焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的預(yù)防措施

李龍飛 武國峰 張謝奎

摘 要： 自從焊接結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用以來，許多國家都發(fā)生過一些焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故，由于脆斷事故具有突然發(fā)生不易預(yù)防的特點(diǎn)，其后果十分嚴(yán)重，甚至是災(zāi)難性的，隨著國防工業(yè)、石化工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、 交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)在我國已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，也曾發(fā)生過脆斷事故。因此如何預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)的脆斷事故，成為有關(guān)行業(yè)的重大研究課題。

關(guān)鍵詞：脆性斷裂；預(yù)防措施；合理設(shè)計(jì)

焊接過程中，由于多種原因，往往會在焊接接頭區(qū)域產(chǎn)生各種焊接缺陷。了解焊接缺陷產(chǎn)生的原因，及時(shí)采取相應(yīng)的預(yù)防措施，避免缺陷的產(chǎn)生或?qū)⑷毕菘刂圃诳梢越邮艿淖畹拖薅龋瑥亩岣吆附咏宇^的質(zhì)量。若斷裂前發(fā)生了較明顯的塑性變形，這樣的斷裂稱為韌性斷裂。若斷裂前未發(fā)生較明顯的塑性變形，這樣的斷裂稱為脆性斷裂。二者斷裂機(jī)理不同，機(jī)理是截面應(yīng)力重分布。脆性斷裂時(shí)截面應(yīng)力幾乎沒有重分布，整個(gè)截面突然因?yàn)槟滁c(diǎn)應(yīng)力達(dá)到材料極限強(qiáng)度而宣告破壞。韌性斷裂時(shí)截面應(yīng)力存在重分布，某點(diǎn)先達(dá)到極限強(qiáng)度，但是截面未破壞，而是開始應(yīng)力重分布，隨后其它位置點(diǎn)也達(dá)到極限強(qiáng)度，使截面應(yīng)力圖形呈飽滿的塑性發(fā)展，產(chǎn)生韌性破壞。本文重點(diǎn)對焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的特征、原因和預(yù)防措施展開論述。

1.焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂特征

脆斷時(shí)承受的工作應(yīng)力較低，通常不超過材料的屈服強(qiáng)度，甚至不超過常規(guī)的許用應(yīng)力，所以又稱為低應(yīng)力脆斷脆性斷裂總是以零件內(nèi)部存在的宏觀裂紋（如肉眼可見的0.1mm～1mm）作為源開始的。這種宏觀裂紋可以是在生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生，還可能是由于疲勞或應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生。中低強(qiáng)度鋼在10℃～15℃以下發(fā)生的由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)（韌-脆轉(zhuǎn)變）。

1.1脆性斷口的宏觀特征。在斷裂前沒有可以觀察到的塑性變形，斷口一般與正應(yīng)力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣沒有剪切“唇口”（或很小）。

1.2脆性斷裂的微觀特征 脆性斷裂的微觀判據(jù)是解理花樣和沿晶斷口形態(tài)。因原子間結(jié)合鍵的破壞而造成的穿晶斷裂，開裂速度快，一般鋼中的解理速度大約是1030m/s，在低溫和三向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)更快；沿著特定的結(jié)晶面（稱為解理面）發(fā)生，這些結(jié)晶面一般是屬于低指數(shù)的。在不同高度的平行解理面之間產(chǎn)生解理臺階。

2.焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆斷的原因

焊接結(jié)構(gòu)之所以發(fā)生脆性斷裂，是因?yàn)楹缚p接頭處幾何的不連續(xù)性形成或多或少的焊接缺陷，從而引起應(yīng)力集中，形成斷裂源。另外，還由于焊接接頭處的力學(xué)性質(zhì)的不均勻，使附近熱影響區(qū)材料性質(zhì)變脆，以及焊縫接頭處總是不可避免地要產(chǎn)生焊接變形及焊接殘余應(yīng)力。

2.1存在裂紋、未焊透、未熔合、咬邊等缺陷

斷裂總是從缺陷處開始，裂紋缺陷最為危險(xiǎn)，而焊接是產(chǎn)生裂紋的主要原因，目前的焊接技術(shù)只能對裂紋進(jìn)行控制而不能徹底避免。

2.2存在很大的殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中程度

不良的制造裝配工藝和不正確的設(shè)計(jì)是產(chǎn)生殘余應(yīng)力及應(yīng)力集中的主要原因，必須高度重視。

2.3材料的韌性不足

隨著低合金高強(qiáng)鋼的發(fā)展，強(qiáng)度值不斷上升，而塑性和韌性有所下降，是造成低應(yīng)力脆性破壞的主要原因。

3.焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的預(yù)防措施

3.1合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)

（1）盡量減少焊接結(jié)構(gòu)和接頭部位的應(yīng)力集中

（2）不同厚度構(gòu)件的對接盡量采用圓滑過渡。

（3）減少和避免焊縫的裂紋、咬邊、未焊透、焊縫外表成型不良等缺陷。

（4）盡量避免焊縫的密集，兩條焊縫距離應(yīng)不低于最短距離限度。

3.2盡量減少結(jié)構(gòu)的剛性

在滿足結(jié)構(gòu)的使用條件下，盡量減少結(jié)構(gòu)剛性，從而降低應(yīng)力集中和附加應(yīng)力的影響。

3.3不能忽視次要焊縫的設(shè)計(jì)

因?yàn)榇嘈詳嗔丫哂袛U(kuò)展性，不受力焊縫和附件的設(shè)計(jì)，和重要焊縫同等重要。

3.4盡量減少焊接殘余應(yīng)力

在制定焊接工藝規(guī)程時(shí)，應(yīng)考慮如何減少焊接殘余應(yīng)力值，以避免其不利影響。

3.5不應(yīng)采用大厚度的截面

由于焊接可以連接很厚的截面，有的焊接結(jié)構(gòu)會選用比鉚接結(jié)構(gòu)厚得多的截面，這樣就會提高鋼材脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低斷裂韌度，反而更易引起脆斷。

3.6選用材料要合理

（1）在結(jié)構(gòu)工作條件下，焊縫、熱影響區(qū)、熔合線的最脆部位要有足夠抗裂性能，母材應(yīng)具有一定止裂性能。

（2）不宜采用比實(shí)際需要強(qiáng)度更高的材料，特別不應(yīng)該單純追求強(qiáng)度指標(biāo)，而忽視其他性能。

4.結(jié)束語

脆斷一般都在應(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力和沒有顯著的塑性變形的情況下發(fā)生，并瞬時(shí)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體，具有突然破壞性質(zhì)，不易事先發(fā)現(xiàn)和預(yù)防，往往造成人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失，因此，為保障各種焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)安全和使用安全，需要結(jié)合各行業(yè)實(shí)際狀況，進(jìn)一步提高和完善預(yù)防水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]泰山出版社《金屬焊接作業(yè)安全與技術(shù)》

[2]郝繼升.焊接工藝中焊接缺陷對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[J].黑龍江科技信息，2008年30期.