焊接结构脆性断裂的预防措施

史上最全！！常见焊接缺陷产生原因、危害及防止措施一、焊接缺陷的分类焊接缺陷可分为外部缺陷和内部缺陷两种1．外部缺陷1）外观形状和尺寸不符合要求；2）表面裂纹；3）表面气孔；4）咬边；5）凹陷；6）满溢；7）焊瘤；8）弧坑；9）电弧擦伤；10）明冷缩孔；11）烧穿；12）过烧。

2．内部缺陷1）焊接裂纹：ａ.冷裂纹；ｂ.层状撕裂；ｃ.热裂纹；ｄ.再热裂纹。

2）气孔；3）夹渣；4）未焊透；5）未熔合；6）夹钨；7）夹珠。

二、各种焊接缺陷产生原因、危害及防止措施1、外表面形状和尺寸不符合要求表现：外表面形状高低不平，焊缝成形不良，焊波粗劣，焊缝宽度不均匀，焊缝余高过高或过低，角焊缝焊脚单边或下凹过大，母材错边，接头的变形和翘曲超过了产品的允许范围等。

危害：焊缝成形不美观，影响到焊材与母材的结合，削弱焊接接头的强度性能，使接头的应力产生偏向和不均匀分布，造成应力集中，影响焊接结构的安全使用。

产生原因：焊件坡口角度不对，装配间隙不匀，点固焊时未对正，焊接电流过大或过小，运条速度过快或过慢，焊条的角度选择不合适或改变不当，埋弧焊焊接工艺选择不正确等。

防止措施：选择合适的坡口角度，按标准要求点焊组装焊件，并保持间隙均匀，编制合理的焊接工艺流程，控制变形和翘曲，正确选用焊接电流，合适地掌握焊接速度，采用恰当的运条手法和角度，随时注意适应焊件的坡口变化，以保证焊缝外观成形均匀一致。

2、焊接裂纹表现：在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏形成的新界面所产生的缝隙，具有尖锐的缺口和大小的长宽比特征。

按形态可分为：纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹、热影响区再热裂纹等。

危害：裂纹是所有的焊接缺陷里危害最严重的一种。

它的存在是导致焊接结构失效的最直接的因素，特别是在锅炉压力容器的焊接接头中，因为它的存在可能导致一场场灾难性的事故的发生，裂纹最大的一个特征是具有扩展性，在一定的工作条件下会不断的“生长”，直至断裂。

钢结构工程焊接应力与变形差生的危害及采取的措施随着“绿色建筑”理念的推广，以钢结构件为主体框架结构结合复合砌筑体结构已成为一种必然趋势，因为以钢结构为主的框架结构的回收利用性有效避免钢筋混凝土结构建筑垃圾的产生，具有可持续性。

由于钢结构工程的特有型，焊接作业时钢结构工程最重要的工序之一，而焊接应力及焊接变形产生是影响钢结构安全性及可靠性的重要因素。

本文着重对焊接应力及焊接变形的危害及所采取的对应措施进行分析。

一、焊接应力与变形产生机理焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化，而熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形。

在冷却过程中，已发生压缩塑性变形的这部分材料又受到周围材料的制约，不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载，与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩也产生了相应的收缩拉应力和变形。

这种随焊接热过程而变化的内应力场和构件变形，称为瞬态应力与变形。

而焊后，在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形称为焊接残余应力与焊接残余变形。

焊接残余应力和变形，严重影响焊接构件的承载力和构件的加工精度，应从设计、焊接工艺、焊接方法、装配工艺着手降低焊接残余应力和减小焊接残余变形。

二、焊接残余应力的危害及降低焊接应力的措施1．焊接残余应力的危害影响构件承受静载能力；影响结构脆性断裂；影响结构的疲劳强度；影响结构的刚度和稳定性；易产生应力腐蚀开裂；影响构件精度和尺寸的稳定性。

2．降低焊接应力的措施(1)设计措施尽量减少焊缝的数量和尺寸，在减小变形量的同时降低焊接应力；防止焊缝过于集中，从而避免焊接应力峰值叠加；要求较高的容器接管口，宜将插入式改为翻边式。

(2)工艺措施采用较小的焊接线能量，减小焊缝热塑变的范围，从而降低焊接应力；合理安排装配焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力；层间进行锤击，使焊缝得到延展，从而降低焊接应力；焊接高强钢时，选用塑性较好的焊条；预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）；采用整体预热；降低焊缝中的含氢量及焊后进行消氢处理，减小氢致集中应力。

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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焊接缺陷产生原因及防止措施一、焊接缺陷定义焊接接头的不完整性称为焊接缺陷，主要有焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺陷等。

这些缺陷减少焊缝截面积，降低承载能力，产生应力集中，引起裂纹；降低疲劳强度，易引起焊件破裂导致脆断。

其中危害最大的是焊接裂纹和气孔。

二、焊接缺陷的分类焊接生产中产生焊接缺陷的种类是多种多样的，按其在焊接接头中所处的位置和表现形式的不同，可以把焊接缺陷大致分为两类：一类是外部缺陷；另一类是内部缺陷。

焊接缺陷的详细分类如图1所示。

图1 焊接缺陷分类图焊接缺陷示意图如图2所示：（a）裂纹（b）焊瘤（c）焊穿（d）弧坑（e）气孔（f）夹渣（g ）咬边 （h ）未融合 （i ）未焊透图2 焊接缺陷示意图三、影响焊接缺陷的因素1. 材料因素所谓材料因素是指被焊的母材和所使用的焊接材料，如焊丝、焊条、焊剂及保护气体等。

这些材料在焊接时都直接参与熔池或熔合区的物理化学反应，其中，母材本身的材质对热影响区的性能起着决定性的作用，当然，所采用的焊接材料对焊缝金属的成分和性能也是关键因素。

如果焊材与母材匹配不当，不仅可能引起焊接区内的裂纹、气孔等各种缺陷，也可能引起脆化、软化等性能变化。

所以，为了保证得到良好的焊接接头，必须对材料因素予以重视。

2.工艺因素同一种母材，在采用不同的焊接方法和工艺措施的条件下，其焊接质量会表现出很大的差别。

焊接方法对焊接质量的影响主要在两个方面：首先是焊接热源的特点，其可以直接改变焊接热循环的各项参数，如线能量、高温停留时间、冷却速度等；其次是对熔池和接头附近区域的保护方式，如渣保护、气保护等。

焊接热过程和冶金过程必然对接头的质量和性能会有决定性的影响。

3.结构因素焊接接头的结构设计影响其受力状态，其既可能影响焊接时是否发生缺陷，又可能影响焊后接头的力学性能。

设计焊接结构时，应尽量使接头处于拘束度较小、能自由伸缩的状态，这样有利于防止焊接裂纹的产生。

4.使用条件焊接结构必须符合使用条件的要求，如载荷的性质、工作温度的高低、工作介质有无腐蚀性等，其必然会影响到接头的使用性能。

《焊接结构》课程教学大纲课程代码：050141030课程英文名称：Welding Construction课程总学时：48 讲课：42 实验：6 上机：0适用专业：材料成型及控制工程大纲编写（修订）时间：2017.7一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标焊接结构将焊接应力变形、焊接应力对焊接结构的影响、焊接接头和结构的脆性断裂及疲劳断裂的基本规律及物理现象的本质结合在一起，反映出各种焊接结构的特殊性，是“材料成型与控制工程”专业的专业课。

本课程的教学目的是阐述材料焊接过程中焊接应力变形的普遍规律，揭示焊接应力及焊接变形对焊接结构的影响，总结出防止焊接变形的措施。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.知识方面的基本要求：掌握焊接结构的基本特点；掌握焊接应力与变形的形成原理和分析方法，了解不同接头的应力与变形分布特点；掌握焊接应力与变形的预防、控制与消除的基本方法和手段；掌握各种接头强度的计算方法。

了解焊缝代号规定和含义；掌握焊接结构脆性破坏的原理，了解金属材料断裂的能量理论，了解金属断裂的特征以及影响因素；掌握脆断评定的原理和方法。

了解脆性破坏的特点、影响因素和预防措施；掌握疲劳破坏的基本概念，掌握焊接结构疲劳破坏的特点和影响因素；掌握焊接结构疲劳强度计算方法。

2.能力方面的基本要求：具备分析和解决焊接结构损伤与失效问题的基本能力。

初步具备设计常用焊接结构的基本能力。

3.技能方面的基本要求：能够对焊接残余应力和变形进行测量和分析,熟练应用残余应力与变形仪器。

（三）实施说明本教学大纲依据专业教学性指导性计划制定，指导教学环节。

1.理论教学环节：教学以课堂讲授为主，多媒体辅助教学。

以应力与变形基本理论——不同接头应力与变形分布——静载强度分析——动载强度分析为主线。

对课程中的重点、难点问题着重讲解。

由于本课程既具有理论性又具有实践性，因此在教学过程中要注意理论联系实际，通过实例锻炼学生分析解决问题的能力。

低温锡易脆的解决方案低温锡易脆是指在低温下，铅锡合金焊点易出现脆性断裂现象。

由于低温环境的不稳定性，焊点中的锡会经历金属结构的相变，使得焊点变脆，容易发生断裂。

这不仅会影响焊接质量，还可能导致设备故障。

本文将从锡的结构和性质、焊接原理、锡脆性的形成机理以及解决方案等方面进行详细阐述。

一、锡的结构和性质锡是一种以网状结构排列的晶体，它的熔点相对较低（约232℃），因此被广泛应用于电子产品的焊接中。

在焊接过程中，铅锡合金在高温下熔化并涂在焊接表面，随着温度的下降，锡会逐渐固化形成焊点。

锡的固态结构是一种金属晶格结构，在高温下具有较好的延展性和韧性。

然而，当焊接温度下降到低于锡的熔点时，锡的结构会发生相变，从金属晶格结构转变为一种不稳定的非晶态结构。

在这种结构下，锡的延展性和韧性急剧下降，容易发生脆性断裂。

二、焊接原理焊接过程中，铅锡合金熔化后填充在焊接表面，随着温度的下降，合金逐渐固化形成焊点。

焊点的强度取决于合金的成分和结构。

一般来说，添加了铅的合金具有较好的延展性和韧性，有助于防止锡脆性的产生。

三、锡脆性的形成机理锡脆性的形成机理比较复杂，主要有以下几个方面的因素：1. 温度变化：低温环境下焊点的温度变化较大，锡易于发生相变，从晶态结构转变为非晶态结构，其延展性和韧性降低，容易发生断裂。

2. 金属应力：焊点中的锡受到周围金属和基底物的限制，存在应力集中现象。

当焊点受到外力作用时，应力集中会导致焊点的局部应力超过了其承受能力，从而产生断裂。

3. 合金成分：合金中添加的其他元素会改变锡的结构和性质。

一些元素的添加可以增加焊点的延展性和韧性，而其他一些元素可能会降低焊点的强度。

4. 焊接工艺：焊接过程中的温度、时间、压力等参数也会对焊点的性质产生影响。

不合理的焊接工艺参数可能导致焊点的结构破坏，增加脆性断裂的风险。

四、解决方案为了解决低温锡易脆的问题，我们可以采取以下解决方案：1. 优化焊接工艺：合理控制焊接过程中的温度、时间、压力等参数，避免过快或过慢的冷却速度，以及过高的焊接温度。

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。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 碳钢焊接裂纹产生的原因及预防措施 作者：刘昌虎 曲杰 王杰 来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第04期

【摘 要】近几年我国高铁行业的发展已经进入了全新时代，转向架作为影响高铁安全运行的重要组成部分，保证其质量和安全是重中之重。转向架的碳钢焊接件焊接裂纹对于整个碳钢焊接有着不良影响，焊接缺陷对整个部件的影响是致命的。对碳钢焊接件容易出现的缺陷进行分析，并且探讨预防和解决焊接缺陷的技术措施，以保证碳钢焊接工作顺利进行，杜绝焊接缺陷的产生，减少报废和返修，避免产生安全事故影响行车安全的现象发生。

【关键词】焊接件；缺陷分析；预防措施 中图分类：TL214 文献标识码：A 引言 在实际生产过程中受焊接工艺、产品结构设计、材料及生产操作等方面的影响，不可避免地会产生一些焊接缺陷，大型铸钢件常见主要焊接缺陷有夹渣、气孔、咬边、裂纹等。本文结合生产实际情况，针对主要缺陷进行汇总并提出防止措施以供参考。

1、焊接结构件在生产过程存在的隐患 1.1焊接产品在生产制造过程中导致的缺陷 焊接缺陷的产生的原因很多。焊接结构在焊制过程中因焊接工艺与设备条件的偏差，残余应力状态和冶金因素变化的影响以及结构材料与尺寸的差异等，导致焊缝中产生不同程度和数量的焊接缺陷，例如裂纹、气孔、夹渣，未熔合、焊透等焊接缺陷。

1.2焊接结构在服役过程中引起的裂纹 焊接结构在服役或超期服役过程中有的经受高温，高压或兼有介质腐蚀的环境，有的承受疲劳、冲击及中子辐照等工况条件，会导致材质变化，严重影响应力并产生裂纹，并为安全运营带来了很大风险。

1.3焊接产品运行中的失效 焊接产品在生产制造过程中已经产生了轻度缺陷，或者不可目视的缺陷，一旦这种遗留缺陷在运行过程中就会由于壓力或震动等内外因素而引发不同程度的裂纹，从而导致产品失效或者其他的质量问题，为行车安全带来很大的危险。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 2、焊接缺陷分析 焊接规范的问题：焊接的特点是温度上升速度快，电流大，温度高等，所以焊缝区和金属的温度差很大，冷却速度很快，在产生热应力的情况下极其容易出现裂纹。焊接结构件自身也有着一些缺陷，压力容器在焊接的过程中，会将焊接结构的内在缺陷也带入到相应的容器中，尤其是在焊接的接头处，会出现未熔合、裂纹、咬边、夹渣和气孔等现象，这样就会导致焊缝的实际承载截面出现削弱等现象，周围还会出现残余应力和拘束应力，这些应力会集中，越集中，对于焊接越不利，使得缺陷处最容易最先开裂，成为裂源。部件结构问题：部件在焊接的过程中，使焊缝出现焊接变形的情况，但由于部件的刚度大，产生的内应力较大而导致焊缝裂纹。有些焊缝裂纹严重的会导致压力容器爆炸，部件的角变形与错边导致的，这一缺陷会导致容器的焊接处出现结构不连续等现象，导致了焊接的边缘出现一系列的裂纹。该类缺陷的特点是由于应力都过于集中在焊缝接触处，会加大风险，同时增加出现安全事故的可能性。焊接接头处拉伸残余应力：由于转向架机械部件在生产中存在着较大参与应力，而且在产品进行热处理的过程中并未被完全消除，就会对设备产生影响甚至损坏。压力容器在较大的焊接压力的影响下，通过不断的剪裁使压力容器的个别部位出现裂纹，使设备损坏。有些焊接的残余应力会达到所使用材料的强度，在没有应力的作用下，焊缝也会出现破裂，这种破裂是自然破裂。

管道焊接常见缺陷、产生原因及防止措施摘要：管道失效的原因有很多。

有密封失效，管道堵塞，高温氧化，金属高温渗碳，应力腐蚀，管道震动疲劳破坏，高温管道渗碳体球墨化等。

失效的表象是管道鼓泡、穿孔、裂缝、断裂等。

在管道的日常运行管理中，最常见的失效是管道泄漏。

管道泄漏，除了腐蚀原因外，最主要的是焊接质量原因。

在管道的施工过程中，设备管理人员了解管道焊接的常见缺陷，危害、产生原因及防止措施，有利于管道质量的控制，及时制止不规范的操作，以利于设备安全运行。

关键词：焊接缺陷危害原因防止措施前言：管道焊接常见缺陷分为外观缺陷和内部缺陷，本文分别就常见外观缺陷和内部缺陷的种类、缺陷产生的原因、危害的防止措施加以介绍。

1、外观缺陷：外观缺陷(表面缺陷)是指不用借助于仪器,从工件表面可以发现的缺陷。

常见的外观缺陷有咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形等,有时还有表面气孔和表面裂纹。

单面焊的根部未焊透等。

缺陷形式：1.1 咬边：咬边是指沿着焊趾,在母材部分形成的凹陷或沟槽, 它是由于电弧将焊缝边缘的母材熔化后没有得到熔敷金属的充分补充所留下的缺口。

1.1.1产生咬边的主要原因：是电弧热量太高,即电流太大,运条速度太小所造成的。

焊条与工件间角度不正确,摆动不合理,电弧过长,焊接次序不合理等都会造成咬边。

直流焊时电弧的磁偏也是产生咬边的一个原因。

某些焊接位置(立、横、仰)则会加剧咬边形成。

1.1.2咬边的危害：咬边减小了母材的有效截面积,降低结构的承载能力,同时还会造成应力集中,发展为裂纹源。

1.1.3防止咬边措施：矫正操作姿势,选用合理的规范,采用良好的运条方式都会有利于消除咬边。

焊角焊缝时,用交流焊代替直流焊也能有效地防止咬边。

1.2 焊瘤：焊瘤焊缝中的液态金属流到加热不足未熔化的母材上或从焊缝根部溢出,冷却后形成的未与母材熔合的金属瘤即为焊瘤。

1.2.1焊瘤产生原因：焊条熔化过快、焊条质量欠佳(如偏芯),焊接电源特性不稳定及操作姿势不当等都容易带来焊瘤。

第22卷第1期2004年3月 河北建筑工程学院学报JOURNAL OF HEBEI INSTITU TE OF ARCHITECTURAL EN GINEERIN G Vol.22No.1March 2004收稿日期:2002-12-09作者简介:男,1975年生,讲师,张家口市,075024钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施李志强1　孟志山2　房东升31河北建筑工程学院;2张家口市第一建筑工程有限公司;3栾城县建设局摘　要　主要就钢结构构件脆性断裂的因素进行深入分析.从实践出发,对目前国内外有代表性的钢材脆性评定方法进行简要介绍.并就钢结构在设计和制造上如何预防和控制脆性断裂提出了具体的措施.关键词　脆性断裂;因素;评定方法;控制措施中图号　TU311从19世纪末期钢结构大量采用开始,因钢结构脆性断裂而导致的事故不断出现,有一些造成了重大人员和财产损失.世界上第一次有记录的钢结构脆性断裂破坏发生于1886年10月,美国纽约州长岛的格拉凡森(Gravesend ,Long Island ,N ・Y ・)一个大的铆接立柱式钢水塔在一次以静水压力验收试验中,水塔下边截面25.4mm 厚板突然沿6.1m 长竖向裂开,裂开部位是由很脆钢板组成.我国近期发生的如1996年吉林省五道江大桥(跨度28m ),大桥桥架第一、二根斜拉杆脆性断裂,桥节点有裂缝0.1～0.2mm 宽,共计裂缝700多条,幸亏发现及时未致重大事故发生.1　钢结构脆性断裂的因素导致钢结构构件脆性断裂的因素很多,主要因素有化学成份、温度、构件厚度、冶金缺陷、构造缺陷、设计缺陷等,限于篇幅及论文侧重点,只简要论述最基本的前三种因素.1.1　钢中碳、硫、磷元素含量的影响钢中碳元素含量增高会使钢的脆性转变温度升高.随含碳量的增加,钢的最大恰贝冲击值显著降低.恰贝冲击值与试验温度曲线梯度趋于缓慢,而脆性转变温度显著升高,如图1所示.钢中磷含量的增加使晶界断裂应力降低,脆性转变温度升高.文献[1]指出钢中含0.1%以上的磷就会引起晶界断裂应力降低.磷对钢脆性转变温度影响如图2所示,随磷含量增加,钢脆性转变温度升高.硫与磷的存在对钢的断裂韧性起有害作用.随硫、磷含量增加,钢的K 1c 值下降.文献[2]提供了硫、磷对40SiMnCrMoV 超高强度钢的K 1c 影响,如图3和图1所示.硫、磷含量增加使该钢K 1c 降低,硫危害性更大.文献[3]指出:AISI4345钢随硫含量增加使K 1c 值降低.但个别现象是GCr15钢中硫含量增加反而有利于K 1c 值提高.钢中锰元素的存在对改善其脆性性能有一定帮助,随锰与碳之比值提高,碳、磷有害作用下降,钢的脆性转变温度显著降低.如图4所示.硫、磷降低钢的断裂韧性的原因,主要有两点:1)偏聚于原始奥氏体晶界,促使晶界脆化.2)硫化学反应生成MnS 在基体中形成脆性微裂纹起源核心,使微裂纹成核源增加,导致脆断容易发生.减少钢中硫、磷含量是改善钢断裂韧性的重要途径,特别是超高强度钢.选用适宜冶炼方法是提高钢的纯度最直接、最易实现的途径,与普通电炉炼钢法相比,采用真空冶炼能提高钢的纯度,超高强度钢表1　S 、P 对钢的K 1c值的影响一般用真空自耗炉(或真空电弧炉)重熔,以减少钢中杂质和偏析,以提高钢断裂韧性.各先进工业国都对硫、磷含量作了较低规定,一般都限于0.06%以下,但我国各大钢厂所产钢材偏析依然较重,质量不稳定,影响偏析的因素中(铁矿石元素、炼钢方法、钢锭大小、冶炼技术等),主因是炼钢方法和冶炼技术.偏析大将会引起热脆、冷脆、裂缝、疲劳等一系列问题.1.2　钢板厚度对脆性断裂的影响随着工业经济水平的提高,工程结构大型化成为趋势,构件钢板厚度有大为增加趋势,而钢板厚度92第1期 李志强　孟志山　房东升 钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施增加,对钢脆性断裂有较大影响,厚钢板的缺口韧性差已由试验证明.在V 型恰贝试验中,随钢板厚度增加,脆性转变温度(FA TT )提高,如图5所示.由止裂试验证明:低碳钢板厚由50mm 增加到125mm 时,止裂温度(CA T )值约升高0.4℃/mm.文献[4]介绍了C -Mn 钢板厚度对脆性断裂开始温度的影响,由图6所示的深缺口试验所测得脆性断裂开始温度[Ti ]c =40与板厚的关系,图中表明:钢板由50mm 增加到150mm ,板厚每增加1mm ,其脆性断裂开始强度上升0.17℃;钢板由150mm 增加到200mm ,板厚每增加1mm ,其脆性断裂开始温度上升0.52℃,也即钢板越厚,低温脆性倾向越强.2　低温脆性试验和评定方法钢材脆性特性的评定方法,国内外有多种试验方法,由于观点各异,所以评定指标亦不同.目前国内工程界常用小型试验方法有缺口静弯试验、撕裂试验、冲击韧性试验和落锤试验等,大型实验方法有Roberton 试验、ESSO 试验、双重拉伸试验、断裂力学试验、动态断裂韧性试验.以实际工程中常用的冲击韧性试验为例,其脆性评定常有两种方法:1)在某一规定冲击能量水平上发生断裂的温度作为材料的脆性转变温度;2)在脆性转变温度区间中,冲击试样断口外形从韧性的纤维状转变为脆性粗晶粒状态.因此第二种评定方法是用粗晶面百分率或断口纤维的百分率为50%(或65-70%)时的温度,作为冷脆转折温度(FA TT ).有些国家提出以断裂后试样断面收缩率为3.8%作为验收标准.3　断裂韧性K 1c 与恰贝冲击能Cv 的关系恰贝冲击试验得到较广泛采用,但其Cv 值不能直接反映实际结构材料的脆性特性.而断裂力学结构脆断防止提供了定量的依据,对设计而言,K 1c 值比Cv 值有用.但由于中、低强度钢K 1c 测定费用高昂(因为该试验需很厚钢板,因此需能量较大设备及仪器),因此相比较Cv 值测定试验简单易行,费用较低,工程实用仍有价值.国外对K 1c 与Cv 间关系做过一些研究试验,获得了一些经验公式.(1)转变曲线上限有温度范围内Cv 与K 1c 的关系,由Rolfs 等人提出,文献[5],以供参考.K 1c /σs =5(Cv/σs -0.05)Cv ———在80°F 温度上由标准恰贝试样测定冲击, ・磅;K 1c ———在80°F 温度上断裂韧性,千磅/英寸3/2;σs ———在80°F 温度上屈服应力,千磅/英寸2;(2)在低温和转变温度范围内Cv 与K 1c 的关系,文献[6].03河北建筑工程学院学报第22卷K 1c =15.5(Cv )1/2,符号意义同上,英制单位.(3)动态断裂韧性K 1d 与Cv 的关系,文献[7]给出中、低强度钢经验公式.K 1d =15.873(Cv )0.375,符号意义同上,英制单位.在裂纹尖端上高的约束(如钢板厚度,平面应变状态)能导致钢结构早期脆断,因此,设计上力救使缺口尖端约束程度最小(如薄钢板或平面应力状态),故材料选择中应考虑板厚对韧性的影响,为建立一个对各种结构适用而满意的约束水平,可采用断裂力学得出下列3式:1)弹性平面应变状态:(K 1c /σs )或(K 1d /σyd )<(t/2.5)1/22)平面应力(弹塑性)状态:(t/2.5)1/2<(K 1c /σs )或(K 1d /σyd )<a (t )1/2上式中:a -常数,为2～3;t -钢板厚度,mm ;K 1c ,K 1d -静态、动态断裂韧性,N/mm 2;σs ,σyd -静态、动态屈服应力,N/mm 2.4　钢结构在设计和制造上对脆性断裂的控制传统设计的强度计算以钢材屈服强度作为设计依据,它能满足一般情况需要,但它不能避免结构脆性断裂的发生,因为传统设计没有考虑钢材各元素含量、钢板厚度、温度、加载速度、三向应力状态等会引起脆断的因素.随着近代工业发展,如何从设计和制造上防止结构脆断成为一个很重要的研究课题.采用合理的结构设计防止脆断裂的发生,主要对下列方面加以控制:结构最低工作温度、应力集中状况、材料断裂韧性水平、材料缺陷情况、结构承受荷载情况(是否承受重复荷载,冲击荷载)以及环境腐蚀情况.(1)由于温度、材料厚度是影响脆断的主因,所以设计时要求接头的承载能力设计得比与其相连的杆件承载力高20%～50%.在满足应力和构件稳定性前提下,设计构件的断面应尽量选用最薄断面,增加构件厚度将增大脆断的危险.(2)保证焊接质量,尽量减少因焊接造成的缺陷,设计上应选择适当的焊缝金属缺口韧性,较厚板材或型钢焊前必须预热,施焊过程中尽量不在负温条件下进行,焊接后必须保温缓冷,尽量保证焊接质量,减少缺陷产生.若结构在设计上不能避免应力集中和焊接质量时,则必须选用韧性高的材料和焊条,以保证结构有较高抗脆断能力.还有当某一结构部位由于结构形状限制而不能进行非破坏性检查,或结构中小于临界尺寸的缺陷被漏检时,若材料有较高韧性,则对减小结构的脆断危险将起重要作用.(3)设计焊接结构应尽量避免焊缝集中和重叠交叉.要采用较好的焊接工艺(合适的输入热量和操作方法).为保证焊透,应当考虑使结构最低工作温度尽量大于钢材冷脆转变温度.若结构工作温度过低甚至低于钢材冷脆转变温度,则应降低设计应力,使应力低于不会出现裂纹扩展的水平,即在CTA 以下.若设计应力亦无法降低,则只能选用韧性更高、冷脆转变温度更低的钢材.(4)在结构设计中应尽量将因缺陷引起的应力集中减小到最低限度,如避免尖锐角,尽量用较大半径的圆弧.设计中应尽量保证结构的几何连续性和刚度连贯性,因为不连续的突变区往往形成应力集中,同时应对连渡段的连接采取正确焊接方法.接头处在焊接与制造时可能有缺陷,所以需将接头远离应力集中区,最好在应力最小部位,尽量避免焊缝表面缺陷.残留焊接金属或凸部分应清除干净.以使表面平整,对承受冲击或反复荷载的对接接头应用外拖板,使起弧和灭弧均落于接头母体外边.焊好后再割下拖板,便能保证焊缝质量.焊接管和其它配件端,在全部焊完后,应打磨出一个平滑圆角,可以减少应力集中.受拉构件上焊缝应顺接力方向设计,不要垂直向施焊,否则会导致晶粒粗大,韧性很差的热影响区,横割拉力,即“切割”现象.最后需补充的是,无论何种焊接结构,在各方面条件具体情况下,应尽量消除焊接残余应力,以防止焊接结构件变形,引起附加应力或造成安装就位困难,方法可采用振动法或加热回火法等,可根据工程具体情况而定.13第1期 李志强　孟志山　房东升 钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施(5)设计人员选用钢材时,除应核算强度外,还应保证材料有足够韧性,应从断裂力学理论出发选择具有较高断裂韧性的材料.在静荷载下裂纹产生和扩展是由局部区域上应力高度集中引起,如果是韧性较高材料,裂纹进一步扩展将会遭到遏制,这是因为裂纹扩展需消耗更多的能量.实际工程中,可采用常用的恰贝冲击韧性实验(其它实验方法均可,视实际条件而定),得到恰贝冲击能Cv ,由前面2中所述Cv 与断裂韧性K 1c ,由K 1c 评定钢材脆性特性,以此作为选择钢材依据,此方法简单易行,耗费时间少,成本低,具有较普遍的工程意义.参　考　文　献[1]　Hogkins B E et al :J.I.S.I 1958;188;218[2]　北京钢铁研究院超强度组.新金属材料.1975,3;1[3]　Wei RP.ASTM.STP 3811965;279[4]　邓枝生.新金属材料.1995;11～12,123[5]　Barsom J M ,Rolfe S T.ASTM STP 466.1970.281[6]　Parist P C ,etal.ASTM ,STP599,1973;86[7]　Sailors R H ,etal.ASTM ,STP514,1971,164[8]　褚武扬.断裂力学基础.科学出版社,1979[9]　周顺深.钢脆性和工程结构脆性断裂.上海科学技术出版社,1986[10]IMPACT TESTIN G OF METAL S 1970Amposium presented at the 72nd Annual Meeting ,ASTM Atlantic City , N.y.22-27J une 1969Analysis of Steel Structure Member Brittle Fracture and Its Control MeasureLi Zhiqiang 1　Meng Zhishan 2　Fang Dongsheng 31HeBei Institute of Architecture and Civil Engineering ; 2Zhangjiakou No.1Construction Engineering Co.Ltd ; 3Construction Bureau of Luancheng County ,HeiBei ProvinceAbstract This article mainly goes on deep analysis with the factor of steel structure brittle fracture ,and sim ply in 2troduces the domestic and foreign representative evaluation of steel brittleness at present.In addition ,it puts forward overall and s pecific measrures to prevent and control brittle fracture when we design and construct steel struc 2ture.K ey w ords brittle fracture ;factor ;evaluation ;control measure 23河北建筑工程学院学报第22卷。

焊接钢板产生变形的原因及预防措施分析探讨摘要：焊接变形是影响焊接工艺质量的重要因素之一。

本文首先通过分析焊接钢板产生变形的主要过程和原理，总结出了影响焊接变形的诸多因素，然后对焊接应力进行分析探讨，最后从设计和工艺两个方面提出了预防和控制措施。

关键词：焊接变形；焊接钢板；应力分析；焊接工艺引言由于焊接结构能够大大简化生产工艺，降低了生产成本，因此，焊接技术取得了很大的进展。

许多尖端技术如船舶建造、航空航天、核动力等如果不采用焊接结构，实际上是不可能实现的。

焊接技术在现代大型钢架结构的建筑中应用也越来越广泛。

焊接结构虽然有很多用别的工艺方法难以达到的优点，但是焊接本身也存在很突出的问题，集中体现在应力集中、性能不均匀。

应力集中对结构的脆性断裂和疲劳有很大的影响。

从断裂力学角度来分析，应力集中区域内的裂纹的应力强度因子要比在同样的外在条件下平滑构件上尺寸相同的裂纹的应力强度因子大。

1 焊接变形成因分析通常在焊接时，由于焊接热源的加热和焊接热过程的特点，焊件受到不均匀的加热，从而使得被焊金属受热膨胀及冷却收缩的程度不同，在焊件内部就产生了应力和变形。

焊接应力是造成裂缝的最主要原因，它会大大降低焊接结构的承载能力和使用寿命；焊接变形则造成焊件尺寸、形状的变化，使之在焊后要进行大量复杂的矫正工作，甚至使焊件报废。

1.1 焊接变形产生的原因一般焊接过程就是在焊丝（条）与母材之间产生焊弧，同时产生的热量把焊丝（条）与母材熔化连接的过程。

在焊缝附近进行局部加热，会沿板的长度、宽度、厚度方向形成温度分布，此时焊缝区域会因热而膨胀，但邻近区域温度相对较低，所以会抑制材料的热膨胀。

在此过程中会随着焊接构件的弹性应变，引发压缩应力，当应力超过弹性极限时，会产生压缩性塑性应变。

而此压缩性塑性应变会继续增加直到焊接构件达到最高温度。

反之，焊接构件温度下降时，构件收缩，邻近区域则抑制收缩，此时焊接构件会受拉伸应力的作用，应力超过弹性极限时，会产生拉伸性塑性应变。