焊接结构的失效形式和预防措施.docx

一般来说，焊接失效就是焊接接头由于各种因素，在一定条件下断裂，如应力、温度、材质、焊接质量和实际使用工况条件等。接头一旦失效，就会使相互紧密联系成一体的构件局部分离、撕裂并扩展，造成焊接结构损坏，致使设备停机，影响正常生产。焊接失效的基本条件：一是焊接结构设计不合理，如在局部或整体焊缝的布置与设计上存在问题；二是材料本身的缺陷，如板材化学成分偏析，铸钢件的组织存在缩松、气孔、裂纹等；三是焊接工艺的应用不合理，如焊接材料的选择、焊接方法的制定；四是构件所处的工作环境、工况条件差（如受到交变及冲击载荷），引起结构材料疲劳破坏。那么焊接结构的失效形式有哪些呢？1.脆性失效脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效，通过脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失。脆性断裂在工程结构中是一种非常危险的破坏形式，其特点是裂纹扩展迅速，能量消耗远小于韧性断裂。而且很少发现可见的塑性变形，断裂之前没有明显的征兆，而是突然发生。脆性断裂断口表面发亮，呈颗粒状，属于平直类型，是在平面应变状态下发生的。同时，脆性断裂是在低应力条件下发生的，因而这种断裂往往带来恶性事故和巨大损失。脆性断裂断口在宏观上有小刻面和放射状或人字花样两种形式，脆性断口穿晶结晶面为解理面，在宏观上呈无规则取向。将脆性断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征。可以根据人字花样的取向，很容易地判断裂纹扩展方向及裂纹源的位置。另外，放射状花样的收敛处为裂纹源，其放射方向均为裂纹的扩展方向。2.塑性失效塑性断裂的特点是金属断裂时伴随有明显的塑性变形并消耗大量能量。由于塑性断裂是在大量塑性变形后发生的，结构断裂后在受力方向上会留下较大的残余变形，在断口附近有肉眼可见的挠曲、变粗、缩颈等。塑性变形常使容器直径增加和壁厚减薄。在大多数材料中，拉伸塑性断口呈灰色纤维状，宏观上分为平直面和剪切面。3.疲劳失效零件或试样在整个疲劳失效过程中，不发生肉眼可见的宏观塑性变形。在多数情况下疲劳断裂是突然发生的，因而这种断裂方式给焊件失效前的预报和预防工作带来一定的困难。疲劳断裂还具有区别于其他任何性质的断口形貌。一个典型的疲劳断口往往由裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成。这种独特的形貌是区别于其他断裂形式的极为重要的凭证。疲劳断裂断口宏观上分为裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区。裂纹源区出现于焊件表面的疲劳裂纹，由于这一阶段扩展速率较慢通常需要经过多次循环才能形成，所以源区的断口形貌多数情况下较平坦、光亮且呈半圆形，与包围它的扩展区之间有明显的界线，很容易识别。4.应力腐蚀失效应力腐蚀断裂是一种远低于金属屈服点的拉应力与化学侵蚀共同作用的破坏过程。纯金属对该类破坏的敏感性比不纯的金属低的多，而纯二元合金对该类破坏一般都是很敏感的。裂纹常常产生大量的分叉，并在大致垂直于影响它们产生和扩展的拉应力方向连续扩展。在这种情况下，细小的裂纹会深深地扩展进焊件之中。而表面又呈现出模糊不清的腐蚀迹象。因而，不可能有即将断裂的宏观标志，具有更大的危害性。在应力腐蚀断口上通常可以辨认出裂纹源、裂纹慢速扩展区和最终快速断裂区。断裂源常发生在金属材料的表面，由于化学作用，往往在裂纹源处形成腐蚀坑。一般情况下，应力腐蚀裂纹是多源的。这些裂纹在扩展过程中发生合并，形成台阶或放射状条纹等形貌。裂纹扩展部分具有明显的放射条纹，其汇聚处为裂纹源。在工艺的制定上如何才能防止焊接失效的发生，是分析解决问题的关键，这就需要从以下几个方面综合考虑：（1）根据结构的设计和使用要求（ 如承受静、动载荷，交变载荷、冲击载荷等），正确选取材料。材料的选择不仅是工艺技术问题，同样也是一个经济效益问题。选用过高的材质经济上不合理，而选用材质过低，则会降低使用寿命，增加了焊接失效的隐患。在煤矿机械制造业，常用钢材一般为Q345(16Mn） 和近几年才发展应用起来的高强板（WH、QJ）等系列和（NM） 系列的耐磨板。为保证焊接性能，上述钢材中Ceg均应0.45%, S、P 含量（ 质量分数）不能高于0.04%。（2）钢材从进货到投入生产使用，都要进行严格的进厂检验，以保证化学成分和力学性能指标符合国家标准规定。另外，新品种钢材的采购，要先进行小批量试验和焊接工艺性能试验，以确定其工艺性能和焊接性好坏，做出试验结论，才能决定是否大批量投入使用。材质检验分宏观和微观两种：宏观检查是用肉眼或放大镜进行外观检查；微观检查主要采用无损探伤、金相切片低倍组织检验等手段，目的是提前发现材料有无裂纹、夹层、撕裂等缺陷。对于铸钢件，要严格检验其随炉试棒的各项化学成分及力学性能，以确定是否符合材料性能要求。（3）在结构设计时，要尽量减少过大的刚度及应力集中现象出现，如在设计时防止焊缝分布过分密集，尽量消除有可能产生应力集中的部位；对部件连接部位，要尽量避开结构上应力最大处，有利于控制焊后变形，提高构件强度。在一般情况下，人们认为受力大的构件，为了牢固，焊脚尺寸越大则强度越高，其实这是一种误解，正确的原则是在满足焊缝金属强度的基本要求下，应尽量减少填充金属的用量，这与结构件设计和焊接工艺设计人员对结构的受力计算，选用焊接方法和形式有着密切的关系，这是保证获得优良焊接接头的先决条件。（4）正确选择焊接规范，是保证焊接质量和生产率的关键。在焊接生产中，配备相应的焊接辅助装置，如定位夹紧装置、翻转胎、焊接变位器等，利用胎具可保证组装点对精度的要求，方便地得到恰当的焊接位置，有利于大批量组织生产。加强对焊工的培训，焊工技术水平高低将直接影响到焊缝的质量。制定焊接工艺要充分考虑原材料（母材）、设备、焊接材料（ 填充材料），以及工人的技术水平、生产量大小、环境温度等各种因素，选择合理焊接工艺。