钢焊缝强韧性匹配理论研究”。课题的研究内容有：490MPa级低屈强比高强钢接头的断裂强度，690~780MPa级高屈强比高强钢接头的断裂强度，无缺口焊接接头的抗拉强度，深缺口试样缺口顶端的变形行为，焊接接头的NDT试验等。大量试验结果表明：

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对于抗拉强度490MPa级的低屈强比高强钢，选用具备一定韧性而适当超强的焊接材料是有利的。如果综合焊接工艺性和使用适应性等因素，选用具备一定韧性而实际“等强”的焊接材料应更为合理。该类钢焊接接头的断裂强度和断裂行为取决于焊接材料的强度和塑韧性的综合作用。因此，仅考虑强度而不考虑韧性而进行的焊接结构设计，并不能可靠地保证其使用安全性。
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对于抗拉强度690~780MPa级的高屈强比高强钢，其焊接接头的断裂性能不仅与焊缝的强度、韧性和塑性有关，而且受焊接接头的不均质性所制约，焊缝过分超强或过分低强均不理想，而接近等强匹配的接头具有最佳的断裂性能，按实际等强原则设计焊接接头是合理的。因此焊缝强度应有上限和下限的限定。
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抗拉强度匹配系数（Sr）即焊接材料的熔敷金属抗拉强度与母材抗拉强度之比值，它可以反映接头力学性能的不均质性。试验结果表明，当Sr≧0.9时，可以认为焊接接头强度很接近母材强度。因此，生产实践中采用比母材强度降低10%的焊接材料施焊，是可以保证接头等强度设计要求的。当Sr≧0.86时，接头强度可达母材强度的95%以上，这是因为强度较高的母材对焊缝金属产生拘束作用，使焊缝强度得到提高。
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母材的屈强比对焊接接头的断裂行为有重要影响，母材屈强比低的接头抗脆断能力较母材屈强比高的接头抗脆断能力更好。这说明母材的塑性储备对接头的抗脆断性能亦有较大的影响。
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焊缝金属的变形行为受到焊缝与母材力学性能匹配情况的影响。在相同拉伸应力下，低屈强比钢的超强匹配接头的焊缝应变较大，高屈强比钢的低强匹配接头的焊缝应变较小，焊接接头的裂纹张开位移（COD值）也呈现相同的趋势，即低屈强比钢的超强匹配接头具有裂纹顶端处易于屈服且裂纹顶端变形量更大的优势。
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焊接接头的抗脆断性能与接头力学性能的不均质性有很大关系，他不仅决定于焊缝的强度，而且受焊缝的韧性和塑性所制约。焊接材料的选择不仅要保证焊缝具有适宜的强度，更要保证焊缝具有足够高的韧性和塑性，即要控制好焊缝的强韧性匹配。
对于强度级别高的钢种，要使焊缝金属与母材达到等强匹配则存在很大的技术难度，既使焊缝强度达到了等强，却使焊缝的塑性、韧性降低到了不可接受的程度；抗裂性能也显著下降，为防止出现焊接裂纹，施工条件要求极为严格，施工成本**提高。
为了避免这种只追求强度而损害结构整体性能，提高施工上的经济可靠性，不得不把强度降下来，采用低强匹配方案。如日本的潜艇用钢NS110,它的屈服强度大于或等于1098MPa，而与之配套的焊条和气保焊丝的熔敷金属屈服强度则要求大于或等于940MPa，其屈服强度匹配系数为0.85。采用低强匹配的焊接材料后，焊缝的含碳量及碳当量都可以降低，这将使焊缝的塑韧性得到提高，抗裂性能得到改善，给焊接施工带来了方便，降低了施工方面的成本。
另外，日本学者佐藤邦彦的一些试验数据表明，只要焊缝金属的强度不低于母材强度的80%，仍可保证接头与母材等强，但是低强焊缝的接头整体伸长率要低一些。在疲劳载荷作用下，如不削除焊缝的余高，疲劳裂纹将产生在熔合区；但若削除焊缝的余高，疲劳裂纹将产生在低强度的焊缝之中。因此，关于低强焊缝的运用，应当结合具体条件进行一些试验工作为宜。