焊接结构中钢材的选择方法

1.钢材材质要求

通常对于用钢材制造的焊接结构，在设计选用钢材材质时应考虑以下几点。

（1）抗拉强度 按强度设计的结构，材料强度越高，所需的材料就越少，结构自重也越轻。但强度级别高的材料，通常其焊接性也会下降。对承受运动载荷的结构，还应考虑材料的低周疲劳或高周疲劳强度性能。在高温条件下工作的结构，应考虑高温度和蠕变强度。低温条件下工作的还应考虑低温韧度。

（2）塑性 钢材的塑性越好，就越易于加工，而巨焊接时也不易产生裂纹，并能降低焊接残余应力及应力集中的危害。但是一般钢材（非奥氏体不锈钢）当塑性好时，其强度就较低。而当强度高时，其塑性就变差。

（3）刚度 钢材的弹性模量基本上是相近的，因此对于设计控制刚度的结构，采用一般强度的钢材就可以了。

（4）冲击韧度 它反映材料抵抗突变载荷的能力，同时也反映材料的缺口敏感性，是材料强度与塑性的综合反映。钢材的冲击韧度随着温度的降低而下降，并巨具有在某一温度时呈突然下降的特征，通常称这一温度为无延性转变温度，并巨作为该材料使用时的极限温度。

（5）断裂韧度 断裂韧度是用来反映有缺陷的材料（如存在微裂纹）抵抗开裂与失稳的能力，事实上，焊接结构中的焊接缺陷（裂纹、气孔、夹渣等）是难免的。因此，对于一些结构用断裂韧度指标来作为设计的依据就很有必要。

（6）焊接性 对于焊接结构来说，焊接性显然是非常重要的。钢材中的合金元素不仅对强度、塑性等物理指标有很大的影响，对焊接性同样也有很大的影响。此外结构的刚度、板厚等对焊接性影响也很大。

除了上面的因素外，进行焊接结构设计时还要根据结构的用途、工况等考虑结构的耐蚀、耐磨、耐热、抗振动等因素。

2.钢材选用原则

钢材的选用在焊接结构设计中是重要一环，选用的目的是自己要保证结构的安全，又要做到可靠和经济合理。选用钢材一般应遵循下列原则：

（1）结构的重要性 对重型工业建筑焊接结构、大跨度焊接结构、压力容器、高层或超高层的民用建筑或构筑物等重要焊接结构，应考虑选用质量好的钢材，对一般工业与民用建筑焊接结构，可按工作性质分别选用普通质量的钢材。另外，按《建筑结构设计统一标准》规定的安全等级，把建筑物分为一级（重要的）、二级（一般的）和三级（次要的）。安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。

（2）载荷情况 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焊接结构和强地震区的焊接结构，应选用综合性能好的钢材；一般承受静态荷载的焊接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相应的耐蚀钢。

（3）钢材化学成分 焊接结构由于在焊接过程中，会产生焊接变形、焊接应力以及其他焊接缺陷，如咬边、气孔、裂纹、夹渣等，有导致结构产生裂纹或脆性断裂的危险。因此，焊接结构对钢材在化学成分方面，比非焊接结构要求应更严格一些。焊接结构必须严格控制碳、硫、磷的含量。

（4）结构所处的温度和环境 钢材处于低温时容易产生冷脆性，因此，在低温条件下工作的焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。此外，露天焊接结构的钢材容易产生时效，有害介质作用的钢材容易产生腐蚀、疲劳和断裂。因此应注意材质的选择。

（5）钢材厚度 薄钢材辊轧次数多，轧制的压缩比大，厚度大的钢材压缩比小；所以厚度大的钢材不但强度较小，而巨塑性、冲击韧度和焊接性也较差。因此，厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。

3.选用材质等级建议

1）任何一个焊接构件或结构的抗脆断安全度，可用危险指数W表示。

W=KHZ （6-27）

式中 K——构造系数；

H——危害系数；

Z——承载系数（或载荷系数）。

对受拉及受拉又受弯的结构，通过危险指数W、工作温度及原设计计算板厚来决定所应选用钢材的材质等级。在这种条件下选定的材质，焊后可不必进行消除焊接内应力的热处理（有应力腐蚀条件者除外）。对于受压及受压又受弯的构件，不受此条件限制。(www.xing528.com)

2）构造系数K取决于焊接构件的断面突变状况、外加应力及焊接内应力，见表6-23。

构造系数

K=f（G） （6-28）

G=P（g₁+g₂+g₃）

式中 σ——计算应力；

[σ]——容许应力；

g₁、g₂、g₃——应力状态值，见表6-23。

求出G值后，按表6-24查出相应的K值。

表6-23 应力状态及数值

注：对g₁，下限值指100%无损检查；对g₂，下限值指典型纯粹单维、二维及三维；对g₃，下限值指已采取清除焊接内应力措施者。

表6-24 构造系数K与G值的关系

3）危害系数H=0.5，适用于附属构件；H=0.7，适用于重要承载构件副梁的受拉翼缘板及主梁腹板；H=1.0，适用于对整个结构起关键作用的主梁受拉翼缘板。

4）承载系数Z=1.0，适用于不承受冲击或疲劳载荷的构件；Z=1.4，适用于承受冲击或疲劳载荷的构件。

5）求出W值后，根据工作温度及原设计板厚从图6-17中查出所属钢材材质等级。

6）图6-17中的0-0线表示R_eL=440MPa的Q420钢球形储罐的极限板厚（无应力腐蚀条件），焊后用温水水压超载方法消除焊接残余内应力峰值。

7）本建议适用于建筑、桥梁、通用机械、无应力腐蚀条件的储气球罐（有高温及低温介质者除外）及类似条件的压力容器。焊后不进行高温消除应力的热处理。

8）本建议包括的钢号除表6-25所列之外，还包括15MnVR及15MnVNR这两种正火状态下交货的钢号。

9）本建议也适用于日本的SM41、SM50系列及SPV50，德国的St37、St52-3及StE355、TTStE36等进口钢材。