【钢结构阳光房】焊接接头高强度是否一定好？

长久以来，焊接结构的设计是建立在焊缝和母材的抗压强度之上的，焊缝与母材在抗压强度上的配合关系可分为三种：焊缝抗压强度等于母材（等强匹配）、焊缝抗压强度超出母材（超强匹配，也叫高强匹配）、焊缝抗压强度低于母材（低强匹配）。

从结构的安全可靠考虑，一般都要求焊缝抗压强度至少与母材抗压强度相等，即“等强”设计标准。但实际生产中，多是按照熔敷金属件抗压强度来选择焊接材料，而熔敷金属件抗压强度并非是实际的焊缝抗压强度。熔敷金属件不等同于焊缝金属件，特别是低合金高强度钢用焊接材料，其焊缝金属件的抗压强度往往比熔敷金属件的抗压强度高出很多。所以，就会出现名义“等强”而实际“超强”的结果。

高强匹配是否一定靠普，答案并不一致。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，可采用在抗压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人的研究结果，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，涉及焊接结构靠普的有关焊缝抗压强度匹配的设计标准，还缺乏充分的理论和实践的依据，未有一致的的认识。为了断定焊接接头更合理的设计的概念和为正确所用焊接材料提供依据，清华陈伯蠡教授团队承接了国家自然科学基金“高强钢焊缝强韧性匹配伦理学研究”的项目。课题的研究内容有：490MPa级低屈强比高强钢接头的屈服应力，690~780MPa级高屈强比高强钢接头的屈服应力，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。

大量试验结果得出以下结论：

1、对于抗拉伸强度490MPa级的低屈标高强钢，选用具备一定韧性而适当超强的优质焊材是有利的。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”的优质焊材应更为合理。该类钢对接焊缝的断裂强度和断裂行为取决于优质焊材的抗拉强度和塑韧性的综合作用。因而，仅考虑抗拉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。

2、对于抗拉伸强度690~780MPa级的高屈标高强钢，其对接焊缝的断裂特性不仅与焊道的抗拉强度、韧性和可塑性有关，而且受对接焊缝的不均质性所制约，焊道过分超强或过分低强均不理想，而接近等强匹配的金属接头具备最佳的断裂特性，按实际等强标准构思对接焊缝是合理的。因而焊道抗拉强度应有上限和下限的限定。

3、抗拉伸强度匹配系数（Sr）即优质焊材的熔敷金属抗拉伸强度与原材质抗拉伸强度之比值，它可以反映金属接头力学特性的不均质性。试验结果表明，当Sr≧0.9时，可以认为对接焊缝抗拉强度很接近原材质抗拉强度。因而，生产实践中采用比原材质抗拉强度降低10%的优质焊材施焊，是可以保证金属接头等抗拉强度构思要求的。当Sr≧0.86时，金属接头抗拉强度可达原材质抗拉强度的95%以上，这是因为抗拉强度较高的原材质对焊道金属产生拘束作用，使焊道抗拉强度取得改善。

4、原材质的屈标对对接焊缝的断裂行为有重要影响，原材质屈标低的金属接头抗脆断能力较原材质屈标高的金属接头抗脆断能力更好。这说明原材质的可塑性储备对金属接头的抗脆断特性亦有较大的影响。

5、焊道金属的变形行为遭受焊道与原材质力学特性匹配情况的影响。在相同拉伸应力下，低屈标钢的超强匹配金属接头的焊道应变力较大，高屈标钢的低强匹配金属接头的焊道应变力较小，对接焊缝的裂纹张开位移（COD值）也呈现出相同的趋势，即低屈标钢的超强匹配金属接头具备裂纹顶部处易于屈服且裂纹顶部变形量更大的优势。

6、对接焊缝的抗脆断特性与金属接头力学特性的不均质性有很大关系，他不仅决定于焊道的抗拉强度，而且受焊道的韧性和可塑性所制约。优质焊材的选取不仅要保证焊道具备适宜的抗拉强度，更要保证焊道具备足够高的韧性和可塑性，即要控制好焊道的强韧性匹配。

关于强度等级高的钢种，要使焊道金属与母材实现等强匹配则存在着很大的技术难度，那怕焊道强度实现了等强，却使焊道的塑性、韧性下降到了不能认同的程度；抗裂特性也显著性下降，为尽量避免焊接裂纹，施工条件的要求极为严谨，作业费用大幅提高。

为了避免这种只追求强度而损害结构整体特性，提高作业上的经济可靠性，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的要求大于或等于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，焊道的含碳及碳当量都可以下降，这将使焊道的塑韧性获得提高，抗裂特性获得改善，给焊接作业带来了方便，下降了作业方面的费用。

另外，日本学者佐藤邦彦的很多试验数据证明，只要焊道金属的强度不低于母材强度的80%，仍可确保接头与母材等强，但是低强焊道的接头整体伸长率要低很多。在疲劳负荷作用下，如不去除焊道的余高，疲劳裂纹将产生在熔合区；但若去除焊道的余高，疲劳裂纹将产生在低强度的焊道之中。因此，关于低强焊道的运用，应当结合条件进行很多试验工作为宜。