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      焊接接頭的強度匹配

      返回列表 來源:諾亞工業 瀏覽量: 90 發布日期:2021-11-05 17:09:00

      一直以來,電焊焊接構造的傳統式設計原理大部分是強度設計。在具體的電焊焊接構造中,焊接與母材在強度上的配合關系可有三種:焊縫強度相當于母材(等強配對),焊縫強度超過母材(超強配對,也叫高強配對)及焊縫強度小于母材(低強配對)。從構造的安全性穩定性考慮,一般都規定焊縫強度最少與母材強度相同,即“等強”設計原理。但具體制造中,多是依照熔敷金屬材料強度來挑選母材,而熔敷金屬材料強度并不是具體的焊縫強度。熔敷金屬材料不等同于焊縫金屬,尤其是低合金高強度鋼用焊材,其焊縫金屬材料的硬度通常比熔敷合金的強度高于許多。

      因此,便會出現“等強”而實際“超強”的結果。超強匹配是不是一定安全可靠,認識上并不一致,而且有一定的質疑。在我國九江長江大橋設計方案中就限定焊縫的超強值”不得超過98MPa;美國的專家學者Pelini則明確提出,為了更好地做到保守的結構完整性目標,可選用在強度方面與母材相當的焊接或比母材低137MPa的焊接(即低強匹配);依據日本專家學者佐藤邦彥等的分析結果,低強配對也是有效的,并已在項目上使用。但比利時專家學者Soete和我國張玉鳳等的見解是,超強匹配應當有益。顯而易見,涉及到電焊焊接構造安全可靠的相關焊縫強度匹配的設計原理,還沒有充足的基礎理論和實踐依據,沒有統一的見解。為了明確焊接接頭更有效的設計思路和為正確采用焊接材料提供根據,清華大學陳伯蠡專家等承攬了國家自然科學基金研究項目“高強鋼焊縫強韌性匹配理論研究”。課題研究的研究方向有:490MPa級低屈強比高強度鋼板連接頭的斷裂程度,690~780MPa級高屈強比高強度鋼板連接頭的斷裂程度,無缺口焊接接頭的抗拉強度,深缺口試樣缺口頂部的變形行為,對接焊縫的NDT實驗等。很多實驗結果顯示:

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      針對抗拉強度490MPa級的低屈強比高強度鋼板,采用具有一定韌性而適當超強的焊材是有益的。如果綜合焊接方法和使用適應性等要素,采用具有一定韌性而具體“等強”的焊材應更加有效。此類鋼焊接接頭的斷裂強度和破裂行為在于焊材的強度和塑韌性的綜合性功效。因而,僅考慮到強度而不考慮到韌性而實現的焊接設計,并不能可靠的確保其操作安全。

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      針對抗拉強度690~780MPa級的高屈強比高強鋼,其焊接接頭的斷裂性能不但與焊縫的強度,韌性和塑性變形相關,并且受對接焊縫的不均勻質性所牽制,焊縫過分超強或過分低強均不理想化,而貼近等強配對的連接頭具備最好的破裂特性,按具體等強標準設計方案對接焊縫是有效的。因而焊接抗壓強度應該有上限和下限的限定。

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      抗拉強度配對指數(Sr)即焊材的熔敷金屬材料抗壓強度與母材抗拉強度之比率,它能夠體現連接頭物理性能的不均勻質性。實驗結果顯示,當Sr≧0.9時,能夠覺得對接焊縫抗壓強度很貼近母材抗壓強度。因而,生活實踐中選用比母材抗壓強度減少10%的焊材焊接,是還可以確保連接頭等抗壓強度設計方案規定的。當Sr≧0.86時,連接頭抗壓強度達到母材抗壓強度的95%之上,這是由于抗壓強度較高的母材對焊接金屬材料產生拘束作用,使焊接抗壓強度得到提高。

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      母材的屈強比對接焊縫的斷裂行為有重要影響,母材屈強比低的接頭抗脆斷能力較母材屈強比高的接頭抗脆斷能力更強。這表明母材的塑性貯備對接口的抗脆斷性能亦有很大的影響。

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      焊縫金屬材料的變形行為受到焊縫與母材物理性能匹配狀況的影響。在同樣拉伸載荷下,低屈強比鋼的超強匹配接頭的焊縫應變力比較大,高屈強比鋼的低強匹配接頭的焊縫應變力較小,焊接接頭的裂痕張開位移(COD值)也呈現同樣的趨勢,即低屈強比鋼的超強匹配接頭具有裂痕頂部處便于妥協且裂痕頂部形變量更高的優點。

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      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關系,他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適宜的強度,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。
      對于強度級別高的鋼種,要使焊縫金屬與母材達到等強匹配則存在很大的技術難度,既使焊縫強度達到了等強,卻使焊縫的塑性、韌性降低到了不可接受的程度;抗裂性能也顯著下降,為防止出現焊接裂紋,施工條件要求極為嚴格,施工成本大大提高。
      為了避免這種只追求強度而損害結構整體性能,提高施工上的經濟可靠性,不得不把強度降下來,采用低強匹配方案。如日本的潛艇用鋼NS110,它的屈服強度大于或等于1098MPa,而與之配套的焊條和氣保焊絲的熔敷金屬屈服強度則要求大于或等于940MPa,其屈服強度匹配系數為0.85。采用低強匹配的焊接材料后,焊縫的含碳量及碳當量都可以降低,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,日本學者佐藤邦彥的一些試驗數據表明,只要焊縫金屬的強度不低于母材強度的80%,仍可保證接頭與母材等強,但是低強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,疲勞裂紋將產生在熔合區;但若削除焊縫的余高,疲勞裂紋將產生在低強度的焊縫之中。因此,關于低強焊縫的運用,應當結合具體條件進行一些試驗工作為宜。


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