1.2　焊接結(jié)構(gòu)常用金屬材料

傳統(tǒng)的焊接結(jié)構(gòu)通常采用低碳鋼或普通低合金鋼制造，隨著焊接技術(shù)的不斷完善，高強鋼在現(xiàn)代焊接結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。圖1-15所示為日本統(tǒng)計的部分大型焊接結(jié)構(gòu)用鋼材強度等級與采用的板厚規(guī)格。抗拉強度為784MPa的高強鋼（HT80）已用于制造橋梁、高壓管道、重型電機和海洋結(jié)構(gòu)等，更高強度級別合金結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用研究也正在進行。超高強度鋼在航天、航海和機器制造業(yè)中應(yīng)用也很廣泛。由于焊接結(jié)構(gòu)使用條件日益復雜和苛刻，各種抗腐蝕、抗高溫、抗深冷脆斷的合金鋼，例如含鎳量為9%、5.5%和3.5%的鎳系低溫鋼、鉻-鎳不銹鋼、耐熱鋼、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等都可用來制造焊接結(jié)構(gòu)。

新型材料（也稱先進材料）是新近開發(fā)的具有優(yōu)異性能或特殊用途的材料，由于其合成與制備常需要特殊的技術(shù)手段或環(huán)境條件，而且質(zhì)量控制很嚴，往往具有特殊的組織結(jié)構(gòu)和性能，因而傳統(tǒng)的焊接方法很難實現(xiàn)這些材料的連接，甚至根本無法實現(xiàn)冶金連接，為實現(xiàn)新材料的優(yōu)質(zhì)連接，對焊接技術(shù)提出了更高的新要求。

隨著新鋼種的研制、開發(fā)和生產(chǎn)，對于工程用鋼中的大型鋼結(jié)構(gòu)件，由于成本和熱處理等的制約，在選材時不一定按照選用常用低合金鋼的靜止思維思考，而應(yīng)考慮選用微合金化、控軋控冷生產(chǎn)的、均質(zhì)潔凈、焊接性更好、價格較低的新型工程結(jié)構(gòu)鋼材。

1.2.1　焊接結(jié)構(gòu)對鋼材的要求

為保證焊接結(jié)構(gòu)的承載能力和防止在一定條件下出現(xiàn)脆性破壞，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、載荷特征、結(jié)構(gòu)形式、連接方法、鋼材厚度和工作溫度等因素綜合考慮，對焊接結(jié)構(gòu)材料的選用必須符合一定的要求。根據(jù)GB 50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，焊接結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有屈服強度、抗拉強度、伸長率、碳含量和硫、磷的極限含量的合格保證，對于需要驗算疲勞極限的以及重要的受拉或受彎焊接結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有一定溫度下沖擊韌性的要求。

1.2.1.1　鋼材的力學性能

（1）屈服強度（σs）

屈服強度是衡量結(jié)構(gòu)承載能力和確保基本強度設(shè)計值的重要指標。碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼在應(yīng)力達到屈服后，應(yīng)變急劇增長，使結(jié)構(gòu)的實際變形突然增加到不能再繼續(xù)使用的程度。所以，鋼材所采用的強度設(shè)計值一般都以屈服強度除以適當?shù)目沽Ψ猪椣禂?shù)來確定。

（2）抗拉強度（σb）

抗拉強度是衡量鋼材經(jīng)過其本身所能產(chǎn)生的足夠變形后的抵抗能力。它不僅是反映鋼材質(zhì)量的重要指標，而且與鋼材的疲勞強度有密切關(guān)系。抗拉強度變化范圍的數(shù)值，可以反映出鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣。

（3）伸長率（δ）

伸長率是衡量鋼材塑性性能的指標。鋼材的塑性實際上是當結(jié)構(gòu)經(jīng)受其本身所產(chǎn)生的足夠變形時抵抗斷裂的能力。因此，焊接結(jié)構(gòu)所用的鋼材無論在靜載荷還是動力載荷作用下，以及在加工制造過程中，除要求具有一定的強度外，還要求有足夠的伸長率。

（4）冷彎性能

冷彎性能是衡量材料性能的綜合指標，也是塑性指標之一。通過冷彎試驗不僅可以檢驗鋼材內(nèi)部組織、結(jié)晶情況和非金屬夾雜物的分布等情況，而且在一定程度上也是鑒定焊接性能的一個指標。結(jié)構(gòu)在加工制造和安裝過程中進行冷加工時，尤其對焊接結(jié)構(gòu)焊后變形的矯正，都需要鋼材具有較好的冷彎性能。

（5）沖擊韌性

沖擊韌性是衡量抵抗脆性破壞的一個指標。因此，對于直接承受動力載荷以及重要受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)，為了防止鋼材的脆性破壞，應(yīng)具有常溫沖擊韌性的保證，在某些低溫情況下尚應(yīng)具有負溫沖擊韌性的保證。

1.2.1.2　鋼材的化學成分

鋼材的化學成分及其含量對鋼材的性能，特別是力學性能有至關(guān)重要的影響。焊接結(jié)構(gòu)所用的鋼材除保證碳含量外，硫、磷含量也不能超過國家標準的規(guī)定，因為有害元素的存在將使鋼材的焊接性能變差，且降低鋼材的沖擊韌性、塑性、疲勞強度和抗腐蝕性。例如，在碳素結(jié)構(gòu)鋼中，碳是主要元素，它直接影響鋼材的強度、塑性、韌性和焊接性等，隨著碳含量的增加，鋼的強度提高，但塑性、韌性和疲勞強度下降，同時惡化鋼材的焊接性和抗腐蝕性。因此，為保證焊接性和綜合性能要求，焊接結(jié)構(gòu)用鋼中碳的含量一般應(yīng)小于0.20%。

1.2.1.3　金屬的焊接性

（1）金屬焊接性

金屬焊接性是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性，用以衡量材料在一定焊接工藝條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度和該接頭能否在使用條件下可靠運行。金屬焊接性包含工藝焊接性和使用焊接性兩方面的內(nèi)容：一是工藝焊接性是指在一定的焊接工藝條件下能否獲得優(yōu)良致密、無缺陷焊接接頭的能力，它不是金屬本身固有的性能，而是隨著焊接方法、焊接材料和工藝措施的不斷發(fā)展而變化的，某些原來不能焊接或不易焊接的金屬材料，可能會變得能夠焊接和易于焊接；二是使用焊接性是指焊接接頭或整個結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的使用性能的程度，它取決于焊接結(jié)構(gòu)的工作條件和設(shè)計上提出的技術(shù)要求。

（2）影響焊接性的因素

焊接性是金屬材料的一種工藝性能，除了受材料本身性質(zhì)影響外，還受到工藝條件、結(jié)構(gòu)條件和使用條件的影響。

① 材料因素。材料包括母材和焊接材料。在相同焊接條件下，決定母材焊接性的主要因素是它本身的物理化學性能。母材的化學成分、冶煉軋制狀態(tài)、熱處理狀態(tài)、組織狀態(tài)和力學性能在不同程度上都對焊接性產(chǎn)生影響，其中影響其焊接性的主要因素是化學成分，影響較大的元素有碳、硫、磷、氫、氧和氮等，它們?nèi)菀滓鸷附庸に嚾毕莺徒档徒宇^的使用性能；其他合金元素如錳、硅、鉻、鎳、鉬、鈦、釩、鈮、銅、硼等都在不同程度上增加焊接接頭的淬硬傾向和裂紋敏感性。焊接材料如焊條、焊絲和焊劑等都直接參與焊接過程的一系列化學冶金反應(yīng)，如果選擇焊接材料不當，與母材不匹配，不僅不能獲得滿足使用性能的接頭，還會引起裂紋等缺陷的產(chǎn)生和組織性能的變化。由此可見，材料因素對焊接質(zhì)量的影響非常重要，正確選用母材和焊接材料是獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的重要冶金條件。

② 工藝因素。包括焊接方法、焊接參數(shù)、裝焊順序、預熱、后熱及焊后熱處理等。對同一母材，當采用不同的焊接方法和工藝措施時，所表現(xiàn)的工藝焊接性也不同。例如，鈦合金對O、N、H極為敏感，用氣焊和焊條電弧焊不可能焊接；而用氬弧焊或真空電子束焊，由于能防止O、N、H等侵入焊接區(qū)，因此可獲得良好接頭性能的鈦合金接頭。所以，發(fā)展新的焊接方法和工藝措施也是改善焊接性、實現(xiàn)難熔金屬焊接的重要途徑。

焊接方法對焊接性的影響很大，主要表現(xiàn)為焊接熱源能量密度大小、溫度高低以及熱輸入量多少，高強鋼由于對過熱比較敏感，從防止過熱出發(fā)，宜選用窄間隙焊接、脈沖電弧焊接、等離子焊接等方法；相反，對于容易產(chǎn)生白口組織的鑄鐵來說，從防止白口出發(fā)，又以選用氣焊、電渣焊等方法為宜。焊前預熱和焊后緩冷對防止熱影響區(qū)淬硬變脆、降低焊接應(yīng)力、避免氫致冷裂紋都是比較有效的。合理安排焊接順序能減小應(yīng)力與變形，焊接時，焊接順序的安排原則上應(yīng)使被焊工件在整個焊接過程中都盡量處于無拘束而自由膨脹收縮的狀態(tài)。焊后進行熱處理可以消除殘余應(yīng)力，也可以使氫逸出而防止產(chǎn)生延遲裂紋，但熱處理的溫度和時間要掌握好。

③ 結(jié)構(gòu)因素。是指焊接結(jié)構(gòu)和焊接接頭設(shè)計形式，如結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、厚度、接頭坡口形式、焊縫布置及其截面形狀等因素對焊接性的影響。結(jié)構(gòu)的剛度過大、接口斷面突然變化、接頭的缺口效應(yīng)等，均會不同程度地產(chǎn)生脆性破壞。焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響應(yīng)力狀態(tài)，從而對焊接性也產(chǎn)生影響。減小接頭的剛度、減少交叉焊縫，避免焊縫密集以及減少造成應(yīng)力集中的各種因素，都是改善焊接性的重要措施。

④ 使用條件。是指焊接結(jié)構(gòu)服役期間的工作溫度、負載條件和工作介質(zhì)等。這些工作條件和運行條件要求焊接結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的使用性能，例如，低溫工作的結(jié)構(gòu)必須具備抗脆性斷裂性能，在高溫工作的結(jié)構(gòu)要具有抗蠕變性能，在腐蝕性介質(zhì)工作的接頭應(yīng)具有高的耐蝕性能等，總之，使用條件越苛刻，對焊接性的要求就越高。

所以，面對復雜的結(jié)構(gòu)材料，為了解決焊接性問題，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)、使用條件的要求，正確地選擇母材、焊接方法和焊接材料，采取適當?shù)墓に嚧胧苊獠缓侠淼慕Y(jié)構(gòu)形式，盡量采取先進的焊接材料和自動化程度高的焊接方法。這不但可以提高焊接接頭的可靠性，還可以降低生產(chǎn)成本。

1.2.2　焊接結(jié)構(gòu)選材的基本原則

正確合理地選用焊接結(jié)構(gòu)材料對保證焊接結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和安全運行具有十分重要的意義，焊接材料的選用需要考慮多方面的因素，包括材料的特性、結(jié)構(gòu)的運行條件、加工工藝，特別是焊接工藝過程對材料性能的影響以及結(jié)構(gòu)工作環(huán)境所產(chǎn)生的作用等。

1.2.2.1　母材的選擇原則

鋼材的選擇是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的一環(huán)。根據(jù)所采用的焊接方法、施工條件和用戶的不同，焊接結(jié)構(gòu)選用的材料（即母材）必須是能得到性能優(yōu)良焊接接頭的材料，即焊接性能良好的材料。應(yīng)從焊接結(jié)構(gòu)的形式、尺寸和特點、工作環(huán)境與載荷條件、對體積重量以及剛性的要求、材料的工藝性能以及產(chǎn)品制造的經(jīng)濟性等因素全面考慮，以確保焊接結(jié)構(gòu)合理、制造經(jīng)濟、服役安全可靠等，具體原則如下：

① 使用條件。焊接結(jié)構(gòu)材料的選用首先應(yīng)滿足工作載荷、工作溫度、工作介質(zhì)和使用壽命等使用條件的要求。載荷可分為靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷兩種，直接承受動態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)和地震區(qū)的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用綜合性能好的鋼材，一般承受靜態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)則可選用價格較低的Q235鋼。與腐蝕介質(zhì)接觸的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)選用具有相應(yīng)耐蝕性的材料，其次考慮強度和韌性。當焊接結(jié)構(gòu)長期在高溫下工作時，選材的主要依據(jù)是材料在最高工作溫度下高溫短時強度和高溫持久強度，其他方面的性能要求應(yīng)以滿足其高溫強度為前提。當結(jié)構(gòu)處于低溫時容易冷脆，選材時應(yīng)首先考慮其在最低工作溫度下的沖擊韌性，其次考慮抗拉強度和塑性等性能。各類焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定的使用壽命是不同的，對于承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)，則以疲勞強度指標作為選材的依據(jù)。

② 環(huán)境條件。焊接結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境對其壽命和可靠性的影響也是不可忽略的，工作環(huán)境對焊接結(jié)構(gòu)的影響因素主要是環(huán)境溫度和環(huán)境介質(zhì)。環(huán)境溫度對材料性能有重要的影響，高溫工作的焊接結(jié)構(gòu)要求材料有足夠的高溫強度、良好的抗氧化性與組織穩(wěn)定性、較高的蠕變極限和持久塑性等；常溫工作的焊接結(jié)構(gòu)要求材料在環(huán)境溫度下具有良好的強度、延性和韌性，要特別注意材料及焊接接頭在最低自然環(huán)境下的性能，特別是韌性；低溫工作的焊接結(jié)構(gòu)要求材料有優(yōu)良的低溫性能，主要是低溫韌性和延性，最低環(huán)境溫度下的沖擊韌性是選材的依據(jù)之一。不同的環(huán)境介質(zhì)對焊接結(jié)構(gòu)材料有不同性質(zhì)和不同程度的腐蝕作用，腐蝕程度會影響焊接結(jié)構(gòu)的壽命、產(chǎn)品的質(zhì)量、主反應(yīng)和副反應(yīng)速度以及使用的安全可靠性等。除了在設(shè)計上采用有效的防腐蝕外，還應(yīng)考慮選擇具有一定耐海水腐蝕的材料。

③ 體積、剛性與重量要求。對體積、剛性有要求的焊接結(jié)構(gòu)（如車、船、起重機及宇航設(shè)備等），應(yīng)選擇強度較高的材料（如輕合金材料），以達到縮小體積、減輕重量的目的。選用低（微）合金高強度鋼代替普通的低碳鋼，可大大減輕焊接結(jié)構(gòu)的重量。即使對體積和重量無特殊要求的焊接結(jié)構(gòu)，選用強度等級較高的材料也有其技術(shù)經(jīng)濟意義，不僅可減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約大量材料，避免大型結(jié)構(gòu)吊裝和運輸困難，而且還能夠承受更高的載荷。然而，選用強度較高的材料，有時會導致焊接結(jié)構(gòu)的剛性降低。

④ 工藝性能。包括金屬的焊接性，切割性能，冷、熱加工工藝性能，熱處理性能，可鍛性，組織均勻穩(wěn)定性及大截面的淬透性等。

金屬的焊接性不僅與材料本身特性有關(guān)，而且與焊接材料、焊接方法與工藝、環(huán)境條件、焊接參數(shù)、可采取的工藝措施等有關(guān)。在碳鋼和低合金鋼的焊接接頭中，熱影響區(qū)因為急冷而產(chǎn)生淬硬傾向，熱影響區(qū)淬硬傾向大的鋼，易產(chǎn)生焊接裂紋，接頭的塑性也惡化。決定這類鋼的熱影響區(qū)淬硬性的因素之一是碳當量（CE）。當碳當量<0.4%時，鋼材的淬硬性傾向不大，焊接性優(yōu)良，焊接時可不預熱；當CE=0.4%～0.6%時，鋼材的淬硬性傾向增大，焊接時需要采取預熱、控制焊接參數(shù)、緩冷或消除擴散氫等工藝措施；當碳當量>0.6%時，鋼材的淬硬性大，屬于較難焊接的鋼材，需采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。有關(guān)碳當量和低合金鋼常用的碳當量計算公式，國際焊接學會推薦的公式如下：

（1-1）

在評價低合金高強鋼的焊接冷裂紋敏感性時，也可采用裂紋敏感性指數(shù)Pcm，即

（1-2）

此外，還可采用再熱裂紋敏感指數(shù)ΔG來粗略估計鋼的再熱裂紋敏感性，即

（1-3）

經(jīng)驗表明：>2時，鋼材對再熱裂紋敏感；<1.5時，鋼材對再熱裂紋不敏感。

材料的冷、熱加工切割性能包括能夠進行各種冷切割加工（如剪邊、沖孔、車及風鏟加工等）和熱切割加工（如氣體火焰切割、碳弧氣刨加工、激光切割等）兩個方面。材料的冷、熱加工成形性能往往能用材料對應(yīng)變時效脆性傾向和回火脆性傾向的大小來評價，應(yīng)變時效脆性傾向包括常溫應(yīng)變時效和高溫應(yīng)變時效兩種情況。材料自身性能以及加熱溫度、保溫時間、升溫速度、冷卻速度等，都對熱處理后的材料性能有很大影響。

⑤ 經(jīng)濟性。產(chǎn)品成本中材料是一個重要的組成部分，應(yīng)按照焊接產(chǎn)品承受載荷的特征、使用條件及制造工藝過程等合理選材。強度等級較低的鋼材，其價格也較低，焊接性能好，但在重載荷情況下，會導致產(chǎn)品尺寸和重量的增大；強度等級較高的鋼材，雖然價格較高，但可以節(jié)省用料，減小產(chǎn)品尺寸和重量。此外，選材時還應(yīng)考慮材料強度級別不同時，會由于材料加工、焊接難易程度的不同對制造費用產(chǎn)生的影響。

選擇結(jié)構(gòu)材料時，必須充分考慮焊接結(jié)構(gòu)材料應(yīng)滿足使用性能要求和加工性能要求，經(jīng)過對其工況條件及各種材料在不同使用條件下的性能數(shù)據(jù)進行全面分析對比和精確計算，最終選用最適用的、經(jīng)濟性最好的結(jié)構(gòu)材料。

1.2.2.2　焊接材料的選擇原則

一般應(yīng)根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)材料的化學成分、生產(chǎn)工藝、力學性能、焊接位置、服役環(huán)境、焊接結(jié)構(gòu)形狀的復雜程度、受力情況和現(xiàn)場焊接設(shè)備等情況綜合考慮。具體原則如下：

① 母材的力學性能和化學成分。對于碳素結(jié)構(gòu)鋼和低（微）合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)要求焊縫金屬與母材等強度，一般按照結(jié)構(gòu)鋼抗拉強度等級來選擇抗拉強度等級相同或稍高的焊接材料（等強或超強匹配）。焊縫金屬抗拉強度應(yīng)等于或稍高于母材，但并不是越高越好，焊縫強度過高反而有害。剛性大、受力情況復雜的焊接結(jié)構(gòu)，特別是高強鋼結(jié)構(gòu)，為了改善施工條件，降低預熱溫度，可選用比母材強度低一級的焊接材料（即低強匹配）。　　

對于耐熱鋼和各種耐蝕鋼，為保證接頭高溫性能或耐腐蝕性能，要求焊縫金屬主要合金成分與母材相近或相同。C、S、P等元素含量較高的母材應(yīng)選用含碳量低的低氫型焊接材料。

② 焊件的工作條件和使用情況。根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的工作條件選擇能滿足使用要求的焊接材料，在高溫或低溫下工作的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用耐熱鋼及低溫鋼用焊接材料，接觸腐蝕介質(zhì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用不銹鋼或其他耐腐蝕的焊接材料，承受震動載荷或沖擊載荷的結(jié)構(gòu)除保證抗拉強度外，更應(yīng)選用塑性和韌性優(yōu)良的低氫型焊接材料。重要結(jié)構(gòu)，必須采用超低氫型或低氫型焊接材料，盡可能使用專用的焊接材料。

③ 焊件幾何形狀的復雜程度、剛性大小及焊縫位置。對形狀復雜、結(jié)構(gòu)剛性大以及大厚度的焊件，由于焊接過程中易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力導致裂紋產(chǎn)生，必須采用抗裂性好的低氫型或超低氫型焊接材料。焊接部位為空間任意位置時，必須選用能進行全位置焊接的焊條或藥芯焊絲。接頭坡口難以清理干凈時，應(yīng)采用氧化性強，對鐵銹、油污等不敏感的酸性焊條或焊絲。

④ 操作工藝、設(shè)備及施工條件。在保證焊縫使用性能和抗裂性的前提下，酸性焊條的操作工藝性能較好，可盡量采用酸性焊條。在焊接現(xiàn)場沒有直流弧焊機及焊接結(jié)構(gòu)要求必須使用低氫型焊條的情況下，應(yīng)選用交、直流兩用的低氫型焊條。在被焊接容器內(nèi)部或通風條件較差的情況下，由于低氫型焊條焊接時析出的有害氣體多，應(yīng)盡量考慮采用酸性焊條。

⑤ 勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟合理性因素。在酸性焊條和堿性焊條均可滿足性能要求的情況下，為了改善焊工的勞動條件，應(yīng)盡量采用酸性焊條。在滿足使用性能和操作工藝性能的前提下，應(yīng)選用成本低、熔敷效率高的焊接材料，如鐵粉焊條、金屬粉型藥芯焊絲等。另外，CO2或Ar+CO2混合氣保護焊接所用實心焊絲及藥芯焊絲，由于具有自動化程度高、質(zhì)量好、成本低、適用于現(xiàn)場施工等優(yōu)點，應(yīng)盡量優(yōu)先采用。