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焊接接头强度匹配和焊缝韧性指标综述(2)

2008-03-14    作者: 李少华,尹士科,刘奇凡

    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。


    2.2  焊缝韧性的相关指标

    目前采用最广泛的韧性判剧是V形缺口的夏比(Charpy)试样冲击吸收功,它是根据20世纪40年代初美国船体破坏事故的分析经验得出来的〔5〕。当时的船体均采用低碳沸腾钢,在事故温度下试验时,船体钢未断裂部位的冲击吸收功平均为21 J(15 ft-1 h),因此,认为可采用这一数值作为判剧来确定临界温度,即所谓VTr15判剧,后来又发展为平均冲击吸收功不小于27 J(20 fr-1b),且允许有一个试样低于此值,但不得低于21 J。1954年又出现了油船断为两半的事故,该船体钢为细晶粒钢或低合金钢,经英国劳埃德船级社调查分析得出,这类钢的V形缺口冲击吸收功低于47 J(35 fr-1b)时易于发生脆性断裂,因此提议以47 J冲击吸收功作为最低保证值。可见,在同样的使用条件和韧性下,高强度钢比低强度钢更易于断裂。为安全考虑,对于钢材冲击吸收功的要求,应随其强度的提高而作适当的提高。1978年挪威船级社在采油平台结构入级规范中给出了冲击吸收功要求值与屈服强度最低值之间的关系函数,写为数学公式即:



    
    近年来,中国船级社(CCS)参照国外各船级社(LR、NV、ABS、NK)的规范,对高强度钢用焊条、自动焊及半自动焊焊丝的熔敷金属强度和韧性作出的规定见表1。

     
表1  高强度钢用焊材的熔敷金属力学性能要求

    屈服强度Re/MPa  抗拉强度Rm/MPa  伸长率A()  冲击温度T/℃  冲击吸收功AkV/J
       ≥400          510~690        ≥22         0~-60          ≥47
       ≥460          570~720        ≥20       -20~-60         ≥47
       ≥500          610~770        ≥18       -20~-60         ≥50
       ≥550          660~830        ≥18       -20~-60         ≥55
       ≥620          720~880        ≥18       -20~-60         ≥62
       ≥690          770~940        ≥18       -20~-60         ≥69

    该表中的数值与数学公式VET=0.1σγ,是相一致的,也是目前各国船级社都采用的。笔者认为,VET=0.1σγ的适用范围不是无限的,而是有一定限制的。表中所列的690MPa和-60℃下69 J的强韧性配合指标已经是上限范围了,再进一步提高强度和冲击功的双重要求将是难以实现的。这是金属材料本身的性能所决定的,强度和韧性是要相互制约的。

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