基于金屬結構件焊接失效的原因分析及預防措施

韋廣前

（武漢大學動力與機械學院，武漢430072）

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基于金屬結構件焊接失效的原因分析及預防措施

韋廣前

（武漢大學動力與機械學院，武漢430072）

摘要：焊接是金屬材料間相互連接的最常見方式。焊接效果的好壞直接影響金屬構件的性能和使用壽命，甚至關系到企業的經濟損失和操作人員的生命安全。金屬結構件的焊接部位長期工作在惡劣復雜的環境中，其失效問題越來越引起人們的高度重視。因此，系統地分析焊接結構失效的原因并提出防治措施在實際生產應用中具有重要的意義。本文系統地分析焊接結構的失效形式及失效原因，結合材料的使用環境針對性地提出預防失效的若干措施，以期提高金屬構件的綜合性能，延長使用壽命。

關鍵詞：焊接失效形式失效原因預防措施

引言

近年來，隨著國民經濟的快速發展和我國工業技術水平的提高，我國金屬材料尤其是不銹鋼材料的消費量增長速率顯著加快。2002年，我國不銹鋼材料的消費量已經達到世界第一位，為220萬噸［1］。金屬材料由于具有優良的機械強度被廣泛應用于汽車船舶、鐵軌橋梁、建筑框架、工廠管道和航天航空等領域。金屬材料加工中，最常見最主要的工藝就是焊接。焊接技術直接關系到構件的使用壽命和經濟成本。目前，市場上對焊接結構件的數量需求逐漸增大，對金屬器件質量要求逐漸提高，使得人們對金屬材料本身質量和焊接工藝的質量要求越來越高。因此，研究焊接工藝及焊接結構具有十分重要的意義。

焊接失效已經成為金屬結構件損壞的主要原因，其失效主要與焊接工藝、選材、施工和使用環境有關［2］。焊接結構長期處于復雜、苛刻的工作環境中，常常經歷持續高負荷工作以及較大溫差的沖擊，甚至多種應力的作用導致局部表面損壞。通過分析金屬結構件的焊接失效原因，采取相應的預防措施，不但可以有效減少因脆斷、應力腐蝕、磨損、疲勞等失效而造成的損失，還可以提高焊接結構產品質量，促進焊接技術的發展，給國家帶來巨大的經濟效益和社會效益。

1 失效原因

通常，所謂焊接失效就是指在一定條件下金屬結構件的焊接接頭由于各種因素而發生斷裂的現象。一般，此類條件包括材質本身、環境溫度、承受應力或載荷、焊接品質等。焊接失效會導致原本互相連接在一起的金屬構件產生局部分離和切向撕裂，并導致逐步延伸擴展，最終造成焊接結構的機械強度受損甚至構件被破壞，從而引起金屬框架的坍塌、斷裂等。

1.1 失效條件

導致金屬焊接構件失效的條件，需要從多方面、多角度進行考慮，主要包括：

（1）焊接設計不合理。焊接位置和焊接形式的設計直接影響焊接構件的整體機械強度和載荷承受強度。如果焊接位置選取不當或者焊縫間距離太近，易使金屬結構件局部剛性過大，出現應力集中的現象；

（2）材料本身的缺陷。如板材化學成分偏析，鑄鋼件的組織存在縮松、氣孔、裂紋等；

（3）焊接工藝不合理。包括未根據恰當的標準制定合理的焊接工藝，未根據材料的實際性能制定合理的焊接工藝，未根據構件所使用的環境和所承受的載荷選取合理的焊接方法等；

（4）構件所處的工作環境、工況條件差（如受到交變及沖擊載荷、持續高溫、強酸堿性等），引起結構材料疲勞破壞。

投入使用的金屬焊接構件，只要存在焊接時的缺陷，在持續載荷或應力作用下就很難避免失效或者損壞現象。根據失效的基本條件對焊接失效進行研究，可以從兩個方面考慮：一是引起金屬結構件產生焊接失效的根本原因；二是焊接結構件在應用過程中所處的工作環境。

2.2 焊接失效的原因

2.2.1 疲勞失效的原因

通常，焊接接頭的靜態載荷承受能力比母材的靜態載荷承受能力強，但在焊接過程中遇到各種缺陷在所難免。相同的動態載荷條件下，母材的承受能力強于焊接接頭。因此，焊接結構的焊接部位在持續承受不同方向和不同程度的動態載荷時，焊接結構難免產生疲勞，而疲勞引起的失效是焊接失效的主要原因。據統計，由焊接失效而造成的倒塌或斷裂事故中，構件疲勞失效引起的事故約占3/4。焊接構件受到持續性載荷或應力時，焊接構件由于疲勞會逐漸產生裂紋并逐漸向周圍擴散。然而，擴散過程一般較難被發現。當裂紋擴散到一定程度時，疲勞引起的斷裂會瞬間發生。這也是疲勞失效引起的破壞易造成巨大損失的主要原因。

在循環載荷的不斷沖擊下，處于應力最大處的晶體粒子最容易產生不同程度的微小裂紋。裂紋在持續應力的作用下逐漸擴散，發展成為宏觀裂紋。隨后，宏觀裂紋會在持續載荷的作用下進一步延伸擴展，最終導致焊接結構的疲勞失效［3］。

殘余應力、應力集中和焊接缺陷是引起焊接構件產生疲勞失效的主要因素。

（1）殘余應力。殘余應力（Residual Stress）是指構件在制造過程中，受到來自各種工藝等因素的作用與影響，當這些因素消失后，若構件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構件內。焊接過程中，由于母材和焊接材料本身性能的差異，加熱過程中由于不同材料的膨脹率差異導致膨脹趨勢不同。不同的膨脹趨勢下，它們受到周圍材料的束縛大小不一。當焊接結束后，逐漸冷卻的材料將發生不同程度的收縮，收縮過程中同樣受到周圍材料的束縛，導致焊接構件在焊接局部存在殘余應力。焊接構件中的殘余應力對體系的平均應力大小產生影響，但并不會改變應力幅。殘余拉應力增大平均應力，加快了構件裂紋的擴散速率。當細小的裂紋繼續擴散最終形成較大的裂紋，從而極大程度上降低了構件的機械強度，減小了焊接結構的疲勞壽命。此外，殘余壓應力對構件的影響截然相反。當構件在應用過程中受到參與壓應力時，疲勞裂紋的擴散速率由于壓應力的存在減小，裂紋較難向周圍擴散，從而在一定程度上增強焊接構件的疲勞強度，延長構件的疲勞壽命。引起構件產生殘余應力的因素較多，主要包括母材本身的性能和加工工藝過程、焊接材料的屬性、焊接順序和焊后處理等［4］。

（2）應力集中。焊接結構的宏觀幾何不連續性是最易引發應力集中現象的原因。常見的開孔、截面變化等都屬于宏觀幾何不連續的形式。焊縫處被開孔截斷時，在開孔的臨近區域會產生明顯的應力集中現象。用來描述應力集中程度的量稱之為理論應力集中系數，它是最大局部應力σmax與名義應力σ0的比值ασ。理論應力集中系數是描述焊接構件應力集中的程度，其數值越大，表明焊接構件的應力集中現象越嚴重。然而，理論應力集中系數并不能用于直接判斷局部應力導致構件疲勞強度降低具體程度。工程中，常用有效應力集中系數Kσ來表示疲勞強度真實降低程度。焊接接頭對于母材而言，本身就屬于不連續體，其不連續性尤其體現在焊接部位的焊趾處。此外，不合理的焊接形式以及不合理的接頭設計也會導致構件不同程度的應力集中。焊接結構設計的不合理同樣也較易引起焊接局部產生應力集中現象，從而影響焊接結構的疲勞強度與使用壽命［6］。另外，母材本身的缺陷如表面缺口、彎曲變形、載荷過度集中、內部殘存缺陷等情況，也會導致焊接結構存在應力集中的可能性。因此，在工程加工工程中應盡量保證母材的完好性。焊接前，應認真檢查母材是否存在上述缺陷；焊接時，應盡可能避開存在缺陷的部位。

（3）焊接缺陷。所謂焊接缺陷通常包括未焊透、焊接裂紋、氣孔、夾渣、咬邊和弧坑等導致金屬結構件的承載能力下降的不完整形態。在金屬結構件相互連接的焊縫區，較易存在焊接缺陷。此類焊接缺陷屬于焊接結構件的固有特性。焊接缺陷的存在，不僅降低焊縫處的焊接截面積，還易產生集中應力，降低焊接構件的機械強度，縮短其使用壽命。諸多焊接缺陷中，焊接裂紋最易引起金屬結構件的脆性斷裂現象，而焊接裂紋中表面裂紋又是最具危害性的缺陷形式。同時，焊接裂紋也是最為嚴重的應力集中源，能夠導致焊接結構在交變載荷下的疲勞強度大幅度降低。焊接過程中，若焊接電流過大、焊接速度過快、焊縫間隙較大、母材邊緣雜質過多等，都有可能造成焊縫開裂［7］。焊接時形成的咬邊也是表面缺陷的一種形式。咬邊常出現在焊趾部位。如果咬邊的邊緣部位在冷卻過程中被淬硬，易引起焊接裂紋，從而形成較為嚴重的危害。焊接過程中，由于焊接電流過大或焊接處存在銹蝕、氣焊渣、油泥等都易產生氣孔。而位于表面或表層下的氣孔對焊接疲勞強度的影響最大［8］。

2.2.2 脆性斷裂失效的原因

據統計，大多數的焊接結構中包含的不同形態的缺陷與裂紋是引起金屬焊接結構件發生脆性斷裂失效的本質原因。正是由于此類缺陷與裂紋的影響，不僅很大程度上降低了金屬材料的真實應用強度，同時大幅增加了焊接結構件的斷裂概率。焊接過程中的缺陷與裂紋主要產生于兩個方面：一方面是在對金屬結構件進行焊接加工過程中出現，另一方面則是焊接結構件在使用中不斷累積而產生，如在持續交變載荷下金屬結構件所形成的疲勞裂紋等。

雖然，焊接構件中的缺陷與裂紋在其承受不同程度的載荷時易產生應力集中現象，但是金屬結構件是否會發生斷裂還取決于金屬材料對此類缺陷的敏感程度。如果所用材料的韌性非常好，那么當其承壓時，裂紋區域尖端將先發生塑性形變，然后再進行延伸擴展，于是在缺陷附近的應力就可以得到較充分的松馳，從而避免發生脆性斷裂失效。但是，若所用焊接材料屬于脆性材料，對缺陷敏感性遠高于塑性材料，那么當構件受到應力時，裂紋區域尖端將不會發生塑性形變，構件將很容易因發生脆性斷裂而失效［9］。

通常，金屬材料對缺陷的敏感程度與溫度有關，其敏感程度幾乎都是隨著溫度的下降而呈現上升趨勢。因此，當溫度下降時，具有一定韌性的材料會逐漸呈現出脆性，相應結構件的失效也會由塑性斷裂失效逐漸轉為脆性斷裂失效。金屬材料由塑性轉變成脆性的溫度即工程上的“脆性轉變溫度”，此溫度經常用于判斷金屬脆性敏感性。

2.2.3 塑性斷裂失效的原因

所謂塑性斷裂是指焊接結構所承載的應力范圍超過該構件危險截面能承受的極限應力時所發生的斷裂現象。塑性斷裂引起的焊接失效也是結構失效的一種常見失效形式。

金屬構件發生塑性斷裂時都會發生比較明顯的塑性變形，同時還會消耗大部分的能量。通常，具有一定塑性的金屬材料在發生塑性斷裂失效前總會經歷一段塑性形變的過程。塑性形變后的結構斷裂會沿塑性形變方向遺留下不同強度的殘余形變，導致構件斷口處存在較清晰的縮頸、撓曲等現象。

金屬焊接材料之所以發生塑性斷裂失效，本質原因是焊接結構中微孔缺陷的形成和長大的過程。焊接構件在應用過程中，當負載增大時，受載荷的部位首先在力的作用下發生塑性形變，隨著構件所受應力逐漸增大直到超過材料的屈服極限值后，金屬材料的局部開始產生明顯的塑性形變現象。此過程中，形變較嚴重的部位將形成形狀各異的微小孔狀結構，而焊接過程中產生的夾雜物常常位于微孔的成核區域。

當金屬構件受到拉伸應力時，焊接構件將產生塑性變形，從而導致夾雜物破碎抑或脫離木材，最終在焊接結構中產生空洞。在拉伸應力持續作用下，所形成的空洞將進一步長大并相互聚集成大的孔，宏觀上表現為裂紋缺陷。若拉伸應力持續作用，裂紋則會不斷延伸擴展，尺寸逐漸增大，最后導致構件斷裂［10］。

根據上述分析可知：在持續的拉伸應力施加于焊接構件時，構件中的缺陷（如微孔）逐漸形成，并不斷聚集長大，最終導致構件斷裂時構件的斷口呈現較暗淡的淺灰色。此外，一般的金屬材料都具有低溫變脆性能，即當環境溫度低于該材料本身的韌——脆轉變溫度時，金屬結構件的失效將由原來的塑性斷裂失效逐漸轉化為脆性斷裂失效。

綜上所述，由于金屬結構件失效的原因較多，焊接結構發生斷裂失效是同時有多重原因共同作用造成的。但不同情況下，構件的損壞失效原因具有主次之分。所以，任何單一地從一個角度去分析金屬材料失效原因都是不準確的，需要結合多種因素綜合考慮，才能得出準確有效的結果。

3 焊接失效的防治措施

3.1 疲勞失效的防治措施

（1）減小焊接殘余應力。殘余應力的產生主要受焊接方法和焊接工藝影響。因此，要減小焊接結構中產生的殘余應力，需要根據焊接材料的結構設計和焊接工藝設計等方面來考慮。焊接前設計時，可以通過減少焊接結構上的焊接數量以及焊縫尺寸，避免焊縫過度集中而引起的應力集中現象［11］。

確定好焊縫數量、焊縫尺寸后，如何規劃焊縫的順序也關系到殘余應力的大小。焊接結構中的殘余應力是由于焊接部位金屬材料熱脹冷縮引發臨近材料橫向和縱向收縮束縛所產生，因此不同的焊接順序對構件的殘余應力有較大的影響。焊接時，最好的選擇是讓焊縫能最大限度地自由伸縮而不受臨近材料的束縛，從而盡可能減小焊接冷卻后存在的殘余應力。

（2）減小應力集中。金屬結構件產生疲勞失效最根本的原因就是在持續載荷作用下焊接構件發生應力集中現象。因此，提高構件抗疲勞強度行之有效的方法就是最大限度地減少應力集中程度。

一方面，在對待焊接材料進行施焊時應該盡可能地減小焊接面的突變，盡可能地使焊接面光滑圓整。這就要求焊接前的準備工作應充分，要合理設計焊接形狀，盡量避免尖角或者拐角的形狀，盡量設計成曲率半徑大的圓弧形狀。這樣可以最大限度地保證焊接結構在應用時所承受的載荷分布相對均勻，從而避免焊接處局部承受載荷過大而導致整個焊接構件失效的現象。

另一方面，合理的焊接接頭設計也可在一定程度上降低應力集中。焊接時，應該盡量避免焊的交匯和焊縫過度的集中。此外，相鄰焊縫間應該保持一定的安全距離。在承載最大工作應力的區域盡可能不要設置焊縫，在承受拉伸應力的構件上盡可能不要設置橫向焊縫。

（3）改善焊接缺陷。此外，提高焊接結構抗疲勞應力失效、延長構件使用壽命的另一種有效方法是提高焊縫焊接質量，最大限度地減少各種焊接缺陷的存在。例如，利用相關機械設備對焊縫進行整體拋光打磨。既能有效改善焊縫處的形狀參數，還可以較好地消除焊縫表面缺陷，一定程度上能夠達到提高焊縫抗疲勞強度的目的［12］。

相比于焊接構件的整體磨光工作，如果采用砂磨機對焊接部位及附近區域進行局部拋光，既能在很大程度上減小工作量，又能有效改善焊縫的形狀參數，并且在防治疲勞失效的效果上與整體磨光提高抗疲勞強度基本相當。

3.2 脆性斷裂失效的防治措施

脆性斷裂失效一般發生在脆性材料或低溫情況下，其防治措施主要包括：

（1）盡量減少缺陷的產生，控制缺陷的大小以及數量；

（2）在不影響工業使用要求的前提下，盡量降低焊接結構的應力水平；

（3）從分子結構上，改善材料的抗斷裂性能。

基于上述幾方面考慮，具體應從焊接設計、加工制造、質量檢驗等方面采取一系列行之有效的措施，以達到增強金屬結構件抗脆性失效性能的目的。

在設計焊接結構時，總體應該符合安全可靠和經濟合理的要求。與此同時，還必須考慮使用過程中可能出現缺陷的情況。此外，足夠的機械強度是選材的基本需求。同時，還應考慮所選材料在惡劣的工作環境下仍然能保證材料有足夠的韌性。在不能減少應力集中和焊接缺陷時，尤其是在較低溫度下工作或承受沖擊載荷時，更應選擇韌性高的材料，以保證有高的脆斷抗力。焊接材料與母材的匹配應合理，保證較好的可焊性，避免出現缺陷。

3.3 塑性斷裂失效的防治措施

要提高焊接結構對塑性斷裂失效的抵抗作用，應當從焊接設計、焊接加工以及檢驗等環節予以考慮。提高焊接部位的表面質量以及壁厚的均勻度，運用合理的焊接設計，防止缺陷的產生。焊接過程中，設計的加熱和冷卻過程應緩慢進行，以減少因為溫差而引起材料伸縮產生的應力，防止結構件超壓運行。

使用過程中，應該加強設備維護的頻率。對金屬材料所接觸的防腐層要經常進行檢修，出現損壞時要及時更換，以免器壁因腐蝕而變薄。此外，還需要借助相應檢測設備對焊接構件定期檢測厚度，做到及時了解運行構件中焊接構件的最小壁厚。此外，應加強對投入

使用前的設備的維護，且要注意時刻保持設備的干燥，并防止材料的腐蝕。

4 結論

隨著我國國民經濟的快速發展，市場對金屬材料的需求量日漸增大。在工業生產已經構件的應用過程中，各種新的焊接問題不斷出現。尤其是在復雜的載荷以及苛刻的工作環境中，焊接結構失效問題更加顯著。為了提高我國工業技術水平，系統地尋找焊接失效的根源已是亟待解決的問題。本文從焊接構件的疲勞失效、脆性斷裂失效和塑性斷裂失效三方面對焊接失效的原因進行分析，提出了針對性的預防措施，對金屬材料的焊接加工、延長使用壽命有著積極的指導意義。

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Analysis of the Reasons Welded Metal Structure Failure and Preventive Measures

WEI Guangqian
（power and mechanical engineering Wuhan University, Wuhan 430072）

Abstract:Welding is the most common way of interconnecting metal material, welding effect directly affects the performance and service life of metal components, and even related to economic losses and safety. Metal structure of the welding part of long-term work in harsh environment, the failure problems caused by more and more people's attention, so system analysis of welding structure failure reasons and puts forward prevention measures in practical production and application has important significance. This paper from the system analysis of the welding structure of the failure forms and failure causes, and combining the material environment of the paper puts forward some measures for preventing the failure, in order to improve the comprehensive performance of metal component, to extend the service life.

Key words:welding, failure form, failure reason and preventive measures