焊接接頭強(qiáng)度與韌性的計(jì)算

1、焊接接頭強(qiáng)度匹配和焊縫韌性指標(biāo)綜述1 焊接接頭的強(qiáng)度匹配長期以來，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，即所謂“等強(qiáng)”設(shè)計(jì)原則。但實(shí)際生產(chǎn)中，多數(shù)是按照熔敷金屬強(qiáng)度來選擇焊接材料，而熔敷金屬強(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)度高出許多。所以，就會出現(xiàn)名義“等強(qiáng)”而實(shí)際“超強(qiáng)”的結(jié)果。超強(qiáng)匹配

2、是否一定安全可靠，認(rèn)識上并不一致，并且有所質(zhì)疑。九江長江大橋設(shè)計(jì)中就限制焊縫的“超強(qiáng)值”不大于98MPa；美國的學(xué)者Pellini則提出1，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)者佑藤邦彥等的研究結(jié)果2，低強(qiáng)匹配也是可行的，并已在工程上得到應(yīng)用。但張玉鳳等人的研究指出3，超強(qiáng)匹配應(yīng)該是有利的。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。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)陳伯蠡教授等人承接了國家自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目“高強(qiáng)鋼焊縫

3、強(qiáng)韌性匹配理論研究”。課題的研究內(nèi)容有：490MPa級低屈強(qiáng)比高強(qiáng)鋼接頭的斷裂強(qiáng)度，690780MPa級高屈強(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）對于抗拉強(qiáng)度490MPa級的低屈強(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)度和韌塑性的綜合作用。因此，僅考慮強(qiáng)度而不考慮韌性進(jìn)行的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并不能可靠地保證其使用的安全性。（2）對于抗拉強(qiáng)度69078

4、0MPa級的高屈強(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，按照實(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)（S）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)S0.9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)S0.86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)度較高的母材對焊縫金

5、屬產(chǎn)生拘束作用，使焊縫的強(qiáng)度得到提高。（4）母材的屈強(qiáng)比對焊接接頭的斷裂行為有重要的影響，母材屈強(qiáng)比低的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(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，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。（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，它不僅決定于焊縫的強(qiáng)度，而且受焊縫的韌性和塑性

6、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。對于強(qiáng)度級別更高的鋼種，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；抗裂性能也是顯著下降，為了防止出現(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1098MPa；而與之配套的焊條和氣保焊焊絲的熔敷金屬屈服強(qiáng)度則要求940MPa，其屈服強(qiáng)度匹配系數(shù)為0.854。采

7、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)者佐滕邦彥的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明2，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。2 焊縫的韌性指標(biāo)問題2.1 焊接接頭強(qiáng)度匹配對焊縫韌性的要求很多焊接結(jié)構(gòu)的破壞事故是典型的低應(yīng)力下發(fā)生的脆性斷裂，斷前在表觀上

8、幾乎不發(fā)生明顯的塑性變形。工程上的脆斷事故，總是從存在宏觀缺陷或裂紋作為“源”而開始的，它在遠(yuǎn)低于屈服應(yīng)力的條件下，由于疲勞或應(yīng)力腐蝕等原因而逐漸擴(kuò)展，最后導(dǎo)致突然地低應(yīng)力斷裂。只要存在裂紋源，裂紋的擴(kuò)展總是沿著韌性最差的部位進(jìn)行。從這一點(diǎn)考慮，總希望焊接接頭的最薄弱部位也要具有足夠的韌性儲備。陳伯蠡教授等人在研究高強(qiáng)鋼焊縫強(qiáng)韌性匹配時(shí)得出，等強(qiáng)或接近等強(qiáng)匹配時(shí)所用的焊材，焊接接頭最容易獲得最優(yōu)異的抗脆斷性能。這是因?yàn)榈葟?qiáng)匹配時(shí)所用的焊材，不需要將其韌性提高到優(yōu)于低強(qiáng)或超強(qiáng)匹配時(shí)所要求的韌性。而如欲使低強(qiáng)匹配或超強(qiáng)匹配的斷裂達(dá)到等強(qiáng)匹配的抗斷裂性效果，則要進(jìn)一步改善焊材的韌性水平。降低焊材強(qiáng)度

9、時(shí)，容易改善其韌性；而提高焊材強(qiáng)度時(shí)，大幅度地提高其韌性則有相當(dāng)難度。由此可知，低強(qiáng)匹配比超強(qiáng)匹配更容易改善接頭的抗脆斷性能。故從抗脆性斷裂方面考慮，超強(qiáng)匹配未必有利，在一定條件下，低強(qiáng)匹配反而是可行的。對于低強(qiáng)度鋼，無論是母材還是焊縫都有較高的韌性儲備，所以按等強(qiáng)原則選用焊接材料時(shí)，既可保證強(qiáng)度要求，也不會損害焊縫韌性。但對于高強(qiáng)鋼，特別是超高強(qiáng)鋼，其配套用的焊接材料韌性儲備是不高的，此時(shí)如仍要求焊縫與母材等強(qiáng)，則焊縫的韌性水平就有可能降低到安全限以下，有可能出現(xiàn)因其韌性不足而引起脆斷。此時(shí)，如適當(dāng)降低焊縫強(qiáng)度而提高其韌性，將會更為有利。已有這方面的事故教訓(xùn)，某廠家容量10000t的油罐脆性

10、破壞時(shí)，其強(qiáng)度和伸長率都是合格的，脆斷主要是由于韌性不足引起的。2.2 焊縫韌性的相關(guān)指標(biāo)目前采用最廣泛的韌性判劇是V形缺口的夏比（Charpy）試樣沖擊吸收功，它是根據(jù)20世紀(jì)40年代初美國船體破壞事故的分析經(jīng)驗(yàn)得出來的5。當(dāng)時(shí)的船體均采用低碳沸騰鋼，在事故溫度下試驗(yàn)時(shí)，船體鋼未斷裂部位的沖擊吸收功平均為21 J(15 ft-1 h)，因此，認(rèn)為可采用這一數(shù)值作為判劇來確定臨界溫度，即所謂VTr15判劇，后來又發(fā)展為平均沖擊吸收功不小于27 J(20 fr-1b)，且允許有一個試樣低于此值，但不得低于21 J。1954年又出現(xiàn)了油船斷為兩半的事故，該船體鋼為細(xì)晶粒鋼或低合金鋼，經(jīng)英國勞埃德船

11、級社調(diào)查分析得出，這類鋼的V形缺口沖擊吸收功低于47 J(35 fr-1b)時(shí)易于發(fā)生脆性斷裂，因此提議以47 J沖擊吸收功作為最低保證值。可見，在同樣的使用條件和韌性下，高強(qiáng)度鋼比低強(qiáng)度鋼更易于斷裂。為安全考慮，對于鋼材沖擊吸收功的要求，應(yīng)隨其強(qiáng)度的提高而作適當(dāng)?shù)奶岣摺?978年挪威船級社在采油平臺結(jié)構(gòu)入級規(guī)范中給出了沖擊吸收功要求值與屈服強(qiáng)度最低值之間的關(guān)系函數(shù)，寫為數(shù)學(xué)公式即：VET0.1 （1）式中 VET在規(guī)定試驗(yàn)溫度時(shí)的沖擊吸收功，J最低屈服強(qiáng)度保證值，MPa。1980年英國頒布的橋梁規(guī)程BS-5400中，不僅將焊縫韌性要求與屈服強(qiáng)度聯(lián)系起來，而且還考慮了板厚的影響，其表達(dá)式為：

12、VET × （2）355 2另有報(bào)導(dǎo)，對于大多數(shù)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如橋梁、船舶、壓力容器等，根據(jù)斷裂力學(xué)原則，要求其結(jié)構(gòu)材料的“韌強(qiáng)比”（RA）滿足如下要求其中（韌性值為沖擊吸收功，J，強(qiáng)度值為最低屈服強(qiáng)度保證值，MPa）：RA0.001 6+0.01式中 板厚，mm。近年來，中國船級社（CCS）參照國外各船級社（LR、NV、ABS、NK）的規(guī)范，對高強(qiáng)度鋼用焊條、自動焊及半自動焊焊絲的熔敷金屬強(qiáng)度和韌性作出的規(guī)定見表1。表1 高強(qiáng)度鋼用焊材的熔敷金屬力學(xué)性能要求屈服強(qiáng)度 Re/MPa抗拉強(qiáng)度 Rm/MPa伸長率 A()沖擊溫度 T/沖擊吸收功 AkV/J4005106902206047

13、4605707202020604750061077018206050550660830182060556207208801820606269077094018206069該表中的數(shù)值與數(shù)學(xué)公式VET0.1，是相一致的，也是目前各國船級社都采用的。筆者認(rèn)為，VET0.1的適用范圍不是無限的，而是有一定限制的。表中所列的690MPa和60下69 J的強(qiáng)韌性配合指標(biāo)已經(jīng)是上限范圍了，再進(jìn)一步提高強(qiáng)度和沖擊功的雙重要求將是難以實(shí)現(xiàn)的。這是金屬材料本身的性能所決定的，強(qiáng)度和韌性是要相互制約的。在焊縫韌性指標(biāo)上，有的規(guī)范不是這樣要求的，它對各種強(qiáng)度級別的焊縫，都要求相同的韌性水平。如潛艇用鋼，按照日本防衛(wèi)

14、廳規(guī)格6、7，對各種強(qiáng)度級別的焊條或焊絲的熔敷金屬，都要求50下的沖擊吸收功不小于27 J；其焊縫金屬的屈服強(qiáng)度包括460，630，800和940MPa四個等級，其焊接方法適用于焊條電弧焊、埋弧焊、MIG焊等。除了對熔敷金屬的沖擊吸收功有指標(biāo)要求外，對焊接接頭還要進(jìn)行落錘試驗(yàn)，根據(jù)屈服強(qiáng)度等級和試板厚度選用規(guī)定的打擊功，要求在50下不發(fā)生試樣斷裂。從這兩個方面進(jìn)行韌性考核應(yīng)是更為科學(xué)的。美國軍標(biāo)（MIL）對潛艇用焊接材料的韌性考核，有些方面與日本一致，但也有不同之處。對熔敷金屬的韌性考核，早期也是采用夏比V形沖擊試驗(yàn)，要求50下的沖擊吸收功不小于27，47或68 J，這些沖擊吸收功的提高不是因

15、為強(qiáng)度的提高而相應(yīng)提高，它是根據(jù)焊接材料的韌性儲備等因素來確定的。后來又改為動態(tài)撕裂試驗(yàn)（DT試驗(yàn)），常用的試樣厚度約為16mm（5/8吋），試樣的寬度和長度分別為41mm和180mm；對裂紋源缺口的加工有著更嚴(yán)格的要求。試驗(yàn)溫度為30（約為0），撕裂功的最低值要求為610，645，680及780 J(450，475，500和575 ft-1b)。這些數(shù)值的確定也不是與強(qiáng)度的提高成線性關(guān)系，而與材料的韌性儲備有直接關(guān)系，例如，屈服強(qiáng)度大于等于920MPa級的焊縫DT值要求645 J(475 ft-1b)，而屈服強(qiáng)度大于等于700MPa級的焊縫，則要求其DT值780 J(575 ft-1b)。曾

16、有幾年時(shí)間內(nèi)，夏比V形沖擊試驗(yàn)和動態(tài)撕裂試驗(yàn)兩者并用，后來就只采用動態(tài)撕裂試驗(yàn)一種方法了。在焊接接頭的韌性考核方面與日本截然不同，美國采用的是爆炸試驗(yàn)8，試板厚度都為25mm（1吋）或38mm（1.5吋），對接焊后成為正方形，邊長分別為510mm或640mm，焊縫在中心部位。試驗(yàn)溫度為30（約為0），經(jīng)過3次爆炸后，希望厚度減薄率達(dá)到7，要求不產(chǎn)生碎片；允許有穿過整個厚度的裂紋，但裂紋不應(yīng)擴(kuò)展到支撐區(qū)之內(nèi)。美國軍標(biāo)將這種方法定為認(rèn)可試驗(yàn)或鑒定試驗(yàn)，只有通過此種試驗(yàn)的焊接材料才能用于潛艇建造。一旦試驗(yàn)被通過，只要焊接材料的焊芯成分、藥皮配方和原材料、制造技術(shù)和工藝等不作改變，就不再進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)，

17、只進(jìn)行熔敷金屬的韌性檢驗(yàn)（夏比V形或動態(tài)撕裂試驗(yàn)），而且這種韌性檢驗(yàn)的目的主要是控制焊接材料的質(zhì)量穩(wěn)定性。故熔敷金屬的吸收功可以認(rèn)為是控制焊材產(chǎn)品質(zhì)量的相對判劇。當(dāng)某種焊接材料用于船舶、橋梁、壓力容器、車輛、高架建筑等具體結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征、受力情況（是靜載還是動載、低周疲勞還是高周疲勞）、環(huán)境條件等，提出具體要求，有的還要求作特殊的評定試驗(yàn)，同時(shí)將其符合安全要求的熔敷金屬韌性指標(biāo)確定下來。既不是韌性指標(biāo)越高越好，也不可為了降低成本而降低對韌性的要求。用鋼材的韌性指標(biāo)來要求焊接材料也不完全是合理的，因?yàn)殇摬慕?jīng)焊接之后，其熱影響區(qū)中的粗晶區(qū)因晶粒明顯長大，使韌性大幅度下降，所以為了保證熱影

18、響區(qū)有好的韌性，應(yīng)該對母材韌性有更高的要求。目前，國內(nèi)外的焊接材料標(biāo)準(zhǔn)都是由焊接材料標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)制定出來的。高強(qiáng)鋼用焊接材料的強(qiáng)度級別雖然不完全一致，但各種強(qiáng)度級別下的熔敷金屬韌性指標(biāo)是相同的，主要有兩個體系9：一是歐洲體系，沖擊吸收功要求47 J；太平洋周圍國家，如美國、中國、日本、韓國等，則采用另一個體系，即沖擊吸收功要求大于27 J。2000年以后，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）同時(shí)認(rèn)可了這兩個體系，將其按A、B兩個體系并列于同一個標(biāo)準(zhǔn)之中。如 ISO182752005，ISO168342006和ISO182762005，分別是高強(qiáng)鋼用的焊條、實(shí)心焊絲和藥芯焊絲系標(biāo)準(zhǔn)，在這3個標(biāo)準(zhǔn)的A體系中統(tǒng)一把熔敷金