钢材用钢与焊接及检验-典尚设计

钢桥用材与连接（结构设计与工艺设计）史永吉第一章 钢 材1.1 何为钢（1）钢是指以铁元素（Fe）为主要成分的合金。 （2）铁元素的数量Fe是地球上居氧、硅、铝之后，资源占第4位的元素，约占全部元素总量的5，有着丰富的资源 ，所以，铁基金属是各项工程中的主要用材 。（3）铁和钢的制造 图1.1 钢材的制造（4）铁与钢的区别铁与钢的主要区别是C含量(以C化物存在于Fe中，3Fe+C=Fe3C)的多少。一般而言，C0.04%，称为铁；C0.042.1，称为钢； C2.16.7称为铸铁。C含量越多，越硬越强，但变脆；相反C含量越少，越软，强度下降。所以，C及其他微量金属对铁基金属材料性能（强度、延性、韧性）影响很大。（5）碳素钢和合金钢碳素钢：含有以C为主要微量元素的C、Si、Mn、P、S等铁基金属称为碳素钢，又叫普通钢。C、Si、Mn元素提高强度，Si、Mn元素增大韧性，而P、S 则是有害元素。合金钢：碳素钢中添加C元素以外的合金元素如Ni、Cr、Mo、Nb、Ti等，可以改变碳素钢的性能，称为低合金钢或特殊用钢。1.2 钢的特性（1）钢的代表特性是其力学性能 强度：钢材的强度是指抗拉极限强度和屈服强度。钢材强度取决于合金成分、轧制工艺、热处理等因素。另外，强度与硬度有关，强度高硬度相应要高。屈服强度与极限强度密切相关，一般情况下：热轧钢材的屈强比约为70，调质钢材没有明显的屈服台阶，屈强比大于8090。延性：钢材的延性是在外力作用时钢材的变形特性，通常用伸长率和断面收缩率表示。C含量越低，钢材的硬度降低越大，延性越高。韧性：钢材韧性是指在荷载作用下抵抗变形所吸收的能量。硬度越高韧性越低。此外，钢材的韧性随温度变化，在通常的大气环境温度范围内，随温度下降韧性呈降低的倾向。韧性与温度不是线性关系，一般情况下，分为下平台、脆性转变温度区和上平台，如图1.2所示。Cv图1.2 钢材韧性与温度的关系（2）钢材的物理性能：如弹性模量E、线涨系数、泊桑比、容重等。钢材的物理性能与化学元素、材料力学性能等没有关系，均为常数。（3）钢材的加工性能冷加工：冷加工指冷弯、剪切、制孔、机械切削等。冷加工产生冷作塑性变形，增加硬度和强度，降低延性和韧性。热加工：热加工指热切割、焊接、热矫形、热成型等。所有热加工均使钢材局部受热和冷却。局部加热和冷却引起热影响区母材金属组织及性能的变化，并产生残余应力和残余变形。（4）轧制方向与钢材性能的关系钢板在轧制方向和垂直于轧制方向的力学性能是不一样的。一般热轧钢材的抗拉强度和屈服应力后者比前者稍有降低，约5左右，延伸率约降低1015，断面收缩率约降低515%，常温冲击韧性约降低50左右。所以，在桥梁设计和制造上应予注意，主要构件，即使是双向受力的板，主要应力应与轧制方向一致。连接板则可不受此限。1.3桥梁用钢的发展1.3.1 钢材强度范围改变钢材的成分和组织，可以逐渐提高钢材的强度。理论上钢材最大强度可达14000MPa，当钢的晶粒直径为12m呈纤维结晶时，钢材可接近这一强度。图1.3为钢材强度的变化范围。铁是单结晶状态时，强度很低，约30MPa，添加微量C元素，可提高强度，结晶粒度越小时，可达约200MPa。再添加Mn、Si等微量合金元素，强度可得300MPa500MPa，这是属于非调质低合金钢。再添加其他微量合金元素，并经调质处理，强度可达600 MPa900 MPa。冶金上进一步研究，现已制成1000 MPa2000 MPa高强度钢和超高强度钢，目前世界上最高强度钢材用于宇宙火箭机身，强度达2300 MPa。利用加工硬化特性可进一步提高钢材强度。所谓加工硬化是指加快塑性变形，增加原子排列错乱，使之呈混乱的丝状并互相绞缠在一起，可增加硬度和强度，高强度冷拔钢丝和钢琴线钢丝等就是基于这一原理。屈服点、抗拉强度（Kg/mm2）理论强度纤维结晶钢冷拔钢丝马氏体钢调质高强度钢非调质低合金钢低碳钢（屈服强度）屈服强度）单结晶铁（屈服强度：3 Kg/mm2）组织变化高强度钢超高强钢图1.3 钢铁强度谱1.3.2高强度钢的发展如前所述，增加含C量及其他合金元素可以提高强度，然而作为桥梁用钢，不仅需考虑强度，还要考虑延性、韧性，同时要考虑焊接性、加工性，以及其他使用方面的特性等，因此，开发高强度钢必须兼顾其它性能，即钢材应具有优越的综合性能。（1）提高钢材强度的途径添加微量合金元素 对于热轧钢材，为改善焊接性，需控制较低含C量。添加Mn、Ni、Cr、Mo、Nb、Ti、V等微量元素，使金相组织呈铁素体珠光体达到固熔强化和析出强化，其中添加Si、Mn、Ni、Cr等微量元素，在铁素体中固熔强化，添加Mo、Nb、Ti、V等微量元素，析出N化物而强化。对于正火钢材，添加Al、Nb、V等微量元素可以细化晶粒，同时改善强度和韧性。热处理热处理是提高钢材强度、改善综合性能的另一重要方法。钢材热处理方法简介如下。l 退火处理： 加热至奥氏体相变温度（约750C）以上，在炉内缓慢冷却至珠光体相变温度（约550C ），再较快冷却至室温。目的是降低硬度，细化晶粒，消除残余应力。l 正火处理： 加热至奥氏体相变温度（约750C），较快冷却至珠光体相变温度（约550C ），再缓慢冷却至室温。目的是降低硬度，细化晶粒。然而，为使钢材既要有较高的强度又要有较好的韧性和可焊性，这中间有一个界限，正火处理一般用于极限强度400MPab600MPa的高强度低合金钢。目的是提高强度、保持足够的韧性和延性。奥氏体珠光体马氏体淬火正火回火缓冷缓冷稍快冷快冷稍快冷缓冷图1.4 钢材热处理概要新的控轧技术的应用TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)钢是在连铸连轧工艺基础上，控温控冷却速度的一种控轧新工艺。在不增添微量元素的情况下，改善微观组织使铁素体细化，达到高强度、高韧性、高焊接性，特别是厚板（40mm100mm），改善强度随板厚增加而有明显降低的倾向。目前TCMP工艺主要应用于极限强度580MPa以下的热轧钢材。1.3.3桥梁用高强度钢（1）高强度钢的特点高强度钢的优点是极限强度和屈服强度较高，从而，有较高的容许应力，可使结构合理化、轻型化，重量较轻，有利于制造、和架设吊运，板厚较薄也有利于组装和焊接等质量的稳定性。然而，随着抗拉强度提高，屈强比也增大，延伸率降低，图1.5表示不同强度钢材的应力应变曲线。800MPa级钢材没有明显的屈服点，一般用0.9残余变形的应力作为其屈服点。所以，在钢结构设计的初期阶段就提出基于由屈服点除以特殊安全系数来确定容许应力的概念，安全系数应随屈强比增大而变化，极限强度为400、500700、800Mpa的钢材，安全系数分别取为1.72.2。镀锌钢丝80级钢70级钢低屈强比60级钢屈服点应力应变（）50级钢40级钢封闭型钢丝绳图1.5 各种钢材的应力应变曲线此外，考虑到抗震性，超高强钢材的屈强比控制在80以下是非常重要的。还有焊接性等施工性。所以在研发高强度钢时必须考虑满足各方面要求的综合性能。（2）设计上应注意事项结构设计时，不仅仅是由应力决定断面，很多情况下由板厚、结构形式等构造因素决定，所以，也存在着使用高强度钢不能达到轻型化和经济性目的的情况。刚性降低对于受弯构件或结构，因采用高强度钢而减小断面，降低刚性，导致挠度、变形、振动变大，从而影响车辆走行性。并引起噪音污染等其他问题。压屈对于受压构件，因使用高强度钢而使长细比变大，导致相应的容许压应力降低，如图1.6所示。对板件压屈，因使用高强度钢而使板厚减薄，导致板的曲屈应力降低。这些情况都不利于高强度钢材的应用。轴向容许压应力轴力图1.6 不同强度钢材轴向容许压应力的比较疲劳强度对于承受疲劳荷载（拉应力循环）的构件，光滑母材的疲劳强度随钢材强度提高而有所提高，但是，焊接接头因不可避免存在焊接缺欠和构造引起的应力集中，其疲劳强度几乎与钢材的静强度没有关系，所以，使用高强度钢时，必须充分注意决定疲劳强度的应力幅和循环次数、焊接接头的加工要求和防止焊接缺陷等。图1.7表示不同细节等级的不同钢材疲劳曲线的比较。应力范围6080级钢焊接接头40、50级钢焊接接头应力循环次数N图1.7 疲劳设计曲线的比较（3）制造上应注意的事项加工性高强度钢由于抗拉强度高，延伸率低，其加工性也随之降低。但是，只要采取合适的加工措施，也不致于成为障碍，但是特别要注意热加工。调质钢由于淬火、回火使钢材得到所需的性能，如果长时间保持在回火温度以上，将失去调质处理所得到的钢材特性。所以，焊接时和热校形时应严格控制最高加热温度和冷却速度。焊接裂纹700800MPa级钢材碳当量较高，焊接时易硬化，产生冷裂纹。冷裂纹是焊接发生氢扩散后聚集而引起的裂纹，最易发生在产生马氏体组织而硬化的热影响区，所以，适当的预热、采用含氢量少的焊接材料以及除锈、除污、除湿等其他措施是防止冷裂纹的有效方法。韧性降低焊缝附近母材上因输入过大热量将引起韧性降低，并且破坏了调质处理所得到的钢材性能，引起强度降低，这是由于回火马氏体组织受热（焊接）后变成粗大组织所致。所以焊接时，应注意控制输入热量和层间温度。1.3.4高性能钢材的开发作为桥梁用钢，不仅仅对强度也对韧性、延性、以及包括焊接加工性等综合性能提出了更高要求。为此，开发了大线能量焊接钢、抗焊接裂纹钢、抗层状撕裂钢，耐候钢，以及防振、防音、非磁性、耐火性等优越的钢材，以满足各类结构对特殊钢材的需求。（1）TMCP钢TCMP钢是把从加热钢坯到轧制、冷却工艺这一整个过程变成连贯冶金加工和控制的热处理工艺，这种新工艺制成的钢材称为TCMP钢。过去的500MPa级钢材是在低碳钢中加入微量合金元素，达到高强度、高韧性，所以碳当量较高，这又引起焊接裂纹和焊接接头脆化倾向。与400MPa级低碳钢相比，受到采用低氢焊条、较高的预热条件、限制输入线能量等诸多因素的约束。而TCMP钢是在较低碳当量前提下，通过控轧、控温、控冷却速度的新轧制工艺，细化铁素体晶粒，达到高强度、高韧性。此外，TCMP钢可使板厚40100mm时强度不降低，也可确保屈强比70KJ/cm)。超高强度调质钢焊接时，为防止产生焊接裂纹需在较高预热温度下焊接，这又增大了焊接作业的难度，为此，需选择低预热免裂纹钢材。选用免涂装耐候钢材时，需考虑桥位的腐蚀环境、与景观的协调性。同时，在结构构造设计上需避免积尘、积水等。1.4.2选材的加工性要素（1）钢材的加工性冷加工举例冷作加工会引起材料强度、硬度、韧性不同程度的变化，甚至产生裂纹或焊接时加骤材质劣化。所以需对冷弯变形加以限制。例如：主要构件钢材最小曲率半径应大于15t（板厚）。次要构件板材的冷弯半径应大于5t。热加工举例局部加热会引起金属组织的改变，进而引起材料性能的变化，例如：调质钢、TCMP钢采用热加工时应慎重，避免加热温度和冷却速度不当而破坏调质处理和TCMP工艺所获得的材料性能。超高强度的钢材焰切时，焰切面的过大硬化倾向（HV400）。（2）钢材的焊接性异种钢材的焊接性，特别是Ceq和性能差别较大钢种间的焊接。制碳当量Ceq和裂纹敏感性系数Pcm随钢材而不同，及其对焊接性的影响。有害成分的限制。热影响区硬化倾向和对韧性降低的影响。58第二章 钢材的加工钢桥制造和架设的全过程通常是先在工厂制成一定长度的构件，然后把构件运至桥位，连接成整体。工厂制造分为前半期加工和后半期加工。前半期是指钢材加工，包括把钢板切割成所设定的尺寸和形状，必要弯曲，先制孔等。后半期加工包括组装和焊接成立体构件或节段以及后制孔等。乍一看钢桥工厂制造是很简单的作业。实际上，由于构件的形状和尺寸多种多样，钢材品种很多，而且钢材加工多半是热加工，这就使之成为相当复杂的作业。钢桥制造的前半期加工主要包括以下各项： 配料：根据设计图所设定的材质及规格，进行配料、采购、复验。 预处理：滚平、喷丸、涂车间底漆。 划线、切割、冷加工、制孔、切削、预设制造拱度等。这里仅介绍对车间底漆、热切割及冷加工等工艺应有的理解。2.1车间底漆除耐候钢等特殊钢材外，涂装前的钢材或构件预处理有以下方式。（1）钢板的预处理方式钢板预处理包括滚平、喷丸处理、涂车间底漆（约20m）。制成构件后再进行二次处理、正式涂装。船舶、大型钢箱通常采用这种方式，以防止钢材在加工和组装期间生锈为目的。钢厂完成、成品出售。 钢板预处理 结构厂完成。（2） 构件处理方式工厂制成构件后，喷丸处理、正式涂装。一般而言，桁梁、板梁等构件采用这种方式比较经济。（3）车间底漆车间底漆的作用是在钢材加工过程中临时保护钢材不腐蚀，不应作为正式涂装的一部分。表2.1为车间底漆的种类及其特征，要求具有快干性、与钢材有一定的附着力、涂膜的耐腐蚀性、抗冲击性等性能。从加工角度看，更注重对焊接性的影响，应防止产生熔坑、气孔等。一般情况下需除去焊缝近旁车间底漆后焊接。从防腐蚀性看，应具有6个月以上的防腐蚀能力。最近，研究焊接材料和焊接方法，可不除车间底漆直接焊接；采用低锌的无机富锌漆，并使漆膜厚度减至约10m。表2.1 车间底漆的种类及其特征种类特征腐蚀涂料快干，紧密附着于钢材表面。室外暴露约3个月。对钢材切割、焊接影响很少，但耐热性低，切割、焊接时烧损面较宽。可用各种涂料在其上重涂，但不能用无机涂料重涂。无机锌涂料快干，紧密附着钢材表面。室外暴露约6个月以上。对钢材切割、焊接影响很少，但与腐蚀涂料相比，作业性较差。不能与铅系防锈漆和钛酸酯树脂涂料重涂。钢板需喷丸处理，达到Sa2.5级。2.2 热切割钢板切割大致分为机械切割和热切割。机械切割分锯切和剪切。锯切主要用于各种型钢及H型、型构件的切断。剪切主要用于小于10mm的短板。（1） 各种热切割法的特征热切割分焰切割、等离子切割、激光切割，表3.2表示各种热切割法的特征。激光切割激光切割是把激光集束形成高密度光能熔化金属的切割方法。因此，在切割精度、环境、自动化等方面具有优越性，但目前最大加工板厚仅为12mm，而且设备费用高。等离子切割等离子切割是利用钨电极与母材间发生的高温电弧热，并把电弧收缩细小，用高温高压的等离子流射击母材，吹飞熔化的金属。所以，等离子切割虽然功率大，速度快，但是污染、噪音大，上火口熔化宽度较大，切割面倾斜较大。为此开发了收尘式等离子切割机、水下等离子切割机，来克服其相应的弱点，但是这又造成设备费用高，切割面氧化等弱点。表2.2 各种热切割法的特点项目激光切割CO2、激光，2KW等离子切割230A, O2焰切割能源光（远红外线）等离子电弧氧化反应功率密度大中小适用材料低碳钢、低合金钢、不锈钢、非铁金属、非金属低碳钢、低合金钢、不锈钢、铝低碳钢、低合金钢切割速度（t=12mm）中（1000mm/min）大（2700mm/min）小（500mm/min）切口宽（t=12mm）小（0.50.8mm）大（2.53.0mm）中（1.5mm）切割尺寸精度良（50mm时，分别为2、3、5mm左右。与激光切割和等离子切割相比，实用性强，经济，应用比较广泛。（2） 焰切质量由于焰切处急热急冷，会产生淬火硬化倾向，硬度随切割条件而变化，主要受板厚和碳当量支配。图2.1为各种结构钢的硬度分布，硬化深度随切割时输入线能量及板厚而稍有不同，一般为12mm。距端面距离（mm）硬度Hv(10Kg)图2.1 焰切断面硬度分布碳当量较高的高强度钢，最高硬度Hv400，这种硬度，如果冷弯曲加工，易产生裂纹，应用砂轮磨去硬化部分，并在角部磨成圆弧。对于常用强度级别的钢材，如能保持切割面粗糙度达到下面需求的精度，不必用机械切削方法切去焰切热影响区，只要除去熔渣，对焊接的质量几乎没有影响，但选择精密焰切割嘴是很重要的。表2.3为焰切割面质量要求。表2.3 焰切面质量构件种类主要构件次要构件表面粗糙度缺口深度不得有缺口（允许修磨）熔渣有块状熔渣存在，但容易剥离，不残留痕迹。上口熔化状态稍微有圆弧状，但呈圆滑状。（3）焰切引起的应变及收缩热切割加工在切割线附近因局部受热膨胀和冷却收缩而使钢板产生变形，应变和收缩量随预热焰的大小、切割速度和母材的内应力等而变化。就钢材加工1mm的精度管理而言，焰切精度完全可以满足这一要求，但是，切割作业的精度管理有许多技巧应予注意。 焰切时钢板的变形多头门式切割机同时切割时，由于加热对称性，可把马刀弯变形限制在最小限度，然而单道焰切时，特别是切割较窄肋板时，易产生马刀弯变形。便携式切割及沿划线切割时不会因钢板变形而出现钢板几何尺寸的误差。但是，NC切割时，由于切割机与钢板分离，将会使构件尺寸精度降低，因为切割中由于热影响，钢板将产生较小的移动，而切割器的轨迹不能修正，因此，钢板的变位或变形将造成原尺寸的误差。另外，切割窄条肋板时需用多头切割机同时切割，防止马刀型变形。反之，也可用单道切割法调整切割速度，一次切成所定弧度的窄长肋板。 防止焰切变形的对策除了应保证放置平台的平整度、切割器轨道精度等外，还可采用间断式不完全切割的内部约束法，以及把钢板固定在平台上的外部约束法等措施。另外，限制切割热影响范围窄小的水冷切割法，如试验证明，因水冷致使切割边硬化倾向不明显时，也是较好的方法。 收缩变形的补偿焰切对宽度尺寸（较小时）影响很微小，但对长度尺寸（很大时）的影响不可忽略，下料时需补偿其收缩变形量。（4） 焰切坡口焊接坡口加工在焊接结构制造中占有较大的比重，坡口精度对焊接质量有一定的影响，上世纪70年代初，各发达国家已经完成了用精密焰切代替“普通焰切刨边”进行坡口加工。但是应注意以下事项： 选用精密割嘴。 严格控制燃气及氧气纯度，预热焰和焰距等。 钢板平整度、平台和轨道的精度。 坡口加工的精度控制。2.3 冷作弯曲加工近年来，采用曲面结构和弯曲构件显著增多，如各种弧线形拱桥，曲梁和带弧形翼缘的梁桥，南京长江三桥“人”字型钢塔等结构，以及钢正交异性板的U型肋、组合梁中的波形板、某些结构中的弧形曲面板等构件。所以，钢材的弯曲加工也逐渐增多。钢材的弯曲加工有常温下的冷作弯曲（包括制管）、整体加热后的热弯曲和局部加热弯曲，以及利用钢材的弹性变形做成曲面等方法。这里仅介绍冷作加工对材质性能的影响。（1） 冷弯曲加工与材料性能众所周知，钢材冷作加工时产生塑性变形，导致钢材硬化倾向，并伴随韧性降低，易发生裂纹，而且，加工后随着时间延长，还会有应变时效问题（即韧性降低）。另外，随着钢材强度增大，冷作弯曲加工引起的硬化倾向、韧性和应变时效敏感性等亦随之增加。图2.2为钢材预应变与韧性之间的关系图2.2 表示钢材预应变与韧性（akv）之间的关系 因此，钢桥设计和制造时，必须考虑冷作加工对材料综合性能的影响。一般桥梁设计规范中都作了原则性和一些具体规定，如“主要构件进行弯曲加工时，必须确保钢材的韧性和质量”，“主构件钢板内侧冷弯半径原则上不小于15倍板厚”（相当于外侧平均应变3.2）。对于正交异性板U型肋，R5t，相当于外侧平均应变9，但是，限于500MPa级以下钢材，而且弯曲圆弧处不得焊接，弯曲方向平行于主应力方向。当使用550MPa级左右钢材时，不得冷弯成型，需热弯成型。任何情况下，调质钢和TMCP钢原则上不得热弯成型。（2） 冷弯曲与裂纹 板越厚，冷弯半径越小，弯曲引起的塑性应变就越大，也越容易产生弯曲裂纹。冷加工时，外缘表面产生的平均应变与板厚t和内侧弯曲半径R的关系如下：此外，材质、垂直或顺钢板轧制方向弯曲、板宽、边缘状况等也影响裂纹的产生。为防止冷弯曲产生裂纹，应注意以下事项： 高强度宽板冷弯曲时，宜在L方向（纵向）弯曲。 不得因冷加工使钢板产生缺口或伤痕，所以，压模、滚模等应清扫干净。 冷弯前，折弯部边缘原则上应倒圆。 冷加工钢板外侧不得有冲眼等。第三章 焊 接3.1焊接的特点（1）优点：与铆接与栓接相比，可自由组成各种形状的构件或结构。直接接合，节省材料，减轻重量。力流简明，可组成效率较高的接头。可制成密封（密水、密气）的构造。作业时噪音小，工作效率高。结构外观简明、整洁。（2）缺点： 局部急热和急冷，产生焊接变形。焊接产生热应力及由此造成焊接残余应力，影响结构疲劳，脆断和压屈性能，也是影响焊接裂纹的原因之一。由于焊接热影响，使母材热影响区的材质劣化。（1）焊接方法 3.2 焊接方法：图3.1 焊接方法分类（2）钢材常用焊接方法桥梁最常采用的焊接方法是焊条弧焊，埋弧焊和气体保护焊，如图3.2、3.3、3.4。表3.1为这三种焊接方法特点的比较。焊条药皮保护筒电弧气体雾焊渣焊缝金属热影响区焊丝熔滴熔池图3.4 气体保护焊图3.3 埋弧焊送丝轮电极焊丝电极嘴气体嘴 保护气体电弧焊缝金属熔池母材焊丝焊嘴电弧焊剂焊渣焊缝金属母材熔池图3.2 焊条弧焊表3.1 桥用焊接方法特征比较项目焊条弧焊CO2或混合气体保护焊埋弧焊主要适用钢材碳素钢高强度钢低温用钢不锈钢同左同左通常适用板厚薄板（t3mm）中厚板（t350mm）中厚板（t350mm）厚板（t50mm）同左焊接姿势全位置俯焊、横焊、（立焊）俯焊、横焊、焊丝直径（mm）1.68.0实芯焊丝：1.142.2管状药芯焊丝1.23.2实芯焊丝：2.08.0最大焊接电流（A）5009002000焊剂（焊药）不要要要保护气体不要实芯焊丝时要，药芯焊丝时可以不要不要除焊渣要除渣药芯焊丝时要除渣要除渣电弧可视可视不可视适合焊缝长度短焊缝短焊缝、长焊缝长焊缝对焊接变形的影响中小大效率低中高3.3 焊接接头的种类（1）基本焊接接头种类图3.5 基本焊接接头种类（2）按焊缝断面形状分类坡口焊缝：坡口全熔透焊缝（对接焊，角焊），坡口部分熔透焊（角焊）角焊（不开坡口）（3）坡口的基本类型 I型坡口 J型坡口 图3.6 坡口的基本类型图3.6 坡口的基本类型有关坡口的名词： 图3.7 坡口的名词3.4焊接接头的特性3.4.1焊接接头金属的划分焊接接头的金属可划分为三个区域：图3.8 焊接接头区域划分 焊缝金属焊丝和部分母材通过电弧加热在短时间内熔融后冷却凝固的金属。焊缝的化学成分由填充材料和母材的熔合比决定。焊缝金属熔化后冷却时，由母材侧（熔合线处）开始凝固，向焊缝中心逐步生长结晶，形成特有的铸造组织。所以，焊缝金属的各种性能取决于这种特别的组织及其化学成分。焊缝区也是容易产生各种焊接缺陷的区域。 HAZ（Heat Affected Zone）受电弧热的影响，与焊缝邻近的固态母材的组织和性能发生变化的区域。热影响区的宽度随焊接输入热量而变化，一般情况下，埋弧自动焊为1.53.0mm，手工焊条弧焊为1.02.0mm，CO2气体保护焊为0.51.0mm。 母材材料的组织及性能不受电弧热的影响。3.4.2 焊接接头的性能（1）焊接引起材料组织的变化表3.2 焊接接头的组织区域加热温度说明焊缝金属1500熔融冷却凝固，呈现枝状结晶HAZ粗晶区中晶区细晶区粒晶区脆化区1250125011001100900900750750300晶粒粗大、硬化、易产生裂纹等加热至Ac3变相点以上，再结晶，细化晶粒，韧性等力学性能良好加热至Ac1变相点以上，产生珠光体，呈珠粒状，缓冷时韧性良好，急冷时往往出现马氏体，韧性降低。 由于热应力和合金组织析出，呈现脆性倾向。但微观组织几乎不变化。母材3000C室温不受热影响的母材（2）冷却速度对材料组织的影响冷却速度较快时，不仅助长HAZ的硬化，而且阻碍H原子的扩散和溢出，易产生低温裂纹，HAZ的冷却速度依输入线能量、板厚、接头形状、焊前母材温度而变化，一般输入线能量越小，板厚越大，导热方向越多，预热温度越低，冷却速度越快。钢材性能随金相组织而变化，金相组织又受到冷却速度的影响，通常用连续冷却变相曲线（CCT图）来推定其金相组织。图3.9为490Mpa级钢材用各种焊接方法的冷却曲线CCT图。（3）焊接裂纹是对结构危害最大的缺陷，表3.3表示焊接裂纹的种类及发生部位。自ACy温度至200的冷却时间ESW：电渣焊 A：奥氏体（anstenite）EGW：气体保护焊 F：铁素体（ferreite）SAW：埋弧焊 P：珠光体（pearlite）SMAW：焊条弧焊 ZW：贝氏体（bainite） M：马氏体（martensite）图3.9 50Kg级钢材连续冷却变相曲线表3.3钢材焊接裂纹的种类及部位高温裂纹，多数情况下是P、S等含量较多时形成低熔点化合物，引起延性降低，凝固时在收缩应力作用下沿晶界裂开。低温裂纹，大部分是在200以下发生的裂纹。主要原因： 由于焊接热影响， HAZ硬度过高。 硬化区作用一定值以上的应力。 存在过饱和H原子。HAZ的低温裂纹，在粗晶区生成马氏体组织越多越容易发生，当钢中的C及合金元素越多，冷却速度越快，生成马氏体组织的倾向越大。（4）HAZ硬度碳当量Ceq抗低温裂纹的敏感性硬度分布焊接时急热急冷，HAZ呈现淬火状态而产生硬化，低C钢硬化比较困难，高C钢和合金元素较多的高强度钢容易淬硬。图3.10为500Mpa级用焊条焊接时的硬度分布。中粒细粒粗粒粒状珠光体图3.10 焊缝硬度分布图中最大硬度Hv,max往往是评定钢材焊接性的重要指标。碳当量HAZ的Hv,max与钢材碳当量Ceq几乎成比例关系（见图3.11）。如果焊接条件一定，Hv,max随Ceq增加而提高。HvCeq（）板厚：20mm焊接初始温度：室温图3.11 母材 Ceq与HAZ最高硬度的关系注：计算碳当量时只有Cu含量大于0.35时才计入其项。裂纹敏感性 高Ceq钢材易发生低温裂纹，严格说，即使硬度相同，化学成份不同对低温裂纹的敏感性也不同。用斜Y型接头的抗裂性试验可得到钢材抗裂敏感性指标Pcm，再考虑焊缝金属的氢含量和板厚效应，建立焊接裂纹敏感性指标Pc：Pc=Pcm+H/60+t/600式中，Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+B/5H焊缝金属中含H量（cm3/100g）t板厚（mm）根据Pc确定预热温度，图3.12为500MPa级钢材Pc与预热温度的关系。断面收缩率0110115051100Pc=Pcm+H/60+t/600 （）预热温度T()图3.12 裂纹敏感性指数Pc与预热温度的关系（5）焊接接头的材料韧性由于焊接热循环的影响引起局部脆化倾向。图3.13为焊接接头韧性分布（V型缺口Charpy试样）。低碳钢力调质高强钢焊缝金属原质区脆化区晶状区细晶区粗晶区冲击值（J）图3.13 焊接接头韧性分布温度T（）通常情况下，在熔合线区（粗晶区）韧性较低，对于低C钢，在400左右的区域因C、N原子的析出，时效脆化倾向较明显，近代随着冶金技术的进步，游离的N原子得到有效的控制，时效脆化倾向已不明显。焊接接头的韧性与材质、板厚、输入热量、预热及后热处理，焊道数等许多因素有关，其分布非常复杂。不可能使焊接接头脆化区的韧性与母材相同，但是，即使调质钢的焊接接头，做到焊接脆化区的韧性满足抗脆断的设计评定标准是必要的，也是有把握的。第四章 焊接残余应力及焊接变形焊接残余应力影响结构的压屈，疲劳和脆断等性能。对于桥梁这样的大型结构，从经济性和施工性考虑，不可能消除焊接残余应力，而是在设计中已经考虑了残余应力对强度，疲劳、压屈和脆断等的影响。伴随着焊接残余应力，必然产生焊接变形。对于桥梁而言，特别是全焊钢桥，控制焊接变形是确保桥梁线形和几何尺寸精度以及构造传力必须考虑的问题。4.1焊接残余应力(Welded residual stress)4.1.1焊接残余应力发生原理图4.1焊接残余应力发生原理长度、断面积相等的A、B、C三构件固接在两端刚体上，如果中间的B杆受热且自由地膨胀，其伸长量为： （材料线胀系数）。但是，受到A、B杆的约束，使B杆压缩，其压缩应变为： （受热温度）。当该温度达到焊接高温时，材料的屈服应力为0，其压缩应变为塑性应变，几乎不产生应力。由该温度开始冷却降至初始温度时，这时，B 杆产生收缩（），同样，B杆的收缩受到A、C杆的约束，使B杆产生拉伸，拉应变为 。但是，此时与温度上升时不同，温度下降时B杆屈服应力很大，拉伸应变不易达到塑性应变，而产生拉应力。这就是焊接残余应力的发生原理。4.1.2焊接残余应力分布图4.2为钢板对接时的残余应力沿焊缝方向的分布。图4.3为焊接工字型构件和口字型断面构件横截面残余应力分布。（a）顺焊缝方向的应力分布（b）垂直于焊缝方向的应力分布图4.2钢板对接焊时的残余应力分布 图4.3焊接工字型构件和口字型断面 构件横截面残余应力分布焊接残余应力分布规律：中间任意横截面，残余拉应力与残余压应力的绝对值相等， 。 焊接方向（纵向）的残余应力很高，接近于 ，但两端自由端处为0，垂直于焊缝方向（横向）的残余应力不很高（与板宽有关）。4.2焊接变形(Welding distortion)4.2.1 焊接变形的机理及基本形式焊接中，加热使母材产生膨胀；继而冷却，母材和焊缝金属产生收缩。加之热冷循环在局部快速进行，膨胀与收缩受到一定的约束，产生一定的塑性变形，焊接完冷却至常温后的残留变形，称为焊接变形。焊接变形与焊接应力有一定的内在联系，但不是线性关系。图4.4 为焊接变形的基本形式，实际结构中，焊接变形是由这些基本形式横向收缩 纵向收缩 旋转变形 T型构件横向弯曲变形（角变形） 组合的复杂状态。T型断面构件纵向弯曲变形 非对称工字型断面构件纵向弯曲变形 扭转变形图 4.4焊接变形的基本形式4.2.2影响焊接变形的因素焊接断面 焊接方法及坡口型式及尺寸；构件尺寸及板厚。约束条件 自由状态；约束状态：自约束和它约束及其拘束度（柔约束，刚性约束）。4.3 焊接变形的控制4.3.1焊接变形的矫形方法热矫形；冷矫形。4.3.2焊接变形的控制 反变形（针对面外弯曲变形和角变形）； 焊接收缩变形的预补偿（针对面内收缩变形，特别是沿焊缝方向的收缩变形）； 约束状态下焊接（针对面外和面内焊接变形）； 选择合适的焊接方法、坡口形式、焊接顺序等减少焊接变形量。 第五章 焊接接头的设计5.1 特点与铆接和HTB接相比，焊接接头设计的限制较少，可得到合理的创造性的构造设计。由于焊接接头的特殊性，如焊接不可避免引起各种缺欠，焊接接头组织性能和母材化学成分与力学性能的相关性，焊接热循环对焊接接头各区域组织和性能的影响，热影响区的硬化和脆性倾向、焊接变形和焊接残余应力等，设计时必须充分了解焊接接头的各种性能。为减少接头尺寸和连续长度，焊接连接可与HTB 并用，但不得与铆接或普通螺栓并用。5.2 设计原则焊接接头的设计必须考虑组装及焊接顺序，尽可能采用适于俯焊的构造。焊接连接构造应力求简单，传力明确，尽可能避免焊缝集中和交叉，必要时设置过焊孔。原则上各构件（板件）不得有偏心，且考虑板厚公差较小的组合。不产生有害的应力集中。焊接量较少且焊缝对称。承受冲击及循环应力的接头宜采用全断面熔透焊缝。5