焊接結構脆性斷裂的預防措施

李龍飛 武國峰 張謝奎

摘 要： 自從焊接結構得到廣泛應用以來，許多國家都發生過一些焊接結構的脆性斷裂事故，由于脆斷事故具有突然發生不易預防的特點，其后果十分嚴重，甚至是災難性的，隨著國防工業、石化工業、機械工業、 交通運輸業的發展，焊接結構在我國已經得到廣泛應用，也曾發生過脆斷事故。因此如何預防焊接結構的脆斷事故，成為有關行業的重大研究課題。

關鍵詞：脆性斷裂；預防措施；合理設計

焊接過程中，由于多種原因，往往會在焊接接頭區域產生各種焊接缺陷。了解焊接缺陷產生的原因，及時采取相應的預防措施，避免缺陷的產生或將缺陷控制在可以接受的最低限度，從而提高焊接接頭的質量。若斷裂前發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。二者斷裂機理不同，機理是截面應力重分布。脆性斷裂時截面應力幾乎沒有重分布，整個截面突然因為某點應力達到材料極限強度而宣告破壞。韌性斷裂時截面應力存在重分布，某點先達到極限強度，但是截面未破壞，而是開始應力重分布，隨后其它位置點也達到極限強度，使截面應力圖形呈飽滿的塑性發展，產生韌性破壞。本文重點對焊接結構脆性斷裂的特征、原因和預防措施展開論述。

1.焊接結構脆性斷裂特征

脆斷時承受的工作應力較低，通常不超過材料的屈服強度，甚至不超過常規的許用應力，所以又稱為低應力脆斷脆性斷裂總是以零件內部存在的宏觀裂紋（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工藝過程中產生，還可能是由于疲勞或應力腐蝕而產生。中低強度鋼在10℃～15℃以下發生的由韌性狀態轉變為脆性狀態（韌-脆轉變）。

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是解理花樣和沿晶斷口形態。因原子間結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，在低溫和三向應力狀態時更快；沿著特定的結晶面（稱為解理面）發生，這些結晶面一般是屬于低指數的。在不同高度的平行解理面之間產生解理臺階。

2.焊接結構產生脆斷的原因

焊接結構之所以發生脆性斷裂，是因為焊縫接頭處幾何的不連續性形成或多或少的焊接缺陷，從而引起應力集中，形成斷裂源。另外，還由于焊接接頭處的力學性質的不均勻，使附近熱影響區材料性質變脆，以及焊縫接頭處總是不可避免地要產生焊接變形及焊接殘余應力。

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，而焊接是產生裂紋的主要原因，目前的焊接技術只能對裂紋進行控制而不能徹底避免。

2.2存在很大的殘余應力和應力集中程度

不良的制造裝配工藝和不正確的設計是產生殘余應力及應力集中的主要原因，必須高度重視。

2.3材料的韌性不足

隨著低合金高強鋼的發展，強度值不斷上升，而塑性和韌性有所下降，是造成低應力脆性破壞的主要原因。

3.焊接結構脆性斷裂的預防措施

3.1合理設計焊接結構

（1）盡量減少焊接結構和接頭部位的應力集中

（2）不同厚度構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，兩條焊縫距離應不低于最短距離限度。

3.2盡量減少結構的剛性

在滿足結構的使用條件下，盡量減少結構剛性，從而降低應力集中和附加應力的影響。

3.3不能忽視次要焊縫的設計

因為脆性斷裂具有擴展性，不受力焊縫和附件的設計，和重要焊縫同等重要。

3.4盡量減少焊接殘余應力

在制定焊接工藝規程時，應考慮如何減少焊接殘余應力值，以避免其不利影響。

3.5不應采用大厚度的截面

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

3.6選用材料要合理

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

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

4.結束語

脆斷一般都在應力不高于結構的設計許用應力和沒有顯著的塑性變形的情況下發生，并瞬時擴展到結構整體，具有突然破壞性質，不易事先發現和預防，往往造成人員傷亡和巨額財產損失，因此，為保障各種焊接結構的生產安全和使用安全，需要結合各行業實際狀況，進一步提高和完善預防水平。

參考文獻：

[1]泰山出版社《金屬焊接作業安全與技術》

[2]郝繼升.焊接工藝中焊接缺陷對結構強度的影響[J].黑龍江科技信息，2008年30期.