焊接缺陷对焊接结构安全性能的影响.docx
《焊接缺陷对焊接结构安全性能的影响.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《焊接缺陷对焊接结构安全性能的影响.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
焊接缺陷对焊接结构安全性能的影响
焊接缺陷对焊接结构安全性能的影响
大约从1940年开始，大型结构制造就采用了焊接工艺，随之而来出现了严重的破坏事故，因为铆接结构的损坏是局部的，而焊接结构的损坏则多是整体的。
焊接结构破坏的分类；
一、焊接结构的塑性破坏：
塑性断裂过程是焊接结构在载荷作用下首先发生弹性变形→屈服→塑性变形（失稳）→产生微裂纹→形成宏观裂纹→发生失稳扩展→断裂。
塑性破坏的原因；
1、材料强度不足，焊接材料的抗拉强度不等同于母材的使用强度要求，或母材本身强度不够。
如：
用E4303焊条进行Q390等材料的定位焊或焊接，用Q235代替Q345或Q390钢材等。
2、焊接质量不过关，焊缝中存在裂纹、未焊满、未焊透等缺陷，特别是根部未熔合或未焊透，断裂总是从缺陷处开始，以裂纹最危险。
3、一定的应力水平和不良的制造工艺，是产生焊接残余应力的主要原因。
对于焊接结构来说，除了工作应力外，还必须考虑焊接残余应力和应力集中以及由于装配不良等所带来的附加应力。
4、焊接结构设计的焊缝高度不够，尤其是角焊缝，诸如压力容器开孔补强、钢结构柱梁之间焊接等；常出现焊脚尺寸偏小、角焊缝严重偏塌，尤其是立面钢板咬边，结构在受载之后很容易从缺陷处产生塑性变形进而断裂。
5、焊工责任心不强，施焊过程中偷工减料，忽视焊接过程中的检查、清理，如定位焊缝存在缺陷：
裂纹、气孔等，没有处理便直接焊接，影响了正式焊缝的质量。
如重庆彩虹大桥的倒塌，南京某菜场钢结构厂房的倒塌等破坏事例，说明了焊工责任心的重要，并非都是技术问题。
二、焊接结构的脆性破坏；
脆性断裂是在没有显著的塑性变形的情况下发生，具有突然破坏性质，一经发生，瞬时就能扩展到结构大部或全部，因此脆性断裂是不易发现和预防。
脆性破坏的特征是：
在一般静载下发生巨响，突然断裂，裂纹以约2000m/s的速度传播。
如1938-1940年欧洲的焊接桥梁在冬季突然脆断，1942—1949年美国建造的4700艘焊接货轮中有1000艘出现艘脆性破坏。
1965年据英国统计，有132台压力容器破坏，其中有118台为裂纹引起。
1944年10月美国俄亥俄州煤气公司液化气贮罐发生连锁爆炸。
造成大火，死亡133名。
1971年西班牙马德里一台5000m3煤气球罐发生爆炸，死伤15人。
1979年12月18日吉林液化气厂发生球罐爆炸事故，造成重大损失。
脆性断裂的主要原因；
㈠、应力状态对脆性断裂的影响：
脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。
而焊接工艺的不规范是引起局部应力较高的一个因素，因此在焊接过程中应合理选择装焊顺序，尽可能减小焊接残余应力和应力集中。
如：
先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝；先焊焊缝少的一则焊缝，后焊焊缝多的一则焊缝。
先焊横向焊缝、后焊纵向焊缝、先焊短焊缝、后焊直通焊缝；采用分段焊法，退步焊法等。
又如两平行焊缝之间的距离过小必然产生较大的应力，在承载时会产生断裂，原因是两焊缝间残余拉应力发生叠加。
两平行焊缝之间的距离应大于5倍板材厚度。
㈡、焊接结构的特点对脆断的影响：
1、铆接结构，发生脆性破坏事故为数不多，自从焊接结构广泛应用以来，脆断事故大大增加，损失严重，这主要是因为焊接结构自身具有刚度大和整体性强的特点。
2、刚度大，极易产生应力集中，焊接结构对应力集中因素特别敏感。
不向铆接结构具有一定的滑移性可大减小应力集中现象。
3、整体性强，焊接结构是一个不可分割的整体，一旦产生裂纹并会扩展到整个结构，从而产生全部破坏。
因此任何一处焊缝都有可能引起灾难性后果。
㈢、焊接结构制造工艺的特点对脆断的影响；
焊接结构脆性破坏起点基本上是焊接接头。
1、应变时效引起局部脆性，钢材在冷加工后会产生一定的塑性变形，如剪、冷作矫形、弯曲再热矫正、焊接热循环等。
这就是为什么要求焊缝一次焊接完成的一个原因。
2、金相组织改变对脆性的影响，焊接过程的快速加热和冷却使焊缝的本身和热影响区发生了一系列金相组织变化，因而就相应地改变了接头的缺口韧性。
热影响区是焊接接头薄弱环节之一。
对于一定的钢材和焊接方法来说；热影响区的组织主要取决于焊接参数，即热输入。
实践证明，过小的热输入会造成淬硬组织并容易产生裂纹；如Q345（16Mn、16MmR）、Q295的热轧钢焊接时，当含碳量偏下限时，钢的脆化和裂纹倾向较小，对焊接线能量无特殊要求；但当含碳量偏高时为防止冷裂纹的产生，焊接时线能量应偏大一些。
在焊接14MnNbq（Q345桥梁钢）的焊接线能量应较小，应控制在37kj/㎝以下。
焊15MnVNb（Q390）15MnVN（Q420）钢时线能量应在40—45kj/㎝以下。
3、焊接缺陷对脆断的影响，焊接接头中焊缝和热影响区容易产生各种缺陷，大约40%的脆断事故是从焊缝缺陷处开始的。
焊接缺陷主要有：
裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透、咬边等。
裂纹最危险，在外载作用下，裂纹将进一步发展，当裂纹位于高值拉应力区时，往往引起整个结构的脆性断裂。
除裂纹处，其他焊接缺陷，如咬边、未焊透、焊缝成形不良等，都会产生应力集中和可能引起脆性破坏；在实际产生中，当改变焊缝位置或接点形式时，应考虑焊缝的受力方向。
4、角变形和错边都会引起附加弯曲应力，对结构脆性破坏有较大影响。
尤其是对塑性较低的高强度钢，影响更大。
所以要求在焊接中避免或减少焊缝中的缺陷，避免焊缝密集、减少应力集中、注意焊接顺序，特别要重视次要焊缝的质量等。
这是一张典型的脆性断裂照片
三、焊接结构的疲劳断裂；
疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。
影响焊接接头疲劳强度的因素；
1、应力集中的影响，焊接结构中由于在接头部位具有不同的应力集中，对接头的疲劳强度产生不同程度的影响。
2、如果焊缝表面进行机械加工，如修磨成圆滑过渡或加工成与母材一平，应力将大大减小，如果焊缝本身成形良好，圆滑过渡，母材保持0～2mm的余高，也将降低应力。
如果焊缝有缺陷，特别是焊缝根部有缺陷，产生的应力比焊缝表面应力要严重的多。
3、接头形式的影响，不同的接头形式对疲劳强度有不同的影响。
钢结构生产中T型和十字型接头较多。
提高T型和十字型接头的强度的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡，而不是增大焊脚尺寸，增加焊缝尺寸对提高疲劳强度仅仅在一定范围内有效。
但焊缝焊趾端处母材的强度是薄弱点，无法改变。
有时为加大焊脚尺寸可能要采取多道焊，焊缝的上侧立面钢板往往会产生咬边现象。
反而降低了接头的疲劳强度。
4、特别值得一提的是，很多人在焊接对接焊缝时往往采用所谓的加强盖板，即在对接焊缝两面焊铁板，以增加对接焊缝的强度。
这种做法是极不合理的。
原来疲劳强度较高的对接接头强度大大削弱了，因为这里将疲劳强度较高的对接接头变成了角接接头。
（关于热影响区金属性能变化，焊接残余应力，这里不多讲）
5、焊接缺陷的影响
焊接缺陷对焊接接头的疲劳强度产生重大的不利影响。
影响的大小与缺陷的种类，尺寸，方向和位置有关。
线状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透），带圆角的缺陷（如气孔等）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的线状缺陷比其他方向的影响大；位于应力集中的缺陷（如焊趾裂纹）比在均匀应力区中同样缺陷的影响大，咬边和未焊透在不同位置有不同影响。
6、1986年，原大连起重机厂研究所曾对起重机箱形主梁制作模拟梁做疲劳强度试验。
模拟梁材质采用Q235B，焊接方法为焊条电弧焊，焊条E4303焊接工艺同一般桥式起重机制造工艺规程。
模拟梁的焊工为中级水平，模拟梁的制造后检查标准也按照起重机主梁制造要求验收。
模拟梁共30根。
试验方法，采用PME-50规格50VKN脉冲疲劳试验机试验。
负脉冲频率为250次/min
从30根模拟试验梁的结果得出，各梁疲劳破坏时初始裂纹均发生在梁焊接残余应力最大处。
焊接结构若焊缝质量高，无缺陷，则结构承受载荷时。
焊接残余应力对疲劳强度无明显影响。
如果焊缝存在缺陷，则初始裂纹会在焊接残余应力分步最大处产生，严重降低梁的使用寿命。
下面时一个试验表格。
从表格中可以看出，裂纹产生的部位。
综上所述，只有尽可能避免减少焊接缺陷，才能保证焊接质量，保证焊接结构的安全性。
表1-1SY型各梁疲劳试验实测应力值和初始裂纹循环
试验梁的编号
sY-1
sY-2
sY-3
sY-4
sY-5
循环特性（r）σmin
σmax
规定值
0.2（r平=0.186）
测定值
0.180
0.184
0.190
0.177
0.193
最大载荷Pmax
kN
130
105
90
75
130
最小载荷Pmin
kN
26
21
18
26
最大应力测定值
σmax
N/m㎡
206.7
（195.6）
164.2
（122）
132.8
（130）
118
（178.3）
最小应力测定值
σmin
N/m㎡
37.1
30.2
25.8
20.3
39
初始裂纹时的总循环次数/万次
152.4
356.7
430
303
56
疲劳破坏情况
破坏
破坏
破坏
破坏
破坏
疲劳破坏位置简图及其说明，其中的弯曲线表示裂纹
初始裂纹发生在纵向焊缝处
初始裂纹点发生在横隔板与主腹板连接焊缝的边缘
初始裂纹发生在横隔板与腹板处
裂纹源发生在横隔板与主腹板的焊缝端部
箱形梁制造时下盖板已存在裂纹，导致疲劳破坏早发生
试验梁的编号
sY-6
sY-7
sY-8
sY-9
sY-10
循环特性（r）σmin
σmax
规定值
0.5（r平=0.494）
测定值
0.496
0.491
0.496
0.499
0.487
最大载荷Pmax
kN
130
105
90
75
130
最小载荷Pmin
kN
65
52.5
45
37.5
45
最大应力测定值
σmax
N/m㎡
204.8
173.1
123
125.5
137
最小应力测定值
σmin
N/m㎡
101
86
60.3
62.8
66.7
初始裂纹时的总循环次数/万次
290
123.7
510
500
175
疲劳破坏情况
破坏
破坏
无损坏
无损坏
无损坏
疲劳破坏位置简图及其说明，其中的弯曲线表示裂纹
初始裂纹发生在跨中横隔下端纵向焊缝处至盖板
裂纹源发生在横隔板与主腹板连接的端部
无损伤
无损伤
初始裂纹跨中隔板与下盖板纵向焊缝处
升级会员 