鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量影響因素與控制措施

王迪 董玲玲

摘要：在鋼結(jié)構(gòu)的失效形式之中，斷裂破壞現(xiàn)象是主要失效形式之一，這其中所呈現(xiàn)出的脆性斷裂危害較大，并且破壞極為明顯，由于焊接輳是鋼結(jié)構(gòu)體系之中最為脆弱的一個區(qū)域，這直接促使焊接接頭本身的脆斷性是對于鋼結(jié)構(gòu)制造期間造成影響較大的一項關鍵性技術。本篇文章主要針對鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭斷裂破壞的影響因素以及控制措施等進行了全面深入的研究，以期為鋼結(jié)構(gòu)應用發(fā)展作出貢獻。

關建詞：鋼結(jié)構(gòu)；焊接接頭；斷裂破壞

0序言

鋼結(jié)構(gòu)本身具備了質(zhì)量輕、材質(zhì)均勻、氣密性好、安裝便捷、抗震性能強等方面的優(yōu)勢，被廣泛的應用在了結(jié)構(gòu)建設領域中。鋼結(jié)構(gòu)在進行安裝施工的過程中，焊接技術是一項較為重要的技術，是切實有效的實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)可靠性高、成本低、高效連接的核心措施。同時，又由于焊接接頭中所存在的化學成分、性能、組織等方面的缺陷，極易使得焊接不當?shù)那闆r給予鋼結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。所以，鋼結(jié)構(gòu)的設計人員、技術人員都務必要引起對于高度風險的認識，并且對控制措施加以掌控。下文主要針對鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭斷裂破壞的影響因素以及控制方式進行了全面詳細的探討。

1斷裂的概念和種類

斷裂現(xiàn)象，通常情況下是在外力導致的影響下所出現(xiàn)的分離過程，同時也是導致鋼結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)失效現(xiàn)象的核心形式。依據(jù)斷裂之前的塑性變形狀態(tài)大小來進行劃分，主要可以將其劃分為延性斷裂以及脆性斷裂兩種形式。

1.1 脆性斷裂

在出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象之前，通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)本身僅僅只有少量的塑性變形或者沒有任何變化，但是其結(jié)構(gòu)本身所具有的能量吸收效率大幅度下滑。

1.1.1脆性斷裂的過程

由于焊接接頭上所出現(xiàn)的細微缺陷、裂縫，使得鋼結(jié)構(gòu)本身的應力影響過于集中，僅僅只是處在一個較低的工作應力處理作用體系下。在這期間，裂縫本身會直接從尖端開始進行擴展，直到整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

1.1.2脆性斷裂的主要特征

（1）斷口表面平齊光亮，表面有許多放射狀或人字狀條紋.這些條紋匯聚于裂紋源。

（2）脆性破壞時工作應力一般低于材料的屈服強度或結(jié)構(gòu)的許用應力，稱為“低應力脆性斷裂”。

（3）脆性斷裂通常發(fā)生在較低溫度下，故也稱為“低溫脆性斷裂”，溫度越低，越易發(fā)生脆斷。

（4）脆斷總是無征兆的瞬間發(fā)生，不可預見。

1.2延性斷裂

延性斷裂也稱為韌性斷裂，斷裂前有較大的塑性變形。

1.2.1延性斷裂的過程

金屬材料本身在載荷的作用影響之下，會出現(xiàn)彈性變形的現(xiàn)象。并且在載荷現(xiàn)象持續(xù)增加的作用影響之下，會使得變形量不斷增加，材料在這期間便會出現(xiàn)屈服，最終導致塑性變形的發(fā)生。繼續(xù)加大載荷，金屬將進一步變形，繼而發(fā)生斷裂口或微空隙。這些斷裂口或微空隙一經(jīng)形成。便在隨后的加載過程中逐步匯合起來，形成宏觀裂紋。宏觀裂紋發(fā)展到一定尺寸后，擴展而導致最后斷裂。

1.2.2延性斷裂的主要特征

（1）延性斷裂裂口呈纖維狀，色澤灰暗，2影響焊接結(jié)構(gòu)脆斷的因素

2.1焊接結(jié)構(gòu)自身特點的影響

焊接結(jié)構(gòu)是由不可拆卸的焊接接頭連接而成的整體，結(jié)構(gòu)剛性大，容易引起較大的附加應力，使結(jié)構(gòu)的抗斷裂能力降低。焊接結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋很容易由一個構(gòu)件擴展到另一個構(gòu)件，繼而擴展到結(jié)構(gòu)的整體，造成結(jié)構(gòu)整體破壞。

2.2焊接殘余應力的影響

由于焊接過程是不均勻加熱和冷卻的過程，在焊接接頭處不可避免地存在拉伸殘余應力，殘余應力和工作應力疊加共同作用，在外載荷很低的情況下，結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂破壞。當裂紋擴展離開焊縫接頭區(qū)，殘余應力的影響就逐漸變小，這時若工作應力較小，則裂紋終止擴展。

2.3焊接缺陷的影響

焊接缺陷主要有氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、未焊透、錯邊、余高過高或不足等，缺陷面垂直于應力方向，表面及近表面缺陷、前沿尖銳的裂紋以及造成結(jié)構(gòu)應力集中的成形缺陷，對脆斷的影響最大，是潛在的斷裂源。因此，焊接缺陷是鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭脆斷的重要原因。

2.4焊接接頭化學成分與金相組織的影響

C，N，0，H，S，P等元素會增加鋼的脆性如果焊接過程中使這些元素含量增加，則結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷可能性增大。焊縫及近縫區(qū)的金相組織對接頭的脆斷有較大影響。過大的焊接熱輸入會使焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大和脆化，過小的焊接熱輸人又易造成淬硬組織，二者均降低焊接接頭的韌性，增加脆斷的可能性。

2.5工作溫度的影響

塑性金屬材料隨溫度的降低，會由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變對應的溫度成為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。在此溫度以上只要工作應力處于彈性范圍，材料就不會發(fā)生脆性破壞。

3焊接結(jié)構(gòu)斷裂的控制措施

焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象，主要包括了裂縫萌生、穩(wěn)態(tài)擴張、失穩(wěn)斷裂等多個方面的過程中，而與此對應的方式便是焊接結(jié)構(gòu)的裂紋控制措施，通過切實有效的措施，能夠達到對起裂和裂紋擴展控制的目的。此外，焊接結(jié)構(gòu)的斷裂現(xiàn)象，也同樣受到了結(jié)構(gòu)本身的設計、選材、制造工藝、環(huán)境體系等多個方面因素的影響。因此，斷裂控制措施在執(zhí)行的過程中，主要從結(jié)構(gòu)設計、制造工藝、材料選擇這三個重要方面來加以選擇的。

3.1材料選擇

選材時要綜合考慮材料的屈服強度、斷裂韌性、焊接性、厚度以及造價成本等方面因素。如果選用強度高脆性大的材料，則在焊接工藝上增加預熱、后熱和熱處理等措施，來解決斷裂問題。

3.2結(jié)構(gòu)設計

鋼制焊接結(jié)構(gòu)設計要遵循“防止裂紋產(chǎn)生準則”和“止裂準則”，在設計時應注意以下幾方面問題：

（1）結(jié)構(gòu)和接頭部位要盡量減少應力集中；避免構(gòu)件截面尺寸突變；構(gòu)件相交處須圓滑過渡設計；

（2）在滿足結(jié)構(gòu)使用條件下，盡量減小結(jié)構(gòu)的剛度，以降低對應力集中的敏感性和附加應力的影響；盡量不使用過厚截面；可通過開工藝槽或緩和槽來降低結(jié)構(gòu)剛度。

（3）設計焊縫位置時要考慮到焊接和檢驗的可達性，以保證焊接質(zhì)量。

3.3制造工藝

除了要針對結(jié)構(gòu)設計、材料選擇方面進行嚴格控制以外，鋼結(jié)構(gòu)本身的焊接制造過程，也務必要與斷裂控制措施之間相符合，同時要對于以下幾個方面加以重視：

（1）對焊接材料、焊接工藝、焊接方式進行科學合理的選擇。在針對焊接工藝的相應規(guī)程進行編制之前，務必要先對于焊接工藝進行評定，以此來為鋼結(jié)構(gòu)最終的焊接質(zhì)量。

（2）對生產(chǎn)進行嚴格的規(guī)范管理。嚴格按照生產(chǎn)工藝所規(guī)定的規(guī)程來執(zhí)行生產(chǎn)工作，同時對于質(zhì)量管理、工藝紀律方面進行全面的檢查，針對檢驗的具體制度加以完善，防止出現(xiàn)返修量增大的現(xiàn)象。

（3）要對焊接區(qū)域的局部材料的相應性能劣化、應力殘余等方面進行充分的考慮，在有必要的情況下，可以采取熱處理的措施；同時，在對關鍵部件進行斷裂測試后，來最終決定是否要對焊后的熱處理加以執(zhí)行。

（4）利用切實有效的措施，來避免結(jié)構(gòu)使用性能所可能出現(xiàn)的焊接變形影響，同時在對于焊接變形現(xiàn)象進行控制的過程中，要尤其注意對于結(jié)構(gòu)本身性能的損害可能性。

（5）鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中所涉及到的相應產(chǎn)品、構(gòu)件都應當要采取安全妥當?shù)拇胧┻M行保管，防止這部分構(gòu)件受到任何溫度應力、附加應力等方面的影響。

4結(jié)語

綜上所述，在我國鋼結(jié)構(gòu)安裝工程規(guī)模不斷擴大的情況下，焊接技術被廣泛的應用，同時，社會的發(fā)展也對于鋼結(jié)構(gòu)本身的完善性、可靠性、安全性等多個方面提出了越發(fā)嚴格的要求。尤其是對于材料方面的要求，已經(jīng)成為了避免對焊接技術造成事故影響的關鍵措施。所以，工程技術人員本身務必要對于焊接接頭本身的斷裂破壞措施加以掌握，最大限度的防止結(jié)構(gòu)安全事故的出現(xiàn)。

參考文獻：

[1]張元彬，羅輝.鋼結(jié)構(gòu)焊接制造[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[2]張度華.焊接力學與結(jié)構(gòu)完整性原理[M]，北京：北京航空航天大學出版社，2007.