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焊接接頭強度匹配和焊縫韌性指标綜述

1 焊接接頭的強度匹配

長期以來(lái)，焊接結構的傳統設計(jì)原則基本上是強度設計(jì)。在實際的焊接結構中，焊縫與母材在強度上的配合關系有三種：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(cóng)結構的安全可(kě)靠性考慮，一般都(dōu)要求焊縫強度至少與母材強度相(xiàng)等，即所謂“等強”設計(jì)原則。但(dàn)實際生(shēng)産中，多數是按照(zhào)熔敷金屬強度來(lái)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，特别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許多。所以，就(jiù)會出現名義“等強”而實際“超強”的結果。超強匹配是否一定安全可(kě)靠，認識上并不一緻，并且有所質疑。九江長江大(dà)橋設計(jì)中就(jiù)限制焊縫的“超強值”不大(dà)于98MPa；美國(guó)的學者Pellini則提出^〔1〕，爲了達到保守的結構完整性目标，可(kě)采用在強度方面與母材相(xiàng)當的焊縫或比母材低137MPa的焊縫（即低強匹配）；根據日(rì)本學者佑藤邦彥等的研究結果^〔2〕，低強匹配也是可(kě)行的，并已在工(gōng)程上得(de)到應用。但(dàn)張玉鳳等人的研究指出^〔3〕，超強匹配應該是有利的。顯然，涉及焊接結構安全可(kě)靠的有關焊縫強度匹配的設計(jì)原則，還(hái)缺乏充分(fēn)的理(lǐ)論和實踐的依據，未有統一的認識。爲了确定焊接接頭更合理(lǐ)的設計(jì)原則和爲正确選用焊接材料提供依據，清華大(dà)學陳伯蠡教授等人承接了國(guó)家自(zì)然科(kē)學基金研究項目“高強鋼焊縫強韌性匹配理(lǐ)論研究”。課題的研究内容有：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爲，焊接接頭的NDT試驗等。大(dà)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适當超強的焊接材料是有利的。如(rú)果綜合焊接工(gōng)藝性和使用适應性等因素，選用具備一定韌性而實際“等強”的焊接材料應更爲合理(lǐ)。該類鋼焊接接頭的斷裂強度和斷裂行爲取決于焊接材料的強度和韌塑性的綜合作(zuò)用。因此，僅考慮強度而不考慮韌性進行的焊接結構設計(jì)，并不能可(kě)靠地保證其使用的安全性。

（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(fēn)超強或過分(fēn)低強均不理(lǐ)想，而接近等強匹配的接頭具有最佳的斷裂性能，按照(zhào)實際等強原則設計(jì)焊接接頭是合理(lǐ)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（S_γ）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(kě)以反映接頭力學性能的不均質性。試驗結果表明，當S_γ≥0.9時，可(kě)以認爲焊接接頭強度很接近母材強度。因此，生(shēng)産實踐中采用比母材強度降低10％的焊接材料施焊，是可(kě)以保證接頭等強度設計(jì)要求的。當S_γ≥0.86時，接頭強度可(kě)達母材強度的95％以上。這是因爲強度較高的母材對焊縫金屬産生(shēng)拘束作(zuò)用，使焊縫的強度得(de)到提高。

（4）母材的屈強比對焊接接頭的斷裂行爲有重要的影(yǐng)響，母材屈強比低的抗脆斷能力較母材屈強比高的接頭抗脆斷能力更好。這說(shuō)明母材的塑性儲備對接頭的抗脆斷性能亦有較大(dà)的影(yǐng)響。

（5）焊縫金屬的變形行爲受到焊縫與母材力學性能匹配情況的影(yǐng)響。在相(xiàng)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(dà)，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）也呈現相(xiàng)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(dà)的優勢。

（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(dà)關系，它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适宜的強度，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。

對于強度級别更高的鋼種，要使焊縫金屬與母材達到等強匹配則存在很大(dà)的技術(shù)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(kě)接受的程度；抗裂性能也是顯著下降，爲了防止出現焊接裂紋，施工(gōng)條件(jiàn)要求極爲嚴格，施工(gōng)成本大(dà)大(dà)提高。爲了避免這種隻追求強度而損害結構整體(tǐ)性能，提高施工(gōng)上的可(kě)靠性，不得(de)不把強度降下來(lái)，采用低強匹配方案。如(rú)日(rì)本的潛艇用鋼NS110，它的屈服強度≥1098MPa；而與之配套的焊條和氣保焊焊絲的熔敷金屬屈服強度則要求≥940MPa，其屈服強度匹配系數爲0.85^[4]。采用低強匹配的焊接材料後，焊縫的含碳量及碳當量都(dōu)可(kě)以降低，這将使焊縫的塑韌性得(de)到提高，抗裂性能得(de)到改善，給焊接施工(gōng)帶來(lái)了方便，降低了施工(gōng)方面的成本。

另外，日(rì)本學者佐滕邦彥的一些試驗數據表明^〔2〕，隻要焊縫金屬的強度不低于母材強度的80％，仍可(kě)保證接頭與母材等強，但(dàn)是低強焊縫的接頭整體(tǐ)伸長率要低一些。在疲勞載荷作(zuò)用下，如(rú)不削除焊縫的餘高，疲勞裂紋将産生(shēng)在熔合區；但(dàn)若削除焊縫的餘高，疲勞裂紋将産生(shēng)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(tǐ)條件(jiàn)進行一些試驗工(gōng)作(zuò)爲宜。

2 焊縫的韌性指标問(wèn)題

2.1 焊接接頭強度匹配對焊縫韌性的要求

很多焊接結構的破壞事(shì)故是典型的低應力下發生(shēng)的脆性斷裂，斷前在表觀上幾乎不發生(shēng)明顯的塑性變形。工(gōng)程上的脆斷事(shì)故，總是從(cóng)存在宏觀缺陷或裂紋作(zuò)爲“源”而開始的，它在遠(yuǎn)低于屈服應力的條件(jiàn)下，由于疲勞或應力腐蝕等原因而逐漸擴展，最後導緻突然地低應力斷裂。隻要存在裂紋源，裂紋的擴展總是沿着韌性最差的部位進行。從(cóng)這一點考慮，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鋼焊縫強韌性匹配時得(de)出，等強或接近等強匹配時所用的焊材，焊接接頭最容易獲得(de)最優異的抗脆斷性能。這是因爲等強匹配時所用的焊材，不需要将其韌性提高到優于低強或超強匹配時所要求的韌性。而如(rú)欲使低強匹配或超強匹配的斷裂達到等強匹配的抗斷裂性效果，則要進一步改善焊材的韌性水平。降低焊材強度時，容易改善其韌性；而提高焊材強度時，大(dà)幅度地提高其韌性則有相(xiàng)當難度。由此可(kě)知，低強匹配比超強匹配更容易改善接頭的抗脆斷性能。故從(cóng)抗脆性斷裂方面考慮，超強匹配未必有利，在一定條件(jiàn)下，低強匹配反而是可(kě)行的。對于低強度鋼，無論是母材還(hái)是焊縫都(dōu)有較高的韌性儲備，所以按等強原則選用焊接材料時，既可(kě)保證強度要求，也不會損害焊縫韌性。但(dàn)對于高強鋼，特别是超高強鋼，其配套用的焊接材料韌性儲備是不高的，此時如(rú)仍要求焊縫與母材等強，則焊縫的韌性水平就(jiù)有可(kě)能降低到安全限以下，有可(kě)能出現因其韌性不足而引起脆斷。此時，如(rú)适當降低焊縫強度而提高其韌性，将會更爲有利。已有這方面的事(shì)故教訓，某廠(chǎng)家容量10000t的油罐脆性破壞時，其強度和伸長率都(dōu)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(xiàng)關指标

目前采用最廣泛的韌性判劇(jù)是V形缺口的夏比（Charpy）試樣沖擊吸收功，它是根據20世紀40年(nián)代初美國(guó)船(chuán)體(tǐ)破壞事(shì)故的分(fēn)析經驗得(de)出來(lái)的〔5〕。當時的船(chuán)體(tǐ)均采用低碳沸騰鋼，在事(shì)故溫度下試驗時，船(chuán)體(tǐ)鋼未斷裂部位的沖擊吸收功平均爲21 J(15 ft-1 h)，因此，認爲可(kě)采用這一數值作(zuò)爲判劇(jù)來(lái)确定臨界溫度，即所謂VTr15判劇(jù)，後來(lái)又發展爲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(dàn)不得(de)低于21 J。1954年(nián)又出現了油船(chuán)斷爲兩半的事(shì)故，該船(chuán)體(tǐ)鋼爲細晶粒鋼或低合金鋼，經英國(guó)勞埃德船(chuán)級社調查分(fēn)析得(de)出，這類鋼的V形缺口沖擊吸收功低于47 J(35 fr-1b)時易于發生(shēng)脆性斷裂，因此提議(yì)以47 J沖擊吸收功作(zuò)爲最低保證值。可(kě)見(jiàn)，在同樣的使用條件(jiàn)和韌性下，高強度鋼比低強度鋼更易于斷裂。爲安全考慮，對于鋼材沖擊吸收功的要求，應随其強度的提高而作(zuò)适當的提高。1978年(nián)挪威船(chuán)級社在采油平台結構入級規範中給出了沖擊吸收功要求值與屈服強度最低值之間的關系函數，寫爲數學公式即：

VE_T≥0.1σ_γ （1）

式中 VE_T──在規定試驗溫度時的沖擊吸收功，J

σ_γ──最低屈服強度保證值，MPa。

1980年(nián)英國(guó)頒布的橋梁規程BS-5400中，不僅将焊縫韌性要求與屈服強度聯系起來(lái)，而且還(hái)考慮了闆厚δ的影(yǐng)響，其表達式爲：

σ_γ δ

VE_T≥ ─── × ── （2）

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另有報導，對于大(dà)多數大(dà)型複雜結構，如(rú)橋梁、船(chuán)舶、壓力容器等，根據斷裂力學原則，要求其結構材料的“韌強比”（RA）滿足如(rú)下要求其中（韌性值爲沖擊吸收功，J，強度值爲最低屈服強度保證值，MPa）：

RA≥0.001 6δ+0.01

式中 δ──闆厚，mm。

近年(nián)來(lái)，中國(guó)船(chuán)級社（CCS）參照(zhào)國(guó)外各船(chuán)級社（LR、NV、ABS、NK）的規範，對高強度鋼用焊條、自(zì)動焊及半自(zì)動焊焊絲的熔敷金屬強度和韌性作(zuò)出的規定見(jiàn)表1。

表1 高強度鋼用焊材的熔敷金屬力學性能要求

屈服強度 Re/MPa	抗拉強度 Rm/MPa	伸長率 A(％)	沖擊溫度 T/℃	沖擊吸收功 AkV/J
≥400	510～690	≥22	0～－60	≥47
≥460	570～720	≥20	－20～－60	≥47
≥500	610～770	≥18	－20～－60	≥50
≥550	660～830	≥18	－20～－60	≥55
≥620	720～880	≥18	－20～－60	≥62
≥690	770～940	≥18	－20～－60	≥69

該表中的數值與數學公式VE_T＝0.1σ_γ，是相(xiàng)一緻的，也是目前各國(guó)船(chuán)級社都(dōu)采用的。筆者認爲，VE_T＝0.1σ_γ的适用範圍不是無限的，而是有一定限制的。表中所列的690MPa和－60℃下69 J的強韌性配合指标已經是上限範圍了，再進一步提高強度和沖擊功的雙重要求将是難以實現的。這是金屬材料本身(shēn)的性能所決定的，強度和韌性是要相(xiàng)互制約的。

在焊縫韌性指标上，有的規範不是這樣要求的，它對各種強度級别的焊縫，都(dōu)要求相(xiàng)同的韌性水平。如(rú)潛艇用鋼，按照(zhào)日(rì)本防衛廳規格^〔6、7〕，對各種強度級别的焊條或焊絲的熔敷金屬，都(dōu)要求－50℃下的沖擊吸收功不小于27 J；其焊縫金屬的屈服強度包括460，630，800和940MPa四個等級，其焊接方法适用于焊條電弧焊、埋弧焊、MIG焊等。除了對熔敷金屬的沖擊吸收功有指标要求外，對焊接接頭還(hái)要進行落錘試驗，根據屈服強度等級和試闆厚度選用規定的打擊功，要求在－50℃下不發生(shēng)試樣斷裂。從(cóng)這兩個方面進行韌性考核應是更爲科(kē)學的。

美國(guó)軍标（MIL）對潛艇用焊接材料的韌性考核，有些方面與日(rì)本一緻，但(dàn)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，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爲強度的提高而相(xiàng)應提高，它是根據焊接材料的韌性儲備等因素來(lái)确定的。後來(lái)又改爲動态撕裂試驗（DT試驗），常用的試樣厚度約爲16mm（5/8吋），試樣的寬度和長度分(fēn)别爲41mm和180mm；對裂紋源缺口的加工(gōng)有着更嚴格的要求。試驗溫度爲30℉（約爲0℃），撕裂功的最低值要求爲610，645，680及780 J(450，475，500和575 ft-1b)。這些數值的确定也不是與強度的提高成線性關系，而與材料的韌性儲備有直接關系，例如(rú)，屈服強度大(dà)于等于920MPa級的焊縫DT值要求645 J(475 ft-1b)，而屈服強度大(dà)于等于700MPa級的焊縫，則要求其DT值≥780 J(575 ft-1b)。曾有幾年(nián)時間内，夏比V形沖擊試驗和動态撕裂試驗兩者并用，後來(lái)就(jiù)隻采用動态撕裂試驗一種方法了。

在焊接接頭的韌性考核方面與日(rì)本截然不同，美國(guó)采用的是爆炸試驗^〔8〕，試闆厚度都(dōu)爲25mm（1吋）或38mm（1.5吋），對接焊後成爲正方形，邊長分(fēn)别爲510mm或640mm，焊縫在中心部位。試驗溫度爲30℉（約爲0℃），經過3次爆炸後，希望厚度減薄率達到7％，要求不産生(shēng)碎片；允許有穿過整個厚度的裂紋，但(dàn)裂紋不應擴展到支撐區之内。美國(guó)軍标将這種方法定爲認可(kě)試驗或鑒定試驗，隻有通過此種試驗的焊接材料才能用于潛艇建造。一旦試驗被通過，隻要焊接材料的焊芯成分(fēn)、藥皮配方和原材料、制造技術(shù)和工(gōng)藝等不作(zuò)改變，就(jiù)不再進行此項試驗，隻進行熔敷金屬的韌性檢驗（夏比V形或動态撕裂試驗），而且這種韌性檢驗的目的主要是控制焊接材料的質量穩定性。故熔敷金屬的吸收功可(kě)以認爲是控制焊材産品質量的相(xiàng)對判劇(jù)。當某種焊接材料用于船(chuán)舶、橋梁、壓力容器、車輛(liàng)、高架建築等具體(tǐ)結構時，應根據結構的特征、受力情況（是靜(jìng)載還(hái)是動載、低周疲勞還(hái)是高周疲勞）、環境條件(jiàn)等，提出具體(tǐ)要求，有的還(hái)要求作(zuò)特殊的評定試驗，同時将其符合安全要求的熔敷金屬韌性指标确定下來(lái)。既不是韌性指标越高越好，也不可(kě)爲了降低成本而降低對韌性的要求。用鋼材的韌性指标來(lái)要求焊接材料也不完全是合理(lǐ)的，因爲鋼材經焊接之後，其熱(rè)影(yǐng)響區中的粗晶區因晶粒明顯長大(dà)，使韌性大(dà)幅度下降，所以爲了保證熱(rè)影(yǐng)響區有好的韌性，應該對母材韌性有更高的要求。

目前，國(guó)内外的焊接材料标準都(dōu)是由焊接材料标準化機(jī)構制定出來(lái)的。高強鋼用焊接材料的強度級别雖然不完全一緻，但(dàn)各種強度級别下的熔敷金屬韌性指标是相(xiàng)同的，主要有兩個體(tǐ)系^〔9〕：一是歐洲體(tǐ)系，沖擊吸收功要求≥47 J；太平洋周圍國(guó)家，如(rú)美國(guó)、中國(guó)、日(rì)本、韓國(guó)等，則采用另一個體(tǐ)系，即沖擊吸收功要求大(dà)于27 J。2000年(nián)以後，國(guó)際标準化組織（ISO）同時認可(kě)了這兩個體(tǐ)系，将其按A、B兩個體(tǐ)系并列于同一個标準之中。如(rú) ISO18275－2005，ISO16834－2006和ISO18276－2005，分(fēn)别是高強鋼用的焊條、實心焊絲和藥芯焊絲系标準，在這3個标準的A體(tǐ)系中統一把熔敷金屬的屈服強度劃分(fēn)成如(rú)下5個等級，即550，620，690，790和890MPa級；而熔敷金屬的沖擊吸收功不随強度等級變化，它是一個固定數值，即A體(tǐ)系要求A_kV≥47J；B體(tǐ)系要求A_kV≥27 J。但(dàn)是，在同一個沖擊功條件(jiàn)下又分(fēn)成若幹個試驗溫度，通常有+20，0，-20，-30，-40，-50，-60，-70和-80℃。可(kě)根據結構的使用溫度或對韌性儲備的要求來(lái)選擇試驗溫度，以滿足對韌性的不同需要。例如(rú)，在我國(guó)南(nán)方江河中運行的船(chuán)舶，其使用環境溫度較高，可(kě)選用較高的試驗溫度；在北方江河中運行的船(chuán)舶，其使用環境溫度較低，應選擇較低的試驗溫度。有些結構承受動載荷或疲勞載荷，與同一地區隻承受靜(jìng)載荷的結構相(xiàng)比，可(kě)采用相(xiàng)同強度的焊材，但(dàn)在韌性方面應有更大(dà)的儲備，以保證動載荷或疲勞載荷下仍能安全運行，這時一定要選擇在更低的試驗溫度下能滿足47 J或27 J沖擊吸收功要求的焊接材料。

3 結 論

在焊接接頭強度匹配方面，對于低強度的鋼種，可(kě)采用等強或超強匹配；對于高強度的鋼種，宜采用等強或低強匹配，超強匹配是不利的。在焊縫韌性指标方面，有如(rú)下幾種情況，一種是随着焊縫強度的提高對韌性的要求也提高；另一種是對各種強度級别的焊縫都(dōu)要求相(xiàng)同的沖擊吸收功，但(dàn)試驗溫度是變化的，産品的使用條件(jiàn)越苛刻，相(xiàng)對應的試驗溫度越低；還(hái)有一種是對沖擊吸收功和試驗溫度的要求都(dōu)相(xiàng)同，但(dàn)還(hái)要對焊接接頭進行落錘或爆炸等試驗，并以此作(zuò)爲認可(kě)試驗。