焊接缺陷對結構強度的影響及解決方案

焊接缺陷的產(chǎn)生過程是十分復雜的，既有冶金的原因，也受到應力和變形的作用，缺陷對焊接結構承載能力有非常顯著的影響，更為重要的是應力和變形與缺陷同時存在。焊接缺陷容易出現(xiàn)在焊縫及其附近地區(qū)，而那些地區(qū)正是結構中拉伸殘余應力最大的地方。焊接缺陷之所以會降低焊接結構的強度，其主要原因是缺陷減小了結構承載橫截面的有效面積，并且在缺陷周圍產(chǎn)生了應力集中。在一般焊接結構中，由于設計或施工不當也會出現(xiàn)應力集中和承載截面的變化。焊接缺陷一般包括有未焊透、未熔合、裂紋、夾渣、氣孔、咬邊、焊穿和焊縫成型不良等。焊接缺陷是平面的或立體的，平面類型的缺陷比立體類型的缺陷對應力增加的影響要大得多，因而也危險得多。屬于前者的有裂紋、未焊透、未熔合等；屬于后者的有氣孔、夾渣等。

01、焊接缺陷產(chǎn)生應力集中的機理

材料由于傳遞負載截面的突然變化而出現(xiàn)局部應力增大，這種現(xiàn)象叫作應力集中，缺陷的形狀不同，引起截面變化的程度不同，對負載方向所成的角度不同，都會使缺陷周圍的應力集中程度大不一樣。以一個橢球狀的空洞缺陷為例，空洞為各向同性的無限大彈性體所包圍，并作用有應力，當橢球空洞逐漸變?yōu)槠瑺盍鸭y，其結果是應力集中變得十分嚴重。除了空洞類型的氣孔、裂紋和未焊透之外，還有夾渣也是常見的焊接缺陷，當多個缺陷間的距離較小時（如密集的氣孔和夾渣等），在缺陷區(qū)域內(nèi)將會產(chǎn)生很高的應力集中，使這些地方出現(xiàn)缺陷間裂紋將孔間連通。在此情況下，最大的應力集中出現(xiàn)在兩外孔的邊緣處。

在焊接接頭中，焊縫增高量、錯邊和角變形等幾何不連續(xù)，有些雖然為現(xiàn)行規(guī)范所允許，但都會產(chǎn)生應力集中。此外，由于接頭形式的差別也會出現(xiàn)不同的應力集中，在焊接結構常用的接頭形式中，對接接頭的應力集中程度最小，角接頭、T形接頭和正面搭接接頭的應力集中程度相差不多。重要結構中的T形接頭，如動載下工作的H形板梁，可以采用板邊開坡口的方法使接頭中應力集中程度大量降低，但對于搭接接頭就不可能做到這一點，側面搭接焊縫中沿整個焊縫長度上的應力分布很不均勻，而且焊縫越長，不均勻度就越嚴重，故一般鋼結構設計規(guī)范都規(guī)定側面搭接焊縫的計算長度不得大于60倍焊腳尺寸。因為超過此限值后即使增加側面搭接焊縫的長度，也不可能降低焊縫兩端的應力峰值。

02、焊接缺陷對結構靜載非脆性破壞的影響

焊接缺陷對結構的靜載破壞有不同程度的影響，在一般情況下，材料的破壞形式多屬于塑性斷裂，這時缺陷所引起的強度降低，大致與它所造成承載截面積的減少成比例。在一般標準中，允許焊縫中有個別的、不成串的或非密集型的氣孔，假如氣孔截面總量只占工作截面的5%時，氣孔對屈服極限和抗拉強度極限的影響不大，當出現(xiàn)成串氣孔總截面超過焊縫截面2%時，接頭的強度極限急速降低。出現(xiàn)這種情況的主要原因是由于焊接時保護氣氛的中斷，使出現(xiàn)成串氣孔的同時焊縫金屬本身的機械性能下降。因此限制氣孔量還能起到防止焊縫金屬性能惡化的作用。焊縫表面或鄰近表面的氣孔要比深埋氣孔更為危險，成串或密集氣孔要比單個氣孔危險得多。

夾渣或夾雜物，根據(jù)其截面積的大小成比例地降低材料的抗拉強度，但對屈服強度的影響較小。這類缺陷的尺寸和形狀對強度的影響較大，單個的間斷小球狀夾渣或夾雜物并不比同樣尺寸和形狀的氣孔危害大。直線排列的、細小的而且排列方向垂直于受力方向的連續(xù)夾渣是比較危險的。

幾何形狀造成的不連續(xù)性缺陷，如咬邊、焊縫成型不良或焊穿等不僅降低了構件的有效截面積，而且會產(chǎn)生應力集中。當這些缺陷與結構中的高殘余拉伸應力區(qū)或熱影響區(qū)中粗大脆化晶粒區(qū)相重迭時，往往會引發(fā)脆性不穩(wěn)定擴展裂紋。

未熔合和未焊透比氣孔和夾渣更為有害。當焊縫有增高量或用優(yōu)于母材的焊條制成焊接接頭時，未熔合和未焊透的影響可能并不十分明顯。事實上許多使用中的焊接結構已經(jīng)工作多年，埋藏在焊縫內(nèi)部的未熔合和未焊透并沒有造成嚴重事故。但是這類缺陷在一定條件下可能成為脆性斷裂的引發(fā)點。

裂紋被認為是最危險的焊接缺陷，一般標準中都不允許它存在。由于尖銳裂紋容易產(chǎn)生尖端缺口效應、出現(xiàn)三向應力狀態(tài)和溫度降低等情況，裂紋可能失穩(wěn)和擴展，造成結構的斷裂。裂紋一般是在拉伸應力場和不良的熱影響區(qū)顯微組織段中產(chǎn)生的，在靜載非脆性破壞條件下，如果塑性流動發(fā)生于裂紋失穩(wěn)擴展之前，則結構中的殘余拉伸應力將沒有什么有害影響，而且也不會產(chǎn)生脆性斷裂。除非裂紋尖端處材料性能急劇惡化，附近區(qū)域的顯微組織不良，有較高的殘余拉伸應力，而且在工作溫度低于臨界溫度等不利條件綜合作用外，一般情況下即使材料中出現(xiàn)了裂紋，當它們離開拉伸應力場或惡化了的顯微組織區(qū)之后，也常常會被制止住。

03、焊接缺陷對結構脆性破壞的影響

焊接結構經(jīng)常會在有缺陷處或結構不連續(xù)處引發(fā)脆性斷裂，造成災難性的破壞。一般認為，結構中缺陷造成的應力集中越嚴重，脆性斷裂的危險越大。由于裂紋尖端的尖銳度比未焊透、未熔合、咬邊和氣孔等缺陷要尖銳得多，所以裂紋危害最大。氣孔和夾渣等體積類缺陷的存在量低于5%時，如果結構的工作溫度不低于材料的塑性—脆性轉(zhuǎn)變溫度，它們對結構的安全是無害的。帶裂紋的構件的臨界溫度要比含夾渣構件高得多。除用轉(zhuǎn)變溫度來衡量各種缺陷對脆性斷裂的影響之外，許多重要焊接結構都采用斷裂力學作為評價的依據(jù)，因為用斷裂力學可以確定斷裂應力和裂紋尺寸與斷裂韌度之間的關系。許多焊接結構的脆性斷裂都是由微小的裂紋引發(fā)的，在一般情況下，由于小裂紋并未達到臨界尺寸，結構不會在運行后立即發(fā)生斷裂。但是小的焊接缺陷和不連續(xù)很可能在使用期間出現(xiàn)穩(wěn)定增長，最后達到臨界值，而發(fā)生脆性斷裂。所以在結構使用期間進行定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測接近臨界條件的缺陷，是防止焊接結構脆性斷裂最有效的措施。當焊接結構承受沖擊或局部發(fā)生高應變和惡劣環(huán)境因素，都容易使焊接缺陷引發(fā)脆性斷裂，例如疲勞載荷和腐蝕環(huán)境都能使裂紋等缺陷變得更尖銳，使裂紋的尺寸逐漸增大，加速其達到臨界值。

04、結束語

了解和掌握各種焊接缺陷對結構強度的影響對于我們正確把握焊接結構的安全性是十分必要的，也使我們明確了哪些焊接缺陷可能對焊接結構帶來災難性的后果，哪些焊接缺陷的存在是不會對焊接結構使用強度帶來大的影響，這對于我們焊接質(zhì)量檢驗標準的確定也提供了很好的參考。

審核編輯：郭婷