结构钢的焊接匹配探讨

jinyibo

随着结构钢强度不断提高，强度提高带来的焊接冷裂纹倾向大、焊缝金属韧性下降的问题日益显得突出，很大程度上制约了高强钢的应用。为解决该焊接难题，材料界提出了结构钢的焊接匹配的课题。对于焊接接头，焊缝金属与母材在强度上存在三种组配关系: 等强匹配(焊缝强度等于母材)、高强匹配(焊缝强度高于母材)及低强匹配(焊缝强度低于母材)。长期以来，虽然实际焊接结构的设计、焊接工艺制定及焊接材料选择基本以等强匹配为主，但一些研究人员提出了高强匹配焊接技术，而有些研究人员则认为低强匹配更易获得优质焊接接头。中国船舶重工公司第七二五研究所王任甫等人经分析认为低强匹配焊接技术能较好的控制焊接冷裂纹的产生并保证接头的抗断性能。

　虽然高强匹配焊接技术通过提高焊缝金属的强度可以降低位于焊缝中的裂纹的扩展驱动力，从而提高焊接接头抗断能力，但前提是接头总体韧性处于较高水平。随着结构钢强度的提高，焊接冷裂纹敏感性增大、焊缝韧性降低，焊接难度增大。相反，采用焊接裂纹敏感性相对较低、焊缝金属塑韧性相对较高的低强匹配焊接技术能较好的控制焊接冷裂纹的产生并保证接头的抗断性能。从大量的研究结果与实际工程经验来看，低强匹配是解决高强钢焊接难题的有效途径。
　低强匹配具有如下特点:
　（1）通过母材拘束强化，可以实现一定幅度范围内的低强匹配焊接接头与母材等强。研究显示，只要焊缝金属的强度不低于母材强度的 80% 则仍可保证接头与母材等强；焊缝金属强度比母材低 10-15% 不会引起接头总体强度的降低; 有实验证明，对于屈服强度分别为 960 MPa 和1100 MPa 级别的钢材，焊缝金属强度比母材低23%也未引起接头强度的降低。
　（2）与等强或高强匹配相比，低强匹配接头焊接残余应力峰值水平相对较低，同时焊缝金属因强度要求的降低而减少了合金成分含量，从而降低了组织淬硬倾向，使得焊接冷裂纹产生倾向相对较低，从而可以降低预热、后热等工艺要求。实验表明: 与等强或高强焊缝相比，低强匹配能有效降低焊接残余应力，同时焊缝金属具有更高的塑性和断裂韧性，降低了焊接冷裂敏感性，从而可明显降低预热温度。实际上其疲劳裂纹扩展速率与等强匹配焊缝相当。低强匹配接头焊缝金属具有相对较高的塑性和断裂韧性及较低的焊接残余应力峰值水平，在一定程度上有利于接头抗断性能的提高。
　低强匹配的概念已应用于潜艇结构用高强钢的焊接，有效地降低了焊接冷裂纹控制难度，俄罗斯一直采用低强匹配焊接技术建造各型潜艇。美国与日本的联合研究，确认了低强匹配焊接的有效性。目前，日本已将低匹配焊接技术应用于潜艇结构的建造。