焊接缺陷的產(chǎn)生過程是十分復(fù)雜的，既有冶金的原因，也受到應(yīng)力和變形的作用，缺陷對(duì)焊接結(jié)構(gòu)承載能力有非常顯著的影響，更為重要的是應(yīng)力和變形與缺陷同時(shí)存在。焊接缺陷容易出現(xiàn)在焊縫及其附近地區(qū)，而那些地區(qū)正是結(jié)構(gòu)中拉伸殘余應(yīng)力最大的地方。焊接缺陷之所以會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，其主要原因是缺陷減小了結(jié)構(gòu)承載橫截面的有效面積，并且在缺陷周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中。在一般焊接結(jié)構(gòu)中，由于設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中和承載截面的變化。焊接缺陷一般包括有未焊透、未熔合、裂紋、夾渣、氣孔、咬邊、焊穿和焊縫成型不良等。焊接缺陷是平面的或立體的，平面類型的缺陷比立體類型的缺陷對(duì)應(yīng)力增加的影響要大得多，因而也危險(xiǎn)得多。屬于前者的有裂紋、未焊透、未熔合等；屬于后者的有氣孔、夾渣等。
01
焊接缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中的機(jī)理
材料由于傳遞負(fù)載截面的突然變化而出現(xiàn)局部應(yīng)力增大，這種現(xiàn)象叫作應(yīng)力集中，缺陷的形狀不同，引起截面變化的程度不同，對(duì)負(fù)載方向所成的角度不同，都會(huì)使缺陷周圍的應(yīng)力集中程度大不一樣。以一個(gè)橢球狀的空洞缺陷為例，空洞為各向同性的無限大彈性體所包圍，并作用有應(yīng)力，當(dāng)橢球空洞逐漸變?yōu)槠瑺盍鸭y，其結(jié)果是應(yīng)力集中變得十分嚴(yán)重。除了空洞類型的氣孔、裂紋和未焊透之外，還有夾渣也是常見的焊接缺陷，當(dāng)多個(gè)缺陷間的距離較小時(shí)（如密集的氣孔和夾渣等），在缺陷區(qū)域內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，使這些地方出現(xiàn)缺陷間裂紋將孔間連通。在此情況下，最大的應(yīng)力集中出現(xiàn)在兩外孔的邊緣處。
在焊接接頭中，焊縫增高量、錯(cuò)邊和角變形等幾何不連續(xù)，有些雖然為現(xiàn)行規(guī)范所允許，但都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外，由于接頭形式的差別也會(huì)出現(xiàn)不同的應(yīng)力集中，在焊接結(jié)構(gòu)常用的接頭形式中，對(duì)接接頭的應(yīng)力集中程度最小，角接頭、T形接頭和正面搭接接頭的應(yīng)力集中程度相差不多。重要結(jié)構(gòu)中的T形接頭，如動(dòng)載下工作的H形板梁，可以采用板邊開坡口的方法使接頭中應(yīng)力集中程度大量降低，但對(duì)于搭接接頭就不可能做到這一點(diǎn)，側(cè)面搭接焊縫中沿整個(gè)焊縫長(zhǎng)度上的應(yīng)力分布很不均勻，而且焊縫越長(zhǎng)，不均勻度就越嚴(yán)重，故一般鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范都規(guī)定側(cè)面搭接焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度不得大于60倍焊腳尺寸。因?yàn)槌^此限值后即使增加側(cè)面搭接焊縫的長(zhǎng)度，也不可能降低焊縫兩端的應(yīng)力峰值。
02
焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)靜載非脆性破壞的影響
焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的靜載破壞有不同程度的影響，在一般情況下，材料的破壞形式多屬于塑性斷裂，這時(shí)缺陷所引起的強(qiáng)度降低，大致與它所造成承載截面積的減少成比例。在一般標(biāo)準(zhǔn)中，允許焊縫中有個(gè)別的、不成串的或非密集型的氣孔，假如氣孔截面總量只占工作截面的5%時(shí)，氣孔對(duì)屈服極限和抗拉強(qiáng)度極限的影響不大，當(dāng)出現(xiàn)成串氣孔總截面超過焊縫截面2%時(shí)，接頭的強(qiáng)度極限急速降低。出現(xiàn)這種情況的主要原因是由于焊接時(shí)保護(hù)氣氛的中斷，使出現(xiàn)成串氣孔的同時(shí)焊縫金屬本身的機(jī)械性能下降。因此限制氣孔量還能起到防止焊縫金屬性能惡化的作用。焊縫表面或鄰近表面的氣孔要比深埋氣孔更為危險(xiǎn)，成串或密集氣孔要比單個(gè)氣孔危險(xiǎn)得多。
夾渣或夾雜物，根據(jù)其截面積的大小成比例地降低材料的抗拉強(qiáng)度，但對(duì)屈服強(qiáng)度的影響較小。這類缺陷的尺寸和形狀對(duì)強(qiáng)度的影響較大，單個(gè)的間斷小球狀?yuàn)A渣或夾雜物并不比同樣尺寸和形狀的氣孔危害大。直線排列的、細(xì)小的而且排列方向垂直于受力方向的連續(xù)夾渣是比較危險(xiǎn)的。
幾何形狀造成的不連續(xù)性缺陷，如咬邊、焊縫成型不良或焊穿等不僅降低了構(gòu)件的有效截面積，而且會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)這些缺陷與結(jié)構(gòu)中的高殘余拉伸應(yīng)力區(qū)或熱影響區(qū)中粗大脆化晶粒區(qū)相重迭時(shí)，往往會(huì)引發(fā)脆性不穩(wěn)定擴(kuò)展裂紋。
未熔合和未焊透比氣孔和夾渣更為有害。當(dāng)焊縫有增高量或用優(yōu)于母材的焊條制成焊接接頭時(shí)，未熔合和未焊透的影響可能并不十分明顯。事實(shí)上許多使用中的焊接結(jié)構(gòu)已經(jīng)工作多年，埋藏在焊縫內(nèi)部的未熔合和未焊透并沒有造成嚴(yán)重事故。但是這類缺陷在一定條件下可能成為脆性斷裂的引發(fā)點(diǎn)。
裂紋被認(rèn)為是最危險(xiǎn)的焊接缺陷，一般標(biāo)準(zhǔn)中都不允許它存在。由于尖銳裂紋容易產(chǎn)生尖端缺口效應(yīng)、出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)和溫度降低等情況，裂紋可能失穩(wěn)和擴(kuò)展，造成結(jié)構(gòu)的斷裂。裂紋一般是在拉伸應(yīng)力場(chǎng)和不良的熱影響區(qū)顯微組織段中產(chǎn)生的，在靜載非脆性破壞條件下，如果塑性流動(dòng)發(fā)生于裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展之前，則結(jié)構(gòu)中的殘余拉伸應(yīng)力將沒有什么有害影響，而且也不會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂。除非裂紋尖端處材料性能急劇惡化，附近區(qū)域的顯微組織不良，有較高的殘余拉伸應(yīng)力，而且在工作溫度低于臨界溫度等不利條件綜合作用外，一般情況下即使材料中出現(xiàn)了裂紋，當(dāng)它們離開拉伸應(yīng)力場(chǎng)或惡化了的顯微組織區(qū)之后，也常常會(huì)被制止住。
03
焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)脆性破壞的影響
焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)在有缺陷處或結(jié)構(gòu)不連續(xù)處引發(fā)脆性斷裂，造成災(zāi)難性的破壞。一般認(rèn)為，結(jié)構(gòu)中缺陷造成的應(yīng)力集中越嚴(yán)重，脆性斷裂的危險(xiǎn)越大。由于裂紋尖端的尖銳度比未焊透、未熔合、咬邊和氣孔等缺陷要尖銳得多，所以裂紋危害最大。氣孔和夾渣等體積類缺陷的存在量低于5%時(shí)，如果結(jié)構(gòu)的工作溫度不低于材料的塑性—脆性轉(zhuǎn)變溫度，它們對(duì)結(jié)構(gòu)的安全是無害的。帶裂紋的構(gòu)件的臨界溫度要比含夾渣構(gòu)件高得多。除用轉(zhuǎn)變溫度來衡量各種缺陷對(duì)脆性斷裂的影響之外，許多重要焊接結(jié)構(gòu)都采用斷裂力學(xué)作為評(píng)價(jià)的依據(jù)，因?yàn)橛脭嗔蚜W(xué)可以確定斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸與斷裂韌度之間的關(guān)系。許多焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂都是由微小的裂紋引發(fā)的，在一般情況下，由于小裂紋并未達(dá)到臨界尺寸，結(jié)構(gòu)不會(huì)在運(yùn)行后立即發(fā)生斷裂。但是小的焊接缺陷和不連續(xù)很可能在使用期間出現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)，最后達(dá)到臨界值，而發(fā)生脆性斷裂。所以在結(jié)構(gòu)使用期間進(jìn)行定期檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)接近臨界條件的缺陷，是防止焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂最有效的措施。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)承受沖擊或局部發(fā)生高應(yīng)變和惡劣環(huán)境因素，都容易使焊接缺陷引發(fā)脆性斷裂，例如疲勞載荷和腐蝕環(huán)境都能使裂紋等缺陷變得更尖銳，使裂紋的尺寸逐漸增大，加速其達(dá)到臨界值。
04
結(jié)束語
了解和掌握各種焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響對(duì)于我們正確把握焊接結(jié)構(gòu)的安全性是十分必要的，也使我們明確了哪些焊接缺陷可能對(duì)焊接結(jié)構(gòu)帶來災(zāi)難性的后果，哪些焊接缺陷的存在是不會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)使用強(qiáng)度帶來大的影響，這對(duì)于我們焊接質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的確定也提供了很好的參考。
01
焊接缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中的機(jī)理
材料由于傳遞負(fù)載截面的突然變化而出現(xiàn)局部應(yīng)力增大，這種現(xiàn)象叫作應(yīng)力集中，缺陷的形狀不同，引起截面變化的程度不同，對(duì)負(fù)載方向所成的角度不同，都會(huì)使缺陷周圍的應(yīng)力集中程度大不一樣。以一個(gè)橢球狀的空洞缺陷為例，空洞為各向同性的無限大彈性體所包圍，并作用有應(yīng)力，當(dāng)橢球空洞逐漸變?yōu)槠瑺盍鸭y，其結(jié)果是應(yīng)力集中變得十分嚴(yán)重。除了空洞類型的氣孔、裂紋和未焊透之外，還有夾渣也是常見的焊接缺陷，當(dāng)多個(gè)缺陷間的距離較小時(shí)（如密集的氣孔和夾渣等），在缺陷區(qū)域內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，使這些地方出現(xiàn)缺陷間裂紋將孔間連通。在此情況下，最大的應(yīng)力集中出現(xiàn)在兩外孔的邊緣處。
在焊接接頭中，焊縫增高量、錯(cuò)邊和角變形等幾何不連續(xù)，有些雖然為現(xiàn)行規(guī)范所允許，但都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外，由于接頭形式的差別也會(huì)出現(xiàn)不同的應(yīng)力集中，在焊接結(jié)構(gòu)常用的接頭形式中，對(duì)接接頭的應(yīng)力集中程度最小，角接頭、T形接頭和正面搭接接頭的應(yīng)力集中程度相差不多。重要結(jié)構(gòu)中的T形接頭，如動(dòng)載下工作的H形板梁，可以采用板邊開坡口的方法使接頭中應(yīng)力集中程度大量降低，但對(duì)于搭接接頭就不可能做到這一點(diǎn)，側(cè)面搭接焊縫中沿整個(gè)焊縫長(zhǎng)度上的應(yīng)力分布很不均勻，而且焊縫越長(zhǎng)，不均勻度就越嚴(yán)重，故一般鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范都規(guī)定側(cè)面搭接焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度不得大于60倍焊腳尺寸。因?yàn)槌^此限值后即使增加側(cè)面搭接焊縫的長(zhǎng)度，也不可能降低焊縫兩端的應(yīng)力峰值。
02
焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)靜載非脆性破壞的影響
焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的靜載破壞有不同程度的影響，在一般情況下，材料的破壞形式多屬于塑性斷裂，這時(shí)缺陷所引起的強(qiáng)度降低，大致與它所造成承載截面積的減少成比例。在一般標(biāo)準(zhǔn)中，允許焊縫中有個(gè)別的、不成串的或非密集型的氣孔，假如氣孔截面總量只占工作截面的5%時(shí)，氣孔對(duì)屈服極限和抗拉強(qiáng)度極限的影響不大，當(dāng)出現(xiàn)成串氣孔總截面超過焊縫截面2%時(shí)，接頭的強(qiáng)度極限急速降低。出現(xiàn)這種情況的主要原因是由于焊接時(shí)保護(hù)氣氛的中斷，使出現(xiàn)成串氣孔的同時(shí)焊縫金屬本身的機(jī)械性能下降。因此限制氣孔量還能起到防止焊縫金屬性能惡化的作用。焊縫表面或鄰近表面的氣孔要比深埋氣孔更為危險(xiǎn)，成串或密集氣孔要比單個(gè)氣孔危險(xiǎn)得多。
夾渣或夾雜物，根據(jù)其截面積的大小成比例地降低材料的抗拉強(qiáng)度，但對(duì)屈服強(qiáng)度的影響較小。這類缺陷的尺寸和形狀對(duì)強(qiáng)度的影響較大，單個(gè)的間斷小球狀?yuàn)A渣或夾雜物并不比同樣尺寸和形狀的氣孔危害大。直線排列的、細(xì)小的而且排列方向垂直于受力方向的連續(xù)夾渣是比較危險(xiǎn)的。
幾何形狀造成的不連續(xù)性缺陷，如咬邊、焊縫成型不良或焊穿等不僅降低了構(gòu)件的有效截面積，而且會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)這些缺陷與結(jié)構(gòu)中的高殘余拉伸應(yīng)力區(qū)或熱影響區(qū)中粗大脆化晶粒區(qū)相重迭時(shí)，往往會(huì)引發(fā)脆性不穩(wěn)定擴(kuò)展裂紋。
未熔合和未焊透比氣孔和夾渣更為有害。當(dāng)焊縫有增高量或用優(yōu)于母材的焊條制成焊接接頭時(shí)，未熔合和未焊透的影響可能并不十分明顯。事實(shí)上許多使用中的焊接結(jié)構(gòu)已經(jīng)工作多年，埋藏在焊縫內(nèi)部的未熔合和未焊透并沒有造成嚴(yán)重事故。但是這類缺陷在一定條件下可能成為脆性斷裂的引發(fā)點(diǎn)。
裂紋被認(rèn)為是最危險(xiǎn)的焊接缺陷，一般標(biāo)準(zhǔn)中都不允許它存在。由于尖銳裂紋容易產(chǎn)生尖端缺口效應(yīng)、出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)和溫度降低等情況，裂紋可能失穩(wěn)和擴(kuò)展，造成結(jié)構(gòu)的斷裂。裂紋一般是在拉伸應(yīng)力場(chǎng)和不良的熱影響區(qū)顯微組織段中產(chǎn)生的，在靜載非脆性破壞條件下，如果塑性流動(dòng)發(fā)生于裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展之前，則結(jié)構(gòu)中的殘余拉伸應(yīng)力將沒有什么有害影響，而且也不會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂。除非裂紋尖端處材料性能急劇惡化，附近區(qū)域的顯微組織不良，有較高的殘余拉伸應(yīng)力，而且在工作溫度低于臨界溫度等不利條件綜合作用外，一般情況下即使材料中出現(xiàn)了裂紋，當(dāng)它們離開拉伸應(yīng)力場(chǎng)或惡化了的顯微組織區(qū)之后，也常常會(huì)被制止住。
03
焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)脆性破壞的影響
焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)在有缺陷處或結(jié)構(gòu)不連續(xù)處引發(fā)脆性斷裂，造成災(zāi)難性的破壞。一般認(rèn)為，結(jié)構(gòu)中缺陷造成的應(yīng)力集中越嚴(yán)重，脆性斷裂的危險(xiǎn)越大。由于裂紋尖端的尖銳度比未焊透、未熔合、咬邊和氣孔等缺陷要尖銳得多，所以裂紋危害最大。氣孔和夾渣等體積類缺陷的存在量低于5%時(shí)，如果結(jié)構(gòu)的工作溫度不低于材料的塑性—脆性轉(zhuǎn)變溫度，它們對(duì)結(jié)構(gòu)的安全是無害的。帶裂紋的構(gòu)件的臨界溫度要比含夾渣構(gòu)件高得多。除用轉(zhuǎn)變溫度來衡量各種缺陷對(duì)脆性斷裂的影響之外，許多重要焊接結(jié)構(gòu)都采用斷裂力學(xué)作為評(píng)價(jià)的依據(jù)，因?yàn)橛脭嗔蚜W(xué)可以確定斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸與斷裂韌度之間的關(guān)系。許多焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂都是由微小的裂紋引發(fā)的，在一般情況下，由于小裂紋并未達(dá)到臨界尺寸，結(jié)構(gòu)不會(huì)在運(yùn)行后立即發(fā)生斷裂。但是小的焊接缺陷和不連續(xù)很可能在使用期間出現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)，最后達(dá)到臨界值，而發(fā)生脆性斷裂。所以在結(jié)構(gòu)使用期間進(jìn)行定期檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)接近臨界條件的缺陷，是防止焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂最有效的措施。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)承受沖擊或局部發(fā)生高應(yīng)變和惡劣環(huán)境因素，都容易使焊接缺陷引發(fā)脆性斷裂，例如疲勞載荷和腐蝕環(huán)境都能使裂紋等缺陷變得更尖銳，使裂紋的尺寸逐漸增大，加速其達(dá)到臨界值。
04
結(jié)束語
了解和掌握各種焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響對(duì)于我們正確把握焊接結(jié)構(gòu)的安全性是十分必要的，也使我們明確了哪些焊接缺陷可能對(duì)焊接結(jié)構(gòu)帶來災(zāi)難性的后果，哪些焊接缺陷的存在是不會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)使用強(qiáng)度帶來大的影響，這對(duì)于我們焊接質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的確定也提供了很好的參考。
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