焊接接头强度匹配和焊缝韧性指标综述摘要：综述了焊接接头匹配的三种类型及其利弊指出了对于强度较低的钢种，采用等强或 超强匹配都 是可以的，但对于高强度钢，超强匹配是不利的，等强匹配是可取的，若焊缝 韧性明显降低，则采用低强匹配更为有利，它可以获得更大的韧性储备，改善抗断裂性能 关于焊缝韧性指标，根据使用的情况不同也有所不同1焊接接头的强度匹配长期以来，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，即所谓“等强”设计原则但实际生产中，多数是按 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 高出许多所以，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Pellini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）；根据日本学者佑藤邦彦等的 研究结果，低强匹配也是可行的，并已在工程上得到应用。
但张玉凤等人的研究指出〔3〕 超强匹配应该是有利的显然，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人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：（1）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 和韧塑性的综合作用因此，仅考虑强度而不考虑韧性进行的焊接结构设计，并不能可靠地 保证其使用的安全性2) 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，按照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3) 抗拉强度匹配系数(Sy)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Sy>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Sy>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，使焊缝的强度得到提高4) 母材的屈强比对焊接接头的断裂行为有重要的影响，母材屈强比低的抗脆断能力 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5) 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6) 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，它不仅决定于焊 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。
对于强度级别更高的钢种，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；抗裂性能也是 显著下降，为了防止出现焊接裂纹，施工条件要求极为严格，施工成本大大提高为了避免 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,它的屈服强度刃098MPa；而与之配套的焊条和 气保焊焊丝的熔敷金属屈服强度则要求＞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，日本学者佐滕邦彦的一些试验数据表明〔2〕，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2焊缝的韧性指标问题2.1焊接接头强度匹配对焊缝韧性的要求很多焊接结构的破坏事故是典型的低应力下发生的脆性断裂，断前在表观上几乎不发生 明显的塑性变形。
工程上的脆断事故，总是从存在宏观缺陷或裂纹作为源”而开始的，它在 远低于屈服应力的条件下，由于疲劳或应力腐蚀等原因而逐渐扩展，最后导致突然地低应力 断裂只要存在裂纹源，裂纹的扩展总是沿着韧性最差的部位进行从这一点考虑，总希望 焊接接头的最薄弱部位也要具有足够的韧性储备陈伯蠡教授等人在研究高强钢焊缝强韧性 匹配时得出，等强或接近等强匹配时所用的焊材，焊接接头最容易获得最优异的抗脆断性能 这是因为等强匹配时所用的焊材，不需要将其韧性提高到优于低强或超强匹配时所要求的韧 性而如欲使低强匹配或超强匹配的断裂达到等强匹配的抗断裂性效果，则要进一步改善焊 材的韧性水平降低焊材强度时，容易改善其韧性；而提高焊材强度时，大幅度地提高其韧 性则有相当难度由此可知，低强匹配比超强匹配更容易改善接头的抗脆断性能故从抗脆 性断裂方面考虑，超强匹配未必有利，在一定条件下，低强匹配反而是可行的对于低强度 钢，无论是母材还是焊缝都有较高的韧性储备，所以按等强原则选用焊接材料时，既可保证 强度要求，也不会损害焊缝韧性但对于高强钢，特别是超高强钢，其配套用的焊接材料韧 性储备是不高的，此时如仍要求焊缝与母材等强，则焊缝的韧性水平就有可能降低到安全限 以下，有可能出现因其韧性不足而引起脆断。
此时，如适当降低焊缝强度而提高其韧性，将 会更为有利已有这方面的事故教训，某厂家容量10000t的油罐脆性破坏时，其强度和伸 长率都是合格的，脆断主要是由于韧性不足引起的。