（接前期）
三、焊缝金属冶金和力学性能的不均匀是影响工程质量的主要因素、克服这一弱点也是焊接科研的主攻方向
  
        焊接是不均匀的加热和冷却的冶金反应过程，焊接的特殊性由此而形成，这就是我们应用技术理论的切入点。一般说来要保证焊接质量，希望焊缝同母材有一样的综合性能指标，实际上这是作不到的，不均匀带来的不连续是焊缝同母材（基本金属）的最根本区别。而我们的任务是尽可能的使焊缝同材均匀，这就是我们的技术方向。因为母材是轧制的，轧制的道次愈多，轧制比愈大，轧制的温度愈低，母材性能愈好，薄板比厚板好。而焊缝所获得的组织是铸造组织，而且对母材还存在HAZ，两者之间的差别不言而喻。

        焊缝由三个部分组成，焊缝金属、熔合线、HAZ（在实际焊接接头中的焊缝通常认为是焊缝金属）。焊缝金属即不是母材，又不是焊材的熔敷金属，其力学性能与材质的原始规定有较大的差距，这是因为焊缝的综合性质受各方面因素的影响，主要因素有：

       (1)受焊接层数的影响：
       在焊后冷却过程中，焊缝从接近基本金属开始凝固，单道焊的组织为典型的柱状结晶，且共晶粒通常是与等温曲线法向方向（即最大温度梯度方向）长大。由于凝固是从纯度较高的高熔点物质开始，所以在最后凝固部分及柱状晶的间隙处，便会留下低熔点不纯物质。在多层焊时，对前一道焊缝重新加热，加热超过900℃的部份可以消除柱状晶并使晶粒细化。因此多层焊比单层焊的力学性能要好，特别是冲击韧性有显著的提高。

        (2)焊接方法、焊接热输入量的影响：
       单道焊缝金属，由于冷却进度快强度有所上升，增加焊接热输入线能量，提高预热和层间温度，会导致冷却速度降低，晶粒更加粗大，其结果是使焊缝金属强度和韧性下降，所以高强钢出于强度和韧性的考虑有必要限制最低冷却速度。但过快的冷却速度往往会造成淬硬组织和产生冷裂纹，因此对高强钢限制其晶粒度的粗大，确定合理的冷却速度具有十分重要的意义。

      （3）基本金属的稀释率对焊缝强度的影响
       在焊接接头的设计中，首先是焊条的选择，以保证焊缝金属所要求的强度。但是在焊接接头的设计中，首先是焊条的选择，以保证焊缝金属所要求的强度。由于基本金属也要参加冶金反应进而对焊接材料进行稀释，其结果是基本金属对焊缝金属性能发生一定的影响，所以说，焊缝金属是熔敷金属和熔融的基本金属的混合物。其性能和基本金属、熔敷金属有所区别。在焊缝金属中，基本金属所占的比例取决于焊缝类型和焊接规范。
对接焊缝中基本金属成份比例与焊道次序的关系，坡口角度较大时，它与表面堆焊时的变化规律相似，此时基本金属所占的分额稍高于堆焊情况。而在坡口较窄时，每层的基本金属成份的比例均较大，同时也可以看出堆焊焊道上、下部份化学成份不均匀性很大，而对接焊缝中不均匀性的差别相对较小，这将对我们焊接接头的设计带来了不可低估的影响。
       在对接接头中，不开坡口的单道焊缝稀释率最高，应当指出的多层焊时各层焊道的稀释率是不一样的，最大的稀释发生在坡口的根部处，熔合区次之，而在焊缝中心靠近表面处可认为稀释率为零。

      （4）焊接接头的脆性断裂
       所谓焊接接头的脆性断裂，是焊接接头中最可怕的失效形成，其后果往往是灾难性的，它是在应力不高于设计的许用应力和没有显著塑性变形的情况下发生的。
脆性断裂的裂口平整，一般与主应力垂直，没有可以察觉的金属塑性形变，断口有金属光泽。
       同一种材料在不同的条件下可以显示出不同的破坏形式，最主要的是温度，应力状态和加载速度，也就是说温度愈低，加载速度愈大，材料中的三向应力状态愈严重则产生脆性断裂的倾向愈严重。
       a、应力状态的影响
       实验证明，当材料处于单轴式双轴式拉应力下，呈现塑性，当材料处于三向拉应力下，则不可发生塑性变形，呈现脆性在实际结构中三向应力可能三向载荷产生。但在更多的情况下是由于几何不连续引起的，设计不佳，工艺不当往往出现局部的三轴状态的缺口效应。因此脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处，而试验中也只有引入这样的缺口才产生脆性行为。
       b、温度的影响
       如果把一组开有相同的缺口的试样在不同温度下进行试验。则随着温度的降低，其破坏方式会发生变化，即从延性破坏变为脆性破坏。当温度降到某一临界值时则出现塑性到脆性的转变。这个温度称之为脆性转变温度。脆性转变温度高，则脆性倾向严重。带缺口的试样转变温度比光滑试件高。这同应力状态影响结论是一致的。
       c、加载速度的影响
       提高加载能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。应当指出，在同样的加载速率下，当结构中的影响，应变事率比无缺口的高得多，从而大大地了材料的局部塑性。这就说明了钢结构一旦开始脆性断裂，就很容易产生扩展的现象。当缺口根部小范围金属材料发生断裂时，则在新裂纹前端的材料立即突然受到高应力和高应变载荷，也就是说一旦缺口根部开裂。就有高的应变速率，而不管其原始加载条件是运载还是静载的，此时伴有裂纹的加速扩展，应变速率更加急剧增加，导致结构最终破坏。
       d、材料状态的影响
       材料状态包括材料厚度，晶粒度和化学成份。
       厚度的影响：厚板在缺口处容易形成三轴应力，因此容易使材料变脆。曾经把45㎜的钢板通过加工制作板厚为10㎜、20㎜、30㎜、40㎜的钢板，研究不同板厚所造成不同应力状态对脆性破坏的影响，发现在预制40㎜长的裂纹和施加应力等于1/2σs的条件下，发生脆断的脆性转变温度随板厚增加而直线上升，当板厚超过30㎜时，脆性转变温度增加得较为缓慢。
       e、 晶粒度的影响
       对于低碳钢和低合金钢，晶粒度愈细，其脆性转变温度愈低。
       f、化学成份的影响
       钢中的C、Ni、O、H、S、P会增加钢的脆性，另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量适当则有助于减少钢的脆性。

       国家体育场钢结构工程碰见的各种难题中，同上述内容极大的相似或相同，在焊接工程中。我们的主要任务就是同这形形色色的不一致、不均匀、不连续作斗争，采取各种有力措施有针对性的解放各种难题。焊接工程中我们经常碰到的问题大致有以下几种：
       1）同一焊缝热循环带来的不均匀是不可逾越的，主要表现在应力应变的不均匀。
       2）焊缝方式不同带来的不均匀；各种焊接方式热输入量和电流密度不一致，同样应力应变不一致，同时“稀释率”不一致，所带来的力学结果也不一致。
       3）坡口设计不一致，焊接的“稀释率”不一致。
       4）焊接工艺包括预热，后热措施的不一致带来母材的HAZ组织不一致，焊缝启裂（断裂形式）的方式不一致。拘束度不一致，焊接收缩不一致。
       5）焊缝的强度匹配不一致，焊缝的冲击韧性不一致。
       6）不同的焊缝，环境不一致，所收到的结果不一致。工人水平不一致所得到的结果也不一致。
       7）技术人员的水平高低，也影响焊缝的结果。
       8）不同的焊接方式，不同的机型所得到的焊缝不一致。不同的材料强度不同，所得到的焊缝不一致。不同的工艺，焊缝性能不同。
       还有很多的不一致，简而言之，复杂的焊接理论变成简单的攻克“不一致”“不连续”“不均匀”难关。是不是更加直观，更加容易让人理和接受呢。要想获得理想的质量指标，应当把不一致变为一致或尽量一致，把不连续变为连续或尽量连续，把不均匀变为均匀或尽量均匀。如果达到这个境界，钢结构制作、安装的焊接技术问题不是迎刃而解了吗！是不是可以说，有序的整理上述基本理论，让它们从复杂的理论系统中解放出来，直接为工程服务，成为焊接应用技术基本框架是完全有可能的，建筑钢结构的希望、技术发展的方向就在这里！希望得到广大工程技术人员的认可。同时也希望同行们“举一反三”在焊接工程中作出新的贡献。谢谢大家！ 

（全篇完）