焊接结构脆性断裂的防止方法
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48焊接质量控制与管理焊接技术第42卷第7期20t3年7月文章编号:1002-025X(2013)07-0048—03钢结构焊接接头断裂破坏的影响因素及控制措施赵芳(河北建筑工程学院,河北张家口075000)摘要:断裂破坏是钢结构失效的主要形式之一,其中脆性断裂是危害最大、后果最严重的破坏,而焊接辏要是钢结构中最薄弱区,因此控制焊接接头脆断是钢结构制造时的关键技术。
本文主要阐述脆性断裂破坏的影响因素,并针对其影响因素提出了钢结构焊接接头脆断的控制措施。
关建词:钢结构;焊接接头;断裂破坏中图分类号:T G421l文献标志码:B0序言由于钢结构具有强度高、质量轻、材质均匀、气密性好、制造运输方便、塑韧性好、抗冲击抗震动能力强等优点。
因而广泛应用于建筑、桥梁、车辆、电力、机械、石油化工、航空航天、海洋工程等工业部门。
焊接技术作为一种先进制造技术,是实现钢结构精确、可靠、低成本和高效连接的关键。
同时由于焊接接头化学成分、组织和性能不均匀性及易产生焊接缺陷的特点,使得焊接钢结构在制造和使用过程中都带有一定的风险,其中焊接接头断裂破坏是危害最大、后果最严重的。
甚至是灾难性的。
从事钢结构设计、生产的工程技术人员应对风险有足够的认识,掌握风险的分析和控制方法,提高应对风险的能力。
本文主要阐述焊接接头断裂破收稹日期:2012一11—06坏的影响因素及其控制措施。
1断裂的概念和种类断裂是在外力作用下材料发生分离的过程,是材料失效的主要形式之一。
按断裂前塑性变形的大小,分为脆性断裂和延性断裂2种。
1.1脆性断裂脆性断裂前没有或只有少量塑性变形,吸收的能量也较少。
1.1.1脆性断裂的过程由于材料或焊接接头的微小缺陷或裂纹处存在应力集中,在较低的工作应力作用下。
从裂纹的尖端开始扩展.直至迅速断裂。
1.1,2脆性断裂的主要特征(1)断口表面平齐光亮,表面有许多放射状或人字状条纹.这些条纹汇聚于裂纹源。
如图1所不。
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以下为焊接裂纹产生原因及防治措施,一起来看看吧。
1、焊接裂纹的现象在焊缝或近缝区,由于焊接的影响,材料的原子结合遭到破坏,形成新的界面而产生的缝隙称为焊接裂缝,它具有缺口尖锐和长宽比大的特征。
按产生时的温度和时间的不同,裂纹可分为:热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹和层状撕裂。
在焊接生产中,裂纹产生的部位有很多。
有的裂纹出现在焊缝表面,肉眼就能观察到;有的隐藏在焊缝内部,通过探伤检查才能发现;有的产生在焊缝上;有的则产生在热影响区内。
值得注意的是,裂纹有时在焊接过程中产生,有时在焊件焊后放置或运行一段时间之后才出现,后一种称为延迟裂纹,这种裂纹的危害性更为严重。
2、焊接裂纹的危害焊接裂缝是一种危害大的缺陷,除了降低焊接接头的承载能力,还因裂缝末端的尖锐缺口将引起严重的应力集中,促使裂缝扩展,最终会导致焊接结构的破坏,使产品报废,甚至会引起严重的事故。
通常,在焊接接头中,裂缝是一种不允许存在的缺陷。
一旦发现即应彻底清除,进行返修焊接。
3、焊接裂纹的产生原因及防治措施由于不同裂缝的产生原因和形成机理不同,下面就热裂缝、冷裂缝和再热裂缝三类分别予以讨论。
3.1、热裂纹热裂缝一般是指高温下(从凝固温度范围附近至铁碳平衡图上的A3线以上温度)所产生的裂纹,又称高温裂缝或结晶裂缝。
热裂缝通常在焊缝内产生,有时也可能出现在热影响区。
原因:由于焊接熔池在结晶过程中存在着偏析现象,低熔点共晶和杂质在结晶过程中以液态间层存在形成偏析,凝固以后强度也较低,当焊接应力足够大时,就会将液态间层或刚凝固不久的固态金属拉开形成裂缝。
此外,如果母材的晶界上也存在有低熔点共晶和杂质,则在加热温度超过其熔点的热影响区,这些低熔点化合物将熔化而形成液态间层,当焊接拉应力足够大时,也会被拉开而形成热影响区液化裂缝。
总之,热裂缝的产生是冶金因素和力学因素综合作用的结果。
防治措施:防止产生热裂缝的措施,可以从冶金因素和力学因素两个方面入手。
控制母材及焊材有害元素、杂质含量限制母材及焊接材料(包括焊条、焊丝、焊剂和保护气体)中易偏析元素及有害杂质的含量。
焊接结构的脆性断裂及预防措施一、脆性断裂的原因焊接结构之所以发生脆性断裂,是因为焊缝接头处几何的不连续性形成或多或少的焊接缺陷,从而引起应力集中,形成断裂源。
另外,还由于焊接接头处的力学性质的不均匀,使附近热影响区材料性质变脆,以及焊缝接头处总是不可避免地要产生焊接变形及焊接残余应力。
所有这些都可能成为焊接结构破坏的直接原因或间接原因。
特别是一些直接承受动载荷的焊接结构,或是处于低温工作环境时,焊接结构更易发生脆性断裂。
二、脆性断裂的特征脆性断裂在工程结构上是一种非常危险的破坏。
其特点是裂纹扩展迅速,能量的消耗远小于韧性断裂,以低应力破坏为重要特征。
它是靠结构内部蓄积的弹性能的释放而自动传播导致破坏的,因而很少发现可见的塑性变形,断裂之前没有明显的预兆,而是突然发生的,所以说这种断裂往往会造成巨大的损失。
一般来说,金属脆性断裂时,无论是具有解理形断口,还是呈光泽的结晶状外观断口,都与板面大体垂直,而且板厚方向上的变形很小,在表面上附有一层剪切壁,呈无光泽灰色纤维状的剪断形,材料越脆,断裂的剪切壁越薄,断口上花样的尖端总是指向启裂点的方向,形成山形花样,追踪这个花样可以找到启裂点。
三、焊接结构防止脆性断裂的设计原则脆性断裂往往是瞬间完成的,其原因是构件中存在着焊接或冶金缺陷。
首先产生一小的裂纹,而后该裂纹以极快的速度扩展,部分或全部贯穿于结构中,造成脆性失效。
因此.防止焊接结构脆性破坏事故有效的设计方法是要使焊接结构最薄弱的部位具有抵抗脆性裂纹产生的能力。
同时,如果这些部位产生了脆性小裂纹时,其周围母材有将其迅速止住的能力。
在上述设计方法中,一般主要着眼点放在焊缝接头的抗脆性裂纹产生的能力上,以此作为设计的依据。
对于中低强度钢来说,由于残余应力的作用,焊缝接头处一旦产生脆性裂纹,通常向母材方向扩展,因此需要母材有一定的止裂性能。
这时,对于防止结构的脆性断裂是有意义的。
而对于高强度钢来说,裂纹的产生和扩展主要发生在焊缝中,这是因为由于母材强度的提高,接头中更易出现焊接缺陷,产生裂纹。
二、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施一、焊接钢结构的脆性断裂1、影响焊接钢结构脆断的因素:(1)、化学成分1.碳(C)碳是形成钢材强度的主要成分。
钢的强度来自渗碳体与珠光体。
碳含量提高,则钢材强度提高,但同时钢材的塑性、韧性,冷弯性能,可焊性及抗锈蚀能力下降。
因此不能用含碳量高的钢材,以便保持其他的优良性能。
2.锰(Mn)锰是有益元素,它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。
锰还能消除硫对钢的热脆影响。
锰可使钢材的可焊性降低,故含量有限制。
3.硅(Si)硅能使钢材的粒度变细,控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。
4.钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。
我国的低合金钢都含有这三种元素,作为锰以外的合金元素,既可提高钢材强度,又保持良好的塑性,韧性。
5.铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)低合金钢的C、D及E级都规定铝含量不低于0.015%,以保证必要的低温韧性。
6.硫(S)当热加工及焊接使温度达800~1000℃时,可能出现裂纹,称为热脆。
硫还能降低钢的冲击韧性,同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。
7.磷(P)磷在低温下使钢变脆,这种现象称为冷脆。
在高温寸磷也能使钢减少塑性。
但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。
8.氧(O)、氮(N)氧能使钢热脆,其作用比硫剧烈,氮能使钢冷脆,与磷相似。
(2)、内部组织(3)、板材厚度及多向应力当板厚较大时将会引起比较明显的三向应力,此时就不能忽略Z方向的应力σz。
由力学知识知道,三向同号应力且各应力数值接近时,材料不易屈服。
当为数值相等三向拉应力时,直到材料断裂也不屈服。
没有塑性变形的断裂是脆性断裂。
所以,三向应力的应力状态,使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束,材料容易脆性破坏。
因此,对于厚钢材应该要求更高的韧性。
(4)、环境温度钢材对温度相当敏感,温度升高与降低都使钢材性能发生变化。
相比之下,低温性能更重要。
69. 工程设计中如何应对材料的脆性断裂?69、工程设计中如何应对材料的脆性断裂?在工程设计领域,材料的脆性断裂是一个不容忽视的问题。
脆性断裂往往具有突然性和灾难性,可能导致严重的人员伤亡和财产损失。
因此,了解如何在工程设计中有效应对材料的脆性断裂至关重要。
首先,我们需要深入理解材料脆性断裂的本质。
脆性断裂是指材料在几乎没有明显塑性变形的情况下发生的断裂。
这种断裂通常发生得非常迅速,没有预警,而且断裂面往往比较平整。
造成材料脆性断裂的原因多种多样,其中包括材料的内部缺陷、微观结构不均匀、低温环境、高加载速率以及应力集中等。
在工程设计中,材料的选择是预防脆性断裂的第一步。
对于那些容易在低温或高应力环境下工作的部件,应优先选择具有良好韧性和抗脆断性能的材料。
例如,在低温环境下,使用具有低温韧性的钢材,如经过特殊处理的合金钢或低温用钢。
同时,要对所选材料进行严格的质量检测,确保其内部没有缺陷和不均匀的微观结构。
设计合理的结构也是防止脆性断裂的关键。
在设计过程中,应尽量避免出现尖锐的拐角和突然的截面变化,因为这些部位容易产生应力集中。
通过采用圆滑的过渡和均匀的截面变化,可以有效地降低应力集中的程度,从而减少脆性断裂的风险。
此外,合理的结构设计还包括避免过度的约束和过大的装配应力。
如果结构中的某些部件受到过度的约束,在受力时就容易产生过大的应力,增加脆性断裂的可能性。
在计算应力和应变时,必须采用精确的分析方法。
传统的力学分析方法可能无法准确地预测复杂结构在实际工作条件下的应力分布和应变情况。
因此,有限元分析等先进的数值模拟技术被广泛应用于工程设计中。
通过这些技术,可以更准确地评估结构中的应力集中区域,并采取相应的措施来减轻应力。
在实际应用中,焊接是一个常见的连接方式,但焊接部位往往是脆性断裂的高发区域。
这是因为焊接过程中可能会产生焊接缺陷、残余应力以及微观结构的变化。
为了减少焊接带来的脆性断裂风险,需要采用合适的焊接工艺和焊接材料,并对焊接接头进行严格的质量检测和无损探伤。
焊接冷裂纹产生原因及防止措施【摘要】本文主要分析了焊接冷裂纹产生机理及影响因素,并根据分析依据制定出防止产生裂纹的措施。
【关键词】焊接冷裂纹;产生原因;防止措施随着钢铁、石油化工、电力等工业的发展,在焊接结构方面都取向大型化、大容量和高参数的方向发展,有的还在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作,因此,各种低合金、高强钢、中高合金钢、超高强钢,以及各种合金材料的应用日益广泛。
但是随着这些钢种和合金材料的应用,在焊接生产上带来了许多新问题,其中较为普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。
焊接裂纹不仅给生产带来许多困难,造成停产、停工,而且可能带来灾难性的事故。
世界上好多焊接结构所出现各种事故中,除少数是由于设计不当、选材不合理和运行操作上的问题之外,绝大多数是由裂纹而引起的脆性破坏,因此,裂纹是引起焊接结构发生破坏事故的主要原因。
为了能有效的减少由于焊接裂纹引起的事故,保障安全生产,保障生命财产,很有必要对焊接裂纹产生原因进行分析,并制定出防止产生裂纹的措施。
一、焊接裂纹的分类在焊接生产中由于钢种和结构的类型不同,可能出现各种裂纹,裂纹的形态和分布特征都是很复杂的,有焊缝的表面、内部裂纹,有热影响区的横向、纵向裂纹,有焊缝和焊道下的深埋裂纹,也有在弧坑处出现的弧坑裂纹。
如果按产生裂纹的本质来分,可分为:热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹五大类。
在这里我们将对冷裂纹进行讨论、分析。
二、焊接冷裂纹形成机理与影响因素(一)焊接冷裂纹的形成机理大量实践和理论研究证明,钢种的淬硬倾向,焊接接头含氢量及其分布,以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。
高强钢在淬硬时,特别是在焊接条件下,近缝区的加热温度很高,使奥氏体晶粒发生严重长大,当快速冷却时,粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体,从金属强度理论可以知道,马氏体是一种脆硬的组织,发生断裂时将消耗较低的能量,因此,焊接接头有马氏体存在时,裂纹易于形成和扩展。
影响焊接钢结构脆性断裂的主要因素及其效应钢材的脆性断裂,是钢结构在静力或加载次数不多的动荷载作用下发生的脆性破坏。
在破坏前无明显变形,平均应力亦小(一般都小于屈服点y f ),没有任何预兆,破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。
具体说来,导致焊接结构脆性断裂破坏事故的主要原因主要有以下几点: ⑴焊缝经常或多或少存在一些缺陷,如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等,这些缺陷能够成为断裂的起源;⑵焊接后结构内部存在残余应力。
残余应力未必是破坏的主因,但和其他因素结合在一起,可能导致开裂;⑶焊接结构的连接往往有较大刚性,当出现3条相互垂直的焊缝时,材料的塑性变形就很难发展;⑷焊接使结构形成连续的整体,一旦裂缝开裂,就有可能一断到底。
综上所述,影响结构脆性断裂的直接因素主要是裂纹尺寸、作用应力和以及材料的韧性,下面具体说明各个因素对焊接钢结构脆性断裂产生的影响:⑴裂纹根据断裂力学的观点,对脆性断裂必须从结构内部存在着微小裂纹的情况出发进行分析。
断裂是在荷载和侵蚀型环境的作用下,裂纹扩展到临界尺寸时发生的。
尖锐的裂纹使构件受力时处于高度的应力集中。
裂纹随应力增加而扩展,起初是稳定的扩展,后来达到临界状态,出现失稳扩展而断裂。
根据线弹性断裂力学,当板处于平面应变条件下时,如果应力强度因子IC I K a K ≥⋅=σπα (1.1)则裂纹将迅速扩展而造成张开型(即I 型)断裂。
式中σ为板所受的拉应力,如果构件内部存在残余应力,则应包括在内;a 为裂纹尺寸,中心裂纹取宽度的一半,边缘裂纹取全宽度,如图1.1所示;α为和裂纹形状、板的宽度以及应力集中造成的应力梯度等因素有关的系数,当中心线上有贯穿裂纹,板宽很大并承受均匀拉应力时,1=α;IC K 代表材料抵抗裂纹失稳扩展的能力,称为断裂韧性,是材料本身固有的特性。
图1.1 裂纹尺寸由式(1.1)可见,裂纹尺寸a越大,构件所能安全承受的应力σ就越小。
焊接缺陷对结构脆断的影响与缺陷产生的应力集中程度和缺陷附近材料的性能有关。
焊接结构的脆性破坏2010-08-21 23:22:33 作者:jql来源:浏览次数:597 网友评论0 条焊接结构广泛应用以来,曾发生过一些脆性断裂(简称脆断)事故。
这些事故无征兆,是突然发生的,一般都有灾难性后果,必须高度重视。
引起焊接结构脆断的原因是多方面的,它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条焊接结构广泛应用以来,曾发生过一些脆性断裂(简称脆断)事故。
这些事故无征兆,是突然发生的,一般都有灾难性后果,必须高度重视。
引起焊接结构脆断的原因是多方面的,它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。
防止焊接结构脆断是一个系统工程,光靠个别试验或计算方法是不能确保安全使用的。
一、焊接结构脆断的基本现象和特点通过大量焊接结构脆断事故分析,发现焊接结构脆断有下述一些现象和特点:1)多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发生,故称为低温脆断。
2)脆断的名义应力较低,通常低于材料的屈服点,往往还低于设计应力。
故又称为低应力脆性破坏。
3)破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。
4)破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生,一般都有断裂片散落在事故周围。
断口是脆性的平断口,宏观外貌呈人字纹和晶粒状,根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。
微观上多为晶界断裂和解理断裂。
5)脆断时,裂纹传播速度极高,一般是声速的1/3左右,在钢中可达1200~ 1800m/s。
当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时,裂纹就停止扩展。
6)若模拟断裂时的温度对断口附近材料做韧性能试验,则发现其韧性均很差,对离断口较远材料进行力学性能复验,其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。
二、焊接结构脆断的原因对各种焊接结构脆断事故进行分析和研究,发现焊接结构发生脆断是材料(包括母材和焊材)、结构设计和制造工艺三方面因素综合作用的结果。
就材料而言,主要是在工作温度下韧性不足,就结构设计而言,主要是造成极为不利的应力状态,限制了材料塑性的发挥;就制造工艺而言,除了因焊接工艺缺陷造成严重应力集中外,还因为焊接热的作用改变了材质(如产生热影响区的脆化)和产生焊接残余应力与变形等。
焊接裂纹形成的原因及防止措施作者:刘成国来源:《名城绘》2019年第01期摘要:当前,我国工业正处于蓬勃发展阶段,焊接作为一门重要的金属加工工艺,在机械、石油、化工、建筑、交通、矿山等各行业都得到了广泛的应用。
焊接是生产过程中的一个重要环节,必须保证其质量可靠,进而提高安全性,促进生产的发展。
焊接缺陷是生产中极为不利的因素,为提高焊接质量和结构的可靠性,应该避免在焊接接头中产生裂纹。
基于此,本文对焊接裂纹形成的原因及防止措施进行探讨,以供参考。
关键词:焊接裂纹;形成原因;防止措施1、引言在焊接应力及其他致脆因素的作用下,焊接接头中局部区域因开裂而产生的缝隙称为焊接裂纹。
在焊接生产中出现的裂纹形式是多种多样的,根据裂纹产生的情况,可把焊接裂纹归纳为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂。
裂纹是焊接结构最危险的一种缺陷,不仅会使产品报废,而且还可能引起严重的事故。
所以如何避免裂纹的产生是保证焊接质量的关键。
本文主要讨论焊接裂纹形成的原因及防止措施。
2、焊接裂纹的分类通常焊接裂纹可以分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、和层状撕裂四类。
首先是热裂纹,当焊接焊缝凝固时,在高温区域,会沿着奥氏体品界面开裂,形成热袋纹,其特点是在焊接完成之后,就可以明显的观察到裂纹,同时经常发生在焊缝中心位置,沿着焊缝长度方向分布。
其次是冷裂纹,冷裂纹是在焊后较低的温度下产生的,焊接中碳钢、高碳钢、低合金高强度钢、某些超高强度钢、工具钢、钛合金等材料时容易出现这种缺陷。
冷裂纹经常产生在热影响区,有时也产生在焊缝金属中。
冷裂纹的特征是穿过晶粒内部开裂,裂纹断面上没有明显的氧化色彩,断口发亮。
再者是再热裂纹,焊件焊后在一点温度范围再次加热(进行消除热应力热处理)时,由于高温及残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹,叫做再热裂纹,又叫消除应力裂纹(国外简称“SR”裂纹)。
最后是层状裂纹,这是冷裂纹的一种特殊形式。
在大型焊接结构中,往往采用30~100mm甚至更厚的轧制钢材,轧制钢材中的硫化物、氧化物和硅酸盐等非金属夹杂物,平行于钢板表面,片状分布在钢板中。
焊接结构的脆性断裂及预防措施作者:王从明来源:《职业》2011年第13期一、脆性断裂的原因焊接结构之所以发生脆性断裂,是因为焊缝接头处几何的不连续性形成或多或少的焊接缺陷,从而引起应力集中,形成断裂源。
另外,还由于焊接接头处的力学性质的不均匀,使附近热影响区材料性质变脆,以及焊缝接头处总是不可避免地要产生焊接变形及焊接残余应力。
所有这些都可能成为焊接结构破坏的直接原因或间接原因。
特别是一些直接承受动载荷的焊接结构,或是处于低温工作环境时,焊接结构更易发生脆性断裂。
二、脆性断裂的特征脆性断裂在工程结构上是一种非常危险的破坏。
其特点是裂纹扩展迅速,能量的消耗远小于韧性断裂,以低应力破坏为重要特征。
它是靠结构内部蓄积的弹性能的释放而自动传播导致破坏的,因而很少发现可见的塑性变形,断裂之前没有明显的预兆,而是突然发生的,所以说这种断裂往往会造成巨大的损失。
一般来说,金属脆性断裂时,无论是具有解理形断口,还是呈光泽的结晶状外观断口,都与板面大体垂直,而且板厚方向上的变形很小,在表面上附有一层剪切壁,呈无光泽灰色纤维状的剪断形,材料越脆,断裂的剪切壁越薄,断口上花样的尖端总是指向启裂点的方向,形成山形花样,追踪这个花样可以找到启裂点。
三、焊接结构防止脆性断裂的设计原则脆性断裂往往是瞬间完成的,其原因是构件中存在着焊接或冶金缺陷。
首先产生一小的裂纹,而后该裂纹以极快的速度扩展,部分或全部贯穿于结构中,造成脆性失效。
因此.防止焊接结构脆性破坏事故有效的设计方法是要使焊接结构最薄弱的部位具有抵抗脆性裂纹产生的能力。
同时,如果这些部位产生了脆性小裂纹时,其周围母材有将其迅速止住的能力。
在上述设计方法中,一般主要着眼点放在焊缝接头的抗脆性裂纹产生的能力上,以此作为设计的依据。
对于中低强度钢来说,由于残余应力的作用,焊缝接头处一旦产生脆性裂纹,通常向母材方向扩展,因此需要母材有一定的止裂性能。
这时,对于防止结构的脆性断裂是有意义的。
焊接裂纹产生原因及防治焊接裂纹是在焊接过程中或焊接完成后在焊缝或母材中产生的开裂缺陷。
焊接裂纹的产生原因多种多样,主要包括以下几个方面:1.焊接过程中的温度应力:焊接时,因为焊接区域发生了局部加热和冷却,导致焊接接头中的温度差异,从而造成了焊接区域的应力。
如果这种应力超过了焊接材料的强度极限,就会产生裂纹。
2.冶金因素:焊接过程中,由于温度升高,焊接材料和母材之间发生相互作用,形成了互溶区。
如果溶液比较富含低熔点的物质,就会导致物质从高温区流向低温区,从而增大了焊接接头的收缩量,引起裂纹。
3.废气、含氧量过高:当焊接环境中的氧气含量过高时,焊接时会发生氧化反应,在焊接接头中产生大量的氧化物,增大了焊接接头的收缩量,从而导致了裂纹的产生。
4.焊接过程中的振动:焊接过程中的振动会使焊接接头中的晶粒发生变化,从而影响了焊接材料的性能,使其发生了裂纹。
针对焊接裂纹的防治措施主要包括以下几个方面:1.提高焊接工艺:合理选择焊接工艺参数,如焊接电流、焊接电压和焊接速度等,以控制焊接过程中的温度和应力。
2.控制焊接过程中的温度升降速度:控制焊接过程中的升温速度和冷却速度,以避免焊接接头产生过大的应力。
3.控制焊接环境:减少焊接环境中的含氧量,避免产生氧化反应和氧化物。
4.优化焊接材料:合理选择焊接材料,根据焊接接头的要求选择合适的材料,以提高焊接接头的性能。
5.加强材料的前处理:在焊接前进行必要的预处理工作,如去污、除锈、磷化等,以提高焊接接头的质量。
综上所述,焊接裂纹的产生原因多种多样,需要综合考虑多个方面的因素来进行防治。
通过合理选择焊接工艺参数、控制焊接过程中的温度和应力、控制焊接环境、优化焊接材料以及加强材料的前处理等措施,可以有效预防和防治焊接裂纹的产生,提高焊接接头的质量。
焊接结构脆性断裂的防止方法
摘要:本文主要分析影响焊接结构脆性断裂的主要因素,并就预防焊接结构
脆性断裂从正确选用材料、采用合理的焊接结构设计、减少和消除焊接残余拉伸
应力的不利影响等三个方面提出了针对性的措施。
关键词:焊接结构,脆性断裂,防止方法
一、前言
焊接结构脆性断裂事故虽然数量较少,但其后果是严重的,甚至是灾难性的。
脆性断裂一般都是在应力不高于焊接结构的设计应力和没有明显塑性变形的情况
下发生的,并迅速扩展到整个焊接结构,事先不易发现和预防,因而往往造成重
大安全事故。
二、影响焊接结构脆性断裂的主要因素
同一种材料,在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。
金属脆断主要受到
材料状态内部因素以及应力状态、温度和加载速度等外界条件的影响。
1.材料状态的影响
焊接结构的材料选择,首先要了解材料本身状态对断裂形式的重要影响。
(1)材料厚度对脆性破坏有影响。
厚板在缺口处容易形成三向应力使材料
变脆,因而沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制。
而当板较薄时,材料在厚
度方向能比较自由的收缩,减小厚度方向的应力,使之接近于平面应力状态。
(2)脆性断裂通常发生在体心立方和密排六方晶格的金属和合金中,只有
在特殊情况下,如应力腐蚀条件下才在面心立方晶格金属中发生。
因而面心立方
晶格金属(如奥氏体不锈钢)可以在很低的温度下工作而不发生脆性断裂。
(3)对于低碳钢和低合金钢来说,晶粒度对钢的塑性—脆性转变温度也有
很大影响,晶粒度越细,其转变温度越低。
(4)钢中的C、N、O、H、S、P均增加钢的脆性,另一些元素Mn、Ni、Cr、
V则有助于减小钢的脆性。
2.应力状态的影响
物体受外载荷作用时,在主平面上作用有最大正应力δmax 与主平面成45°的平面上作用有最大切应力τmax。
如果在τmax达到屈服强度前δmax先达到
抗拉强度,则发生脆断;反之,如τmax先达到屈服强度,则发生塑性变形或形
成延伸断裂。
实际结构中,若处于单向或双向拉伸应力作用,一般呈塑性状态。
当处于三
向拉伸应力作用时,因不易发生塑性变形而呈脆性。
三向应力的产生主要与结构
几何不连续性以及承受三向载荷因素的影响有关。
例如,虽然整个结构处于单向、双向拉伸应力状态下,但其局部区域由于设计不佳、工艺不当,往往出现形成局
部三向应力状态的缺口效应。
当构件受均匀拉伸应力时,其中一个缺口根部出现
高值的应力和应变集中,缺口越深、越尖,其局部应力和应变也越大。
在受力过
程中,缺口根部材料的伸长,必然要引起此处材料沿宽度和厚度方向的收缩,但
由于缺口尖端以外的材料受到的应力较小,它们将引起较小的横向收缩。
由于横
向收缩不均,缺口根部横向收缩受阻,结果产生横向和厚度方向的拉伸应力使缺
口根部产生了三向拉应力,因而发生根部撕裂,则发生脆断。
3.温度的影响
如果把一组开有同样缺口的试样在不同温度下进行试验,就会看到随着温度
的降低,它们的破坏方式将从塑性破坏变为脆性破坏。
对于一定的加载方式(应
力状态),当温度降至某一临界值时,将出现塑性到脆性断裂的转变,这个温度
称为脆性转变温度。
1.加载速度的影响
提高加载速度能促使材料脆性破坏,其作用相当于降低温度。
在同样加载速
率下,当结构中有缺口时,在应力集中的影响下,应变速率将呈现出加倍的不利
影响。
从而大大降低了材料的局部塑性。
这也说明了为什么结构钢一旦开始脆性
断裂,就很容易产生扩展现象。
当缺口根部小范围金属材料发生断裂时,则在新
裂纹前端的材料立即突然受到高应力和高应变载荷。
换句话说,一旦缺口根部开裂,就有高的应变速率,而不管其原始加载条件是动载的还是静载的,此时随着
裂纹加速扩展,应变速率更急剧增加,致使结构最后破坏。
三、预防焊接结构脆性断裂的措施
1.正确选用材料
选材的基本原则是既要保证结构安全使用,又要考虑经济效益。
使选用的钢
材和焊接用填充金属保证在使用温度下具有合格的缺口韧性。
(1)在结构工作条件下,焊缝、热影响区、熔合区是最容易产生脆断的部位,因此要求母材应具有一定的止裂性能。
(2)随着钢材强度的提高,断裂韧性和工艺性一般都有所下降。
因此,不
宜采用比实际需要强度更高的材料,特别不应该单纯追求强度指标而忽视其他性能。
材料的选择可通过缺
口韧性试验或断裂韧性评定试验来确定。
2.采用合理的焊接结构设计
设计有脆性断裂倾向的焊接结构,应当注意以下几个原则:
(1)尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。
(2)在满足结构使用条件下,尽量减少结构的刚度,以降低应力集中和附
加应力。
(3)不应通过降低许用应力值来减少脆性的危险性,因为这样的结果将使
厚度过分增大,从而提高钢材的脆性转变温度,降低其韧性值,反而易引起脆性
断裂。
(4)对于附件或不受力焊缝的设计,应与主要受力焊缝一样给予足够重视,防止这些接头部位产生脆性裂纹,以致扩展到主要的受力元件中,使结构破坏。
3.减少和消除焊接残余拉伸应力
减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响,必要时应考虑消除应力处理。
(1)锤击坡口或焊道表面,锤击坡口表面或多层焊层间金属可使金属表面的晶粒破碎,熔池以打碎的晶粒为基面形核、长大,从而使后层焊缝凝固时晶粒细化,并改焊道宽度善焊缝金属的组织与性能。
此外,逐层锤击焊缝表面,还可以起到减少或消除残余应力的作用。
(2)预热和焊后热处理,预热可降低焊接接头区域的温差,减小焊接热影响区的淬硬倾向。
预热也有利于焊缝中氢的逸出,降低焊缝中的含氢量,防止冷裂纹的产生。
(3)要求严格的焊接结构,焊后需进行热处理。
焊后热处理是焊后为改善焊接接头的组织与性能或消除残余应力而进行的热处理。
按热处理工艺不同,焊后热处理可分别起到改善组织、性能、消除残余应力和消除扩散氢的作用。
焊后热处理的方法主要有高温回火、消除应力退火、正火和调质处理。
具体的选用应根据母材的成分、焊接材料、产品的技术条件及焊接方法而定。
有些产品(如大型的或在工地上装焊的结构)进行整体热处理有困难,也可采用局部热处理。