1.2　焊接结构常用金属材料

传统的焊接结构通常采用低碳钢或普通低合金钢制造，随着焊接技术的不断完善，高强钢在现代焊接结构中得到广泛应用。图1-15所示为日本统计的部分大型焊接结构用钢材强度等级与采用的板厚规格。抗拉强度为784MPa的高强钢（HT80）已用于制造桥梁、高压管道、重型电机和海洋结构等，更高强度级别合金结构钢的应用研究也正在进行。超高强度钢在航天、航海和机器制造业中应用也很广泛。由于焊接结构使用条件日益复杂和苛刻，各种抗腐蚀、抗高温、抗深冷脆断的合金钢，例如含镍量为9%、5.5%和3.5%的镍系低温钢、铬-镍不锈钢、耐热钢、铝及铝合金、钛及钛合金等都可用来制造焊接结构。

新型材料（也称先进材料）是新近开发的具有优异性能或特殊用途的材料，由于其合成与制备常需要特殊的技术手段或环境条件，而且质量控制很严，往往具有特殊的组织结构和性能，因而传统的焊接方法很难实现这些材料的连接，甚至根本无法实现冶金连接，为实现新材料的优质连接，对焊接技术提出了更高的新要求。

随着新钢种的研制、开发和生产，对于工程用钢中的大型钢结构件，由于成本和热处理等的制约，在选材时不一定按照选用常用低合金钢的静止思维思考，而应考虑选用微合金化、控轧控冷生产的、均质洁净、焊接性更好、价格较低的新型工程结构钢材。

1.2.1　焊接结构对钢材的要求

为保证焊接结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、载荷特征、结构形式、连接方法、钢材厚度和工作温度等因素综合考虑，对焊接结构材料的选用必须符合一定的要求。根据GB 50017《钢结构设计规范》规定，焊接结构采用的钢材应具有屈服强度、抗拉强度、伸长率、碳含量和硫、磷的极限含量的合格保证，对于需要验算疲劳极限的以及重要的受拉或受弯焊接结构的钢材应具有一定温度下冲击韧性的要求。

1.2.1.1　钢材的力学性能

（1）屈服强度（σs）

屈服强度是衡量结构承载能力和确保基本强度设计值的重要指标。碳素结构钢和低合金钢在应力达到屈服后，应变急剧增长，使结构的实际变形突然增加到不能再继续使用的程度。所以，钢材所采用的强度设计值一般都以屈服强度除以适当的抗力分项系数来确定。

（2）抗拉强度（σb）

抗拉强度是衡量钢材经过其本身所能产生的足够变形后的抵抗能力。它不仅是反映钢材质量的重要指标，而且与钢材的疲劳强度有密切关系。抗拉强度变化范围的数值，可以反映出钢材内部组织的优劣。

（3）伸长率（δ）

伸长率是衡量钢材塑性性能的指标。钢材的塑性实际上是当结构经受其本身所产生的足够变形时抵抗断裂的能力。因此，焊接结构所用的钢材无论在静载荷还是动力载荷作用下，以及在加工制造过程中，除要求具有一定的强度外，还要求有足够的伸长率。

（4）冷弯性能

冷弯性能是衡量材料性能的综合指标，也是塑性指标之一。通过冷弯试验不仅可以检验钢材内部组织、结晶情况和非金属夹杂物的分布等情况，而且在一定程度上也是鉴定焊接性能的一个指标。结构在加工制造和安装过程中进行冷加工时，尤其对焊接结构焊后变形的矫正，都需要钢材具有较好的冷弯性能。

（5）冲击韧性

冲击韧性是衡量抵抗脆性破坏的一个指标。因此，对于直接承受动力载荷以及重要受拉或受弯的焊接结构，为了防止钢材的脆性破坏，应具有常温冲击韧性的保证，在某些低温情况下尚应具有负温冲击韧性的保证。

1.2.1.2　钢材的化学成分

钢材的化学成分及其含量对钢材的性能，特别是力学性能有至关重要的影响。焊接结构所用的钢材除保证碳含量外，硫、磷含量也不能超过国家标准的规定，因为有害元素的存在将使钢材的焊接性能变差，且降低钢材的冲击韧性、塑性、疲劳强度和抗腐蚀性。例如，在碳素结构钢中，碳是主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性等，随着碳含量的增加，钢的强度提高，但塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢材的焊接性和抗腐蚀性。因此，为保证焊接性和综合性能要求，焊接结构用钢中碳的含量一般应小于0.20%。

1.2.1.3　金属的焊接性

（1）金属焊接性

金属焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，用以衡量材料在一定焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度和该接头能否在使用条件下可靠运行。金属焊接性包含工艺焊接性和使用焊接性两方面的内容：一是工艺焊接性是指在一定的焊接工艺条件下能否获得优良致密、无缺陷焊接接头的能力，它不是金属本身固有的性能，而是随着焊接方法、焊接材料和工艺措施的不断发展而变化的，某些原来不能焊接或不易焊接的金属材料，可能会变得能够焊接和易于焊接；二是使用焊接性是指焊接接头或整个结构满足产品技术条件规定的使用性能的程度，它取决于焊接结构的工作条件和设计上提出的技术要求。

（2）影响焊接性的因素

焊接性是金属材料的一种工艺性能，除了受材料本身性质影响外，还受到工艺条件、结构条件和使用条件的影响。

① 材料因素。材料包括母材和焊接材料。在相同焊接条件下，决定母材焊接性的主要因素是它本身的物理化学性能。母材的化学成分、冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态和力学性能在不同程度上都对焊接性产生影响，其中影响其焊接性的主要因素是化学成分，影响较大的元素有碳、硫、磷、氢、氧和氮等，它们容易引起焊接工艺缺陷和降低接头的使用性能；其他合金元素如锰、硅、铬、镍、钼、钛、钒、铌、铜、硼等都在不同程度上增加焊接接头的淬硬倾向和裂纹敏感性。焊接材料如焊条、焊丝和焊剂等都直接参与焊接过程的一系列化学冶金反应，如果选择焊接材料不当，与母材不匹配，不仅不能获得满足使用性能的接头，还会引起裂纹等缺陷的产生和组织性能的变化。由此可见，材料因素对焊接质量的影响非常重要，正确选用母材和焊接材料是获得优质焊接接头的重要冶金条件。

② 工艺因素。包括焊接方法、焊接参数、装焊顺序、预热、后热及焊后热处理等。对同一母材，当采用不同的焊接方法和工艺措施时，所表现的工艺焊接性也不同。例如，钛合金对O、N、H极为敏感，用气焊和焊条电弧焊不可能焊接；而用氩弧焊或真空电子束焊，由于能防止O、N、H等侵入焊接区，因此可获得良好接头性能的钛合金接头。所以，发展新的焊接方法和工艺措施也是改善焊接性、实现难熔金属焊接的重要途径。

焊接方法对焊接性的影响很大，主要表现为焊接热源能量密度大小、温度高低以及热输入量多少，高强钢由于对过热比较敏感，从防止过热出发，宜选用窄间隙焊接、脉冲电弧焊接、等离子焊接等方法；相反，对于容易产生白口组织的铸铁来说，从防止白口出发，又以选用气焊、电渣焊等方法为宜。焊前预热和焊后缓冷对防止热影响区淬硬变脆、降低焊接应力、避免氢致冷裂纹都是比较有效的。合理安排焊接顺序能减小应力与变形，焊接时，焊接顺序的安排原则上应使被焊工件在整个焊接过程中都尽量处于无拘束而自由膨胀收缩的状态。焊后进行热处理可以消除残余应力，也可以使氢逸出而防止产生延迟裂纹，但热处理的温度和时间要掌握好。

③ 结构因素。是指焊接结构和焊接接头设计形式，如结构形状、尺寸、厚度、接头坡口形式、焊缝布置及其截面形状等因素对焊接性的影响。结构的刚度过大、接口断面突然变化、接头的缺口效应等，均会不同程度地产生脆性破坏。焊接接头的结构设计会影响应力状态，从而对焊接性也产生影响。减小接头的刚度、减少交叉焊缝，避免焊缝密集以及减少造成应力集中的各种因素，都是改善焊接性的重要措施。

④ 使用条件。是指焊接结构服役期间的工作温度、负载条件和工作介质等。这些工作条件和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能，例如，低温工作的结构必须具备抗脆性断裂性能，在高温工作的结构要具有抗蠕变性能，在腐蚀性介质工作的接头应具有高的耐蚀性能等，总之，使用条件越苛刻，对焊接性的要求就越高。

所以，面对复杂的结构材料，为了解决焊接性问题，必须根据结构、使用条件的要求，正确地选择母材、焊接方法和焊接材料，采取适当的工艺措施，避免不合理的结构形式，尽量采取先进的焊接材料和自动化程度高的焊接方法。这不但可以提高焊接接头的可靠性，还可以降低生产成本。

1.2.2　焊接结构选材的基本原则

正确合理地选用焊接结构材料对保证焊接结构的制造质量和安全运行具有十分重要的意义，焊接材料的选用需要考虑多方面的因素，包括材料的特性、结构的运行条件、加工工艺，特别是焊接工艺过程对材料性能的影响以及结构工作环境所产生的作用等。

1.2.2.1　母材的选择原则

钢材的选择是焊接结构设计中重要的一环。根据所采用的焊接方法、施工条件和用户的不同，焊接结构选用的材料（即母材）必须是能得到性能优良焊接接头的材料，即焊接性能良好的材料。应从焊接结构的形式、尺寸和特点、工作环境与载荷条件、对体积重量以及刚性的要求、材料的工艺性能以及产品制造的经济性等因素全面考虑，以确保焊接结构合理、制造经济、服役安全可靠等，具体原则如下：

① 使用条件。焊接结构材料的选用首先应满足工作载荷、工作温度、工作介质和使用寿命等使用条件的要求。载荷可分为静态载荷和动态载荷两种，直接承受动态载荷的结构和地震区的结构应选用综合性能好的钢材，一般承受静态载荷的结构则可选用价格较低的Q235钢。与腐蚀介质接触的焊接结构应选用具有相应耐蚀性的材料，其次考虑强度和韧性。当焊接结构长期在高温下工作时，选材的主要依据是材料在最高工作温度下高温短时强度和高温持久强度，其他方面的性能要求应以满足其高温强度为前提。当结构处于低温时容易冷脆，选材时应首先考虑其在最低工作温度下的冲击韧性，其次考虑抗拉强度和塑性等性能。各类焊接结构设计规定的使用寿命是不同的，对于承受交变载荷的焊接结构，则以疲劳强度指标作为选材的依据。

② 环境条件。焊接结构的工作环境对其寿命和可靠性的影响也是不可忽略的，工作环境对焊接结构的影响因素主要是环境温度和环境介质。环境温度对材料性能有重要的影响，高温工作的焊接结构要求材料有足够的高温强度、良好的抗氧化性与组织稳定性、较高的蠕变极限和持久塑性等；常温工作的焊接结构要求材料在环境温度下具有良好的强度、延性和韧性，要特别注意材料及焊接接头在最低自然环境下的性能，特别是韧性；低温工作的焊接结构要求材料有优良的低温性能，主要是低温韧性和延性，最低环境温度下的冲击韧性是选材的依据之一。不同的环境介质对焊接结构材料有不同性质和不同程度的腐蚀作用，腐蚀程度会影响焊接结构的寿命、产品的质量、主反应和副反应速度以及使用的安全可靠性等。除了在设计上采用有效的防腐蚀外，还应考虑选择具有一定耐海水腐蚀的材料。

③ 体积、刚性与重量要求。对体积、刚性有要求的焊接结构（如车、船、起重机及宇航设备等），应选择强度较高的材料（如轻合金材料），以达到缩小体积、减轻重量的目的。选用低（微）合金高强度钢代替普通的低碳钢，可大大减轻焊接结构的重量。即使对体积和重量无特殊要求的焊接结构，选用强度等级较高的材料也有其技术经济意义，不仅可减轻结构自重，节约大量材料，避免大型结构吊装和运输困难，而且还能够承受更高的载荷。然而，选用强度较高的材料，有时会导致焊接结构的刚性降低。

④ 工艺性能。包括金属的焊接性，切割性能，冷、热加工工艺性能，热处理性能，可锻性，组织均匀稳定性及大截面的淬透性等。

金属的焊接性不仅与材料本身特性有关，而且与焊接材料、焊接方法与工艺、环境条件、焊接参数、可采取的工艺措施等有关。在碳钢和低合金钢的焊接接头中，热影响区因为急冷而产生淬硬倾向，热影响区淬硬倾向大的钢，易产生焊接裂纹，接头的塑性也恶化。决定这类钢的热影响区淬硬性的因素之一是碳当量（CE）。当碳当量<0.4%时，钢材的淬硬性倾向不大，焊接性优良，焊接时可不预热；当CE=0.4%～0.6%时，钢材的淬硬性倾向增大，焊接时需要采取预热、控制焊接参数、缓冷或消除扩散氢等工艺措施；当碳当量>0.6%时，钢材的淬硬性大，属于较难焊接的钢材，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施。有关碳当量和低合金钢常用的碳当量计算公式，国际焊接学会推荐的公式如下：

（1-1）

在评价低合金高强钢的焊接冷裂纹敏感性时，也可采用裂纹敏感性指数Pcm，即

（1-2）

此外，还可采用再热裂纹敏感指数ΔG来粗略估计钢的再热裂纹敏感性，即

（1-3）

经验表明：>2时，钢材对再热裂纹敏感；<1.5时，钢材对再热裂纹不敏感。

材料的冷、热加工切割性能包括能够进行各种冷切割加工（如剪边、冲孔、车及风铲加工等）和热切割加工（如气体火焰切割、碳弧气刨加工、激光切割等）两个方面。材料的冷、热加工成形性能往往能用材料对应变时效脆性倾向和回火脆性倾向的大小来评价，应变时效脆性倾向包括常温应变时效和高温应变时效两种情况。材料自身性能以及加热温度、保温时间、升温速度、冷却速度等，都对热处理后的材料性能有很大影响。

⑤ 经济性。产品成本中材料是一个重要的组成部分，应按照焊接产品承受载荷的特征、使用条件及制造工艺过程等合理选材。强度等级较低的钢材，其价格也较低，焊接性能好，但在重载荷情况下，会导致产品尺寸和重量的增大；强度等级较高的钢材，虽然价格较高，但可以节省用料，减小产品尺寸和重量。此外，选材时还应考虑材料强度级别不同时，会由于材料加工、焊接难易程度的不同对制造费用产生的影响。

选择结构材料时，必须充分考虑焊接结构材料应满足使用性能要求和加工性能要求，经过对其工况条件及各种材料在不同使用条件下的性能数据进行全面分析对比和精确计算，最终选用最适用的、经济性最好的结构材料。

1.2.2.2　焊接材料的选择原则

一般应根据焊接结构材料的化学成分、生产工艺、力学性能、焊接位置、服役环境、焊接结构形状的复杂程度、受力情况和现场焊接设备等情况综合考虑。具体原则如下：

① 母材的力学性能和化学成分。对于碳素结构钢和低（微）合金高强度结构钢，大多数焊接结构要求焊缝金属与母材等强度，一般按照结构钢抗拉强度等级来选择抗拉强度等级相同或稍高的焊接材料（等强或超强匹配）。焊缝金属抗拉强度应等于或稍高于母材，但并不是越高越好，焊缝强度过高反而有害。刚性大、受力情况复杂的焊接结构，特别是高强钢结构，为了改善施工条件，降低预热温度，可选用比母材强度低一级的焊接材料（即低强匹配）。　　

对于耐热钢和各种耐蚀钢，为保证接头高温性能或耐腐蚀性能，要求焊缝金属主要合金成分与母材相近或相同。C、S、P等元素含量较高的母材应选用含碳量低的低氢型焊接材料。

② 焊件的工作条件和使用情况。根据焊接结构的工作条件选择能满足使用要求的焊接材料，在高温或低温下工作的结构应选用耐热钢及低温钢用焊接材料，接触腐蚀介质的结构应选用不锈钢或其他耐腐蚀的焊接材料，承受震动载荷或冲击载荷的结构除保证抗拉强度外，更应选用塑性和韧性优良的低氢型焊接材料。重要结构，必须采用超低氢型或低氢型焊接材料，尽可能使用专用的焊接材料。

③ 焊件几何形状的复杂程度、刚性大小及焊缝位置。对形状复杂、结构刚性大以及大厚度的焊件，由于焊接过程中易产生较大的焊接应力导致裂纹产生，必须采用抗裂性好的低氢型或超低氢型焊接材料。焊接部位为空间任意位置时，必须选用能进行全位置焊接的焊条或药芯焊丝。接头坡口难以清理干净时，应采用氧化性强，对铁锈、油污等不敏感的酸性焊条或焊丝。

④ 操作工艺、设备及施工条件。在保证焊缝使用性能和抗裂性的前提下，酸性焊条的操作工艺性能较好，可尽量采用酸性焊条。在焊接现场没有直流弧焊机及焊接结构要求必须使用低氢型焊条的情况下，应选用交、直流两用的低氢型焊条。在被焊接容器内部或通风条件较差的情况下，由于低氢型焊条焊接时析出的有害气体多，应尽量考虑采用酸性焊条。

⑤ 劳动生产率和经济合理性因素。在酸性焊条和碱性焊条均可满足性能要求的情况下，为了改善焊工的劳动条件，应尽量采用酸性焊条。在满足使用性能和操作工艺性能的前提下，应选用成本低、熔敷效率高的焊接材料，如铁粉焊条、金属粉型药芯焊丝等。另外，CO2或Ar+CO2混合气保护焊接所用实心焊丝及药芯焊丝，由于具有自动化程度高、质量好、成本低、适用于现场施工等优点，应尽量优先采用。