焊接缺陷对结构强度的影响

焊接缺陷的产生过程是十分复杂的，既有冶金的原因，也受到应力和变形的作用，缺陷对焊接结构承载能力有非常显著的影响，更为重要的是应力和变形与缺陷同时存在。焊接缺陷容易出现在焊缝及其附近地区，而那些地区正是结构中拉伸残余应力最大的地方。焊接缺陷之所以会降低焊接结构的强度，其主要原因是缺陷减小了结构承载横截面的有效面积，并且在缺陷周围产生了应力集中。在一般焊接结构中，由于设计或施工不当也会出现应力集中和承载截面的变化。焊接缺陷一般包括有未焊透、未熔合、裂纹、夹渣、气孔、咬边、焊穿和焊缝成型不良等。焊接缺陷是平面的或立体的，平面类型的缺陷比立体类型的缺陷对应力增加的影响要大得多，因而也危险得多。属于前者的有裂纹、未焊透、未熔合等；属于后者的有气孔、夹渣等。


01
焊接缺陷产生应力集中的机理
材料由于传递负载截面的突然变化而出现局部应力增大，这种现象叫作应力集中，缺陷的形状不同，引起截面变化的程度不同，对负载方向所成的角度不同，都会使缺陷周围的应力集中程度大不一样。以一个椭球状的空洞缺陷为例，空洞为各向同性的无限大弹性体所包围，并作用有应力，当椭球空洞逐渐变为片状裂纹，其结果是应力集中变得十分严重。除了空洞类型的气孔、裂纹和未焊透之外，还有夹渣也是常见的焊接缺陷，当多个缺陷间的距离较小时（如密集的气孔和夹渣等），在缺陷区域内将会产生很高的应力集中，使这些地方出现缺陷间裂纹将孔间连通。在此情况下，最大的应力集中出现在两外孔的边缘处。



在焊接接头中，焊缝增高量、错边和角变形等几何不连续，有些虽然为现行规范所允许，但都会产生应力集中。此外，由于接头形式的差别也会出现不同的应力集中，在焊接结构常用的接头形式中，对接接头的应力集中程度最小，角接头、T形接头和正面搭接接头的应力集中程度相差不多。重要结构中的T形接头，如动载下工作的H形板梁，可以采用板边开坡口的方法使接头中应力集中程度大量降低，但对于搭接接头就不可能做到这一点，侧面搭接焊缝中沿整个焊缝长度上的应力分布很不均匀，而且焊缝越长，不均匀度就越严重，故一般钢结构设计规范都规定侧面搭接焊缝的计算长度不得大于60倍焊脚尺寸。因为超过此限值后即使增加侧面搭接焊缝的长度，也不可能降低焊缝两端的应力峰值。


02
焊接缺陷对结构静载非脆性破坏的影响
焊接缺陷对结构的静载破坏有不同程度的影响，在一般情况下，材料的破坏形式多属于塑性断裂，这时缺陷所引起的强度降低，大致与它所造成承载截面积的减少成比例。在一般标准中，允许焊缝中有个别的、不成串的或非密集型的气孔，假如气孔截面总量只占工作截面的5%时，气孔对屈服极限和抗拉强度极限的影响不大，当出现成串气孔总截面超过焊缝截面2%时，接头的强度极限急速降低。出现这种情况的主要原因是由于焊接时保护气氛的中断，使出现成串气孔的同时焊缝金属本身的机械性能下降。因此限制气孔量还能起到防止焊缝金属性能恶化的作用。焊缝表面或邻近表面的气孔要比深埋气孔更为危险，成串或密集气孔要比单个气孔危险得多。



夹渣或夹杂物，根据其截面积的大小成比例地降低材料的抗拉强度，但对屈服强度的影响较小。这类缺陷的尺寸和形状对强度的影响较大，单个的间断小球状夹渣或夹杂物并不比同样尺寸和形状的气孔危害大。直线排列的、细小的而且排列方向垂直于受力方向的连续夹渣是比较危险的。



几何形状造成的不连续性缺陷，如咬边、焊缝成型不良或焊穿等不仅降低了构件的有效截面积，而且会产生应力集中。当这些缺陷与结构中的高残余拉伸应力区或热影响区中粗大脆化晶粒区相重迭时，往往会引发脆性不稳定扩展裂纹。



未熔合和未焊透比气孔和夹渣更为有害。当焊缝有增高量或用优于母材的焊条制成焊接接头时，未熔合和未焊透的影响可能并不十分明显。事实上许多使用中的焊接结构已经工作多年，埋藏在焊缝内部的未熔合和未焊透并没有造成严重事故。但是这类缺陷在一定条件下可能成为脆性断裂的引发点。



裂纹被认为是最危险的焊接缺陷，一般标准中都不允许它存在。由于尖锐裂纹容易产生尖端缺口效应、出现三向应力状态和温度降低等情况，裂纹可能失稳和扩展，造成结构的断裂。裂纹一般是在拉伸应力场和不良的热影响区显微组织段中产生的，在静载非脆性破坏条件下，如果塑性流动发生于裂纹失稳扩展之前，则结构中的残余拉伸应力将没有什么有害影响，而且也不会产生脆性断裂。除非裂纹尖端处材料性能急剧恶化，附近区域的显微组织不良，有较高的残余拉伸应力，而且在工作温度低于临界温度等不利条件综合作用外，一般情况下即使材料中出现了裂纹，当它们离开拉伸应力场或恶化了的显微组织区之后，也常常会被制止住。


03
焊接缺陷对结构脆性破坏的影响
焊接结构经常会在有缺陷处或结构不连续处引发脆性断裂，造成灾难性的破坏。一般认为，结构中缺陷造成的应力集中越严重，脆性断裂的危险越大。由于裂纹尖端的尖锐度比未焊透、未熔合、咬边和气孔等缺陷要尖锐得多，所以裂纹危害最大。气孔和夹渣等体积类缺陷的存在量低于5%时，如果结构的工作温度不低于材料的塑性—脆性转变温度，它们对结构的安全是无害的。带裂纹的构件的临界温度要比含夹渣构件高得多。除用转变温度来衡量各种缺陷对脆性断裂的影响之外，许多重要焊接结构都采用断裂力学作为评价的依据，因为用断裂力学可以确定断裂应力和裂纹尺寸与断裂韧度之间的关系。许多焊接结构的脆性断裂都是由微小的裂纹引发的，在一般情况下，由于小裂纹并未达到临界尺寸，结构不会在运行后立即发生断裂。但是小的焊接缺陷和不连续很可能在使用期间出现稳定增长，最后达到临界值，而发生脆性断裂。所以在结构使用期间进行定期检查，及时发现和监测接近临界条件的缺陷，是防止焊接结构脆性断裂最有效的措施。当焊接结构承受冲击或局部发生高应变和恶劣环境因素，都容易使焊接缺陷引发脆性断裂，例如疲劳载荷和腐蚀环境都能使裂纹等缺陷变得更尖锐，使裂纹的尺寸逐渐增大，加速其达到临界值。


04
结束语
了解和掌握各种焊接缺陷对结构强度的影响对于我们正确把握焊接结构的安全性是十分必要的，也使我们明确了哪些焊接缺陷可能对焊接结构带来灾难性的后果，哪些焊接缺陷的存在是不会对焊接结构使用强度带来大的影响，这对于我们焊接质量检验标准的确定也提供了很好的参考。

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