不锈钢问答（五） | 嘿！316L 不锈钢！你在焊接时熔敷金属屈服强度如何保证安全？
问：AWS的焊接材料标准对碳钢和低合金钢的熔覆金属屈服强度进行了规定，但是对不锈钢熔覆金属的屈服强度没有明确要求，那么我们在基于316L不锈钢的屈服强度进行设计计算时，熔覆金属的屈服强度值应选多少才能确保安全？
回答：确实是这样，AWS相关规范（AWS A5.4/A5.4M:2012-手工电弧焊用不锈钢焊条规范、A5.9/A5.9M:2017（ISO 14343:2009 MOD）焊接材料-用于不锈钢和耐热钢的弧焊焊条、焊带、焊丝和焊棒分类以及A5.22/A5.22M-2012，用于药芯焊丝电弧焊的不锈钢药芯焊丝和用于钨极氩弧焊的不锈钢药芯焊棒）并没有不锈钢熔覆金属的屈服强度要求。
但所有适用于碳钢和低合金钢的焊接材料在AWS规范都规定了最低的屈服强度值。在拉伸试验中，当初始施加载荷时，载荷和位移之间或应力和应变之间的关系是线性的，其斜率称为弹性模量或杨氏模量，碳钢值一般为30,000,000 lb/in2，此时的变形称为弹性变形，这时在撤销载荷之后，试样仍可以恢复到原始的尺寸。对于大多数的碳钢及它们的熔覆金属、部分低合金钢或低强度的熔覆金属，在发生弹性应变之后继续加载后，在此时的载荷/位移或应力/应变曲线上会出现明显的屈服点，相比原来的弹性应变阶段，应力/应变曲线会出现明显的偏离，此时即使将载荷去除材料也不会回复到原始尺寸，此时的应变成为塑性应变。图1为典型的拉伸测试强度曲线，从图中可以看出明显的屈服点。
而对于大多数的低合金钢及其匹配的熔覆金属，以及不锈钢及其熔覆金属金属，它们在拉伸过程中不会表现出这么明显的屈服点。在实际拉伸过程中，载荷/位移或应力/应变曲线在载荷逐渐增加后会几乎不可察觉地逐渐偏离直线关系，无法说明具体的偏离起始点。
图1-屈服强度明显的典型碳钢熔覆金属载荷/位移曲线
工程上的解决方案是绘制一条直线部分的平行线，然后向右偏离0.2%的位移，此时新绘制的直线与应力/应变曲线的交点就可以作为屈服强度。相比在拉伸试验过程中总的位移变化，0.2%的位移所占比例很小，一般不会超过总位移的1%。具体处理的示例如图2所示。
图2-没有明显屈服点的典型奥氏体不锈钢熔覆金属强度/位移曲线
可以注意到，当位移超过图1的屈服点或图2中的0.2％偏移线后，继续加载需要更大的力。这是因为加工硬化的原因。如果在发生加工硬化的过程中去除载荷，然后重新进行应力/应变图的试验绘制，这时我们会发现试样在发生屈服时需要更高的载荷或应力，因为加工硬化会使钢的强度增加。
对于不锈钢母材的相关标准，例如ASTM A240，通常规定了在热轧或退火条件下的机械性能要求，其中就包括屈服强度。但是在退火或热轧条件下，这些材料几乎不存在加工硬化。
不锈钢材料的屈服强度相对适中。比如ASTM A240中的316L母材，规定的最小屈服强度仅为170 MPa，在 对ASTM A240的进一步查阅表明，大多数普通奥氏体不锈（304、304L、309、310、316、317、317L和347）规定的最小屈服强度不超过205MPa。
但是，熔覆金属在焊接状态下却经历了冷加工。熔覆金属在凝固后冷却时会发生收缩，但是受限于周围冷态母材的约束，焊缝金属必须发生屈服，这样熔覆金属自身就经历了加工硬化。所以，冷却至室温后的熔覆金属屈服强度要明显高于母材的屈服强度。多道次的焊接可以促使更大程度的加工硬化发生，屈服强度也会相应的增加。例如，Gowrisankar等对25mm厚的316L不锈钢板开双面V型坡口进行了焊接，并绘制了接头强度与焊接道次之间的函数关系（参考文献1）。
他们的研究表明，当焊缝使用5道次焊接完成后，屈服强度为332MPa，当焊道次数是9次时，屈服强度为354 MPa，焊接道次为13次时，屈服强度达到406MPa。焊接过程中为限制整体变形，焊接过程中需双面交替焊接。
Gowrisankar等人的研究结果与我在奥氏体不锈钢熔覆金属屈服强度的观察测试结果一致。我当时按照AWS A5.4 / A5.4M-手工电弧焊焊条规范中的相关要求制备了单面V型坡口试板，并采用E316L-16焊条进行了焊接，经测试后发现熔覆金属的屈服强度在386-469 MPa之间，E308L-、E308-、E309-、E316L和E347-16等焊条在进行熔覆金属屈服强度测试时也是这样（屈服强度远高于相应的母材屈服强度）。不锈钢在采用药芯焊丝电弧焊、熔化极气保护焊、埋弧焊等方法进行焊接时也会表现出这样的规律。
所以可以非常保险的说，普通奥氏体不锈钢熔覆金属的屈服强度要远超过相应母材金属的屈服强度。当基于母材金属的屈服强度进行设计时，使用相应的奥氏体不锈钢焊接材料，不会出现熔覆金属部位的失效。
参考文献
1. Gowrisankar, I., Bhaduri, A. K., Seetharaman, V., Verma, D. D. N., and Achar, D. . G. 1987. Effect of number of passes on the structure and properties of submerged arc welds of AISI Type 316L stainless steel. Welding Journal 66(5): 147-s to 154-s.
作者简介
DAMIAN J. KOTECKI现任Damian Kotecki焊接咨询公司总裁。曾任IIW财务主管、AWS A5D不锈钢焊接材料委员会主席、D1K不锈钢焊接结构组委会成员、不锈钢和镍基合金WRC焊接组委会成员。同时他还是焊接及相关材料 A5委员会的前任主席，并在2005-2006年担任AWS总裁（2005-2006）。
本文摘自：Welding Journal《焊接杂志》 2019年5月刊
译者：郑州机械研究所 秦建
问：AWS的焊接材料标准对碳钢和低合金钢的熔覆金属屈服强度进行了规定，但是对不锈钢熔覆金属的屈服强度没有明确要求，那么我们在基于316L不锈钢的屈服强度进行设计计算时，熔覆金属的屈服强度值应选多少才能确保安全？
回答：确实是这样，AWS相关规范（AWS A5.4/A5.4M:2012-手工电弧焊用不锈钢焊条规范、A5.9/A5.9M:2017（ISO 14343:2009 MOD）焊接材料-用于不锈钢和耐热钢的弧焊焊条、焊带、焊丝和焊棒分类以及A5.22/A5.22M-2012，用于药芯焊丝电弧焊的不锈钢药芯焊丝和用于钨极氩弧焊的不锈钢药芯焊棒）并没有不锈钢熔覆金属的屈服强度要求。
但所有适用于碳钢和低合金钢的焊接材料在AWS规范都规定了最低的屈服强度值。在拉伸试验中，当初始施加载荷时，载荷和位移之间或应力和应变之间的关系是线性的，其斜率称为弹性模量或杨氏模量，碳钢值一般为30,000,000 lb/in2，此时的变形称为弹性变形，这时在撤销载荷之后，试样仍可以恢复到原始的尺寸。对于大多数的碳钢及它们的熔覆金属、部分低合金钢或低强度的熔覆金属，在发生弹性应变之后继续加载后，在此时的载荷/位移或应力/应变曲线上会出现明显的屈服点，相比原来的弹性应变阶段，应力/应变曲线会出现明显的偏离，此时即使将载荷去除材料也不会回复到原始尺寸，此时的应变成为塑性应变。图1为典型的拉伸测试强度曲线，从图中可以看出明显的屈服点。
而对于大多数的低合金钢及其匹配的熔覆金属，以及不锈钢及其熔覆金属金属，它们在拉伸过程中不会表现出这么明显的屈服点。在实际拉伸过程中，载荷/位移或应力/应变曲线在载荷逐渐增加后会几乎不可察觉地逐渐偏离直线关系，无法说明具体的偏离起始点。
图1-屈服强度明显的典型碳钢熔覆金属载荷/位移曲线
工程上的解决方案是绘制一条直线部分的平行线，然后向右偏离0.2%的位移，此时新绘制的直线与应力/应变曲线的交点就可以作为屈服强度。相比在拉伸试验过程中总的位移变化，0.2%的位移所占比例很小，一般不会超过总位移的1%。具体处理的示例如图2所示。
图2-没有明显屈服点的典型奥氏体不锈钢熔覆金属强度/位移曲线
可以注意到，当位移超过图1的屈服点或图2中的0.2％偏移线后，继续加载需要更大的力。这是因为加工硬化的原因。如果在发生加工硬化的过程中去除载荷，然后重新进行应力/应变图的试验绘制，这时我们会发现试样在发生屈服时需要更高的载荷或应力，因为加工硬化会使钢的强度增加。
对于不锈钢母材的相关标准，例如ASTM A240，通常规定了在热轧或退火条件下的机械性能要求，其中就包括屈服强度。但是在退火或热轧条件下，这些材料几乎不存在加工硬化。
不锈钢材料的屈服强度相对适中。比如ASTM A240中的316L母材，规定的最小屈服强度仅为170 MPa，在 对ASTM A240的进一步查阅表明，大多数普通奥氏体不锈（304、304L、309、310、316、317、317L和347）规定的最小屈服强度不超过205MPa。
但是，熔覆金属在焊接状态下却经历了冷加工。熔覆金属在凝固后冷却时会发生收缩，但是受限于周围冷态母材的约束，焊缝金属必须发生屈服，这样熔覆金属自身就经历了加工硬化。所以，冷却至室温后的熔覆金属屈服强度要明显高于母材的屈服强度。多道次的焊接可以促使更大程度的加工硬化发生，屈服强度也会相应的增加。例如，Gowrisankar等对25mm厚的316L不锈钢板开双面V型坡口进行了焊接，并绘制了接头强度与焊接道次之间的函数关系（参考文献1）。
他们的研究表明，当焊缝使用5道次焊接完成后，屈服强度为332MPa，当焊道次数是9次时，屈服强度为354 MPa，焊接道次为13次时，屈服强度达到406MPa。焊接过程中为限制整体变形，焊接过程中需双面交替焊接。
Gowrisankar等人的研究结果与我在奥氏体不锈钢熔覆金属屈服强度的观察测试结果一致。我当时按照AWS A5.4 / A5.4M-手工电弧焊焊条规范中的相关要求制备了单面V型坡口试板，并采用E316L-16焊条进行了焊接，经测试后发现熔覆金属的屈服强度在386-469 MPa之间，E308L-、E308-、E309-、E316L和E347-16等焊条在进行熔覆金属屈服强度测试时也是这样（屈服强度远高于相应的母材屈服强度）。不锈钢在采用药芯焊丝电弧焊、熔化极气保护焊、埋弧焊等方法进行焊接时也会表现出这样的规律。
所以可以非常保险的说，普通奥氏体不锈钢熔覆金属的屈服强度要远超过相应母材金属的屈服强度。当基于母材金属的屈服强度进行设计时，使用相应的奥氏体不锈钢焊接材料，不会出现熔覆金属部位的失效。
参考文献
1. Gowrisankar, I., Bhaduri, A. K., Seetharaman, V., Verma, D. D. N., and Achar, D. . G. 1987. Effect of number of passes on the structure and properties of submerged arc welds of AISI Type 316L stainless steel. Welding Journal 66(5): 147-s to 154-s.
作者简介
DAMIAN J. KOTECKI现任Damian Kotecki焊接咨询公司总裁。曾任IIW财务主管、AWS A5D不锈钢焊接材料委员会主席、D1K不锈钢焊接结构组委会成员、不锈钢和镍基合金WRC焊接组委会成员。同时他还是焊接及相关材料 A5委员会的前任主席，并在2005-2006年担任AWS总裁（2005-2006）。
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译者：郑州机械研究所 秦建
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