王迪 董玲玲

摘要：在鋼結(jié)構(gòu)的失效形式之中，斷裂破壞現(xiàn)象是主要失效形式之一，這其中所呈現(xiàn)出的脆性斷裂危害較大，并且破壞極為明顯，由于焊接輳是鋼結(jié)構(gòu)體系之中最為脆弱的一個(gè)區(qū)域，這直接促使焊接接頭本身的脆斷性是對于鋼結(jié)構(gòu)制造期間造成影響較大的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。本篇文章主要針對鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭斷裂破壞的影響因素以及控制措施等進(jìn)行了全面深入的研究，以期為鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

關(guān)建詞：鋼結(jié)構(gòu)；焊接接頭；斷裂破壞

0序言

鋼結(jié)構(gòu)本身具備了質(zhì)量輕、材質(zhì)均勻、氣密性好、安裝便捷、抗震性能強(qiáng)等方面的優(yōu)勢，被廣泛的應(yīng)用在了結(jié)構(gòu)建設(shè)領(lǐng)域中。鋼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行安裝施工的過程中，焊接技術(shù)是一項(xiàng)較為重要的技術(shù)，是切實(shí)有效的實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)可靠性高、成本低、高效連接的核心措施。同時(shí)，又由于焊接接頭中所存在的化學(xué)成分、性能、組織等方面的缺陷，極易使得焊接不當(dāng)?shù)那闆r給予鋼結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。所以，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員、技術(shù)人員都務(wù)必要引起對于高度風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，并且對控制措施加以掌控。下文主要針對鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭斷裂破壞的影響因素以及控制方式進(jìn)行了全面詳細(xì)的探討。

1斷裂的概念和種類

斷裂現(xiàn)象，通常情況下是在外力導(dǎo)致的影響下所出現(xiàn)的分離過程，同時(shí)也是導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)失效現(xiàn)象的核心形式。依據(jù)斷裂之前的塑性變形狀態(tài)大小來進(jìn)行劃分，主要可以將其劃分為延性斷裂以及脆性斷裂兩種形式。

1.1 脆性斷裂

在出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象之前，通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)本身僅僅只有少量的塑性變形或者沒有任何變化，但是其結(jié)構(gòu)本身所具有的能量吸收效率大幅度下滑。

1.1.1脆性斷裂的過程

由于焊接接頭上所出現(xiàn)的細(xì)微缺陷、裂縫，使得鋼結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力影響過于集中，僅僅只是處在一個(gè)較低的工作應(yīng)力處理作用體系下。在這期間，裂縫本身會(huì)直接從尖端開始進(jìn)行擴(kuò)展，直到整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

1.1.2脆性斷裂的主要特征

（1）斷口表面平齊光亮，表面有許多放射狀或人字狀條紋.這些條紋匯聚于裂紋源。

（2）脆性破壞時(shí)工作應(yīng)力一般低于材料的屈服強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，稱為“低應(yīng)力脆性斷裂”。

（3）脆性斷裂通常發(fā)生在較低溫度下，故也稱為“低溫脆性斷裂”，溫度越低，越易發(fā)生脆斷。

（4）脆斷總是無征兆的瞬間發(fā)生，不可預(yù)見。

1.2延性斷裂

延性斷裂也稱為韌性斷裂，斷裂前有較大的塑性變形。

1.2.1延性斷裂的過程

金屬材料本身在載荷的作用影響之下，會(huì)出現(xiàn)彈性變形的現(xiàn)象。并且在載荷現(xiàn)象持續(xù)增加的作用影響之下，會(huì)使得變形量不斷增加，材料在這期間便會(huì)出現(xiàn)屈服，最終導(dǎo)致塑性變形的發(fā)生。繼續(xù)加大載荷，金屬將進(jìn)一步變形，繼而發(fā)生斷裂口或微空隙。這些斷裂口或微空隙一經(jīng)形成。便在隨后的加載過程中逐步匯合起來，形成宏觀裂紋。宏觀裂紋發(fā)展到一定尺寸后，擴(kuò)展而導(dǎo)致最后斷裂。

1.2.2延性斷裂的主要特征

（1）延性斷裂裂口呈纖維狀，色澤灰暗，2影響焊接結(jié)構(gòu)脆斷的因素

2.1焊接結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)的影響

焊接結(jié)構(gòu)是由不可拆卸的焊接接頭連接而成的整體，結(jié)構(gòu)剛性大，容易引起較大的附加應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)的抗斷裂能力降低。焊接結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋很容易由一個(gè)構(gòu)件擴(kuò)展到另一個(gè)構(gòu)件，繼而擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)的整體，造成結(jié)構(gòu)整體破壞。

2.2焊接殘余應(yīng)力的影響

由于焊接過程是不均勻加熱和冷卻的過程，在焊接接頭處不可避免地存在拉伸殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加共同作用，在外載荷很低的情況下，結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂破壞。當(dāng)裂紋擴(kuò)展離開焊縫接頭區(qū)，殘余應(yīng)力的影響就逐漸變小，這時(shí)若工作應(yīng)力較小，則裂紋終止擴(kuò)展。

2.3焊接缺陷的影響

焊接缺陷主要有氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、未焊透、錯(cuò)邊、余高過高或不足等，缺陷面垂直于應(yīng)力方向，表面及近表面缺陷、前沿尖銳的裂紋以及造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的成形缺陷，對脆斷的影響最大，是潛在的斷裂源。因此，焊接缺陷是鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭脆斷的重要原因。

2.4焊接接頭化學(xué)成分與金相組織的影響

C，N，0，H，S，P等元素會(huì)增加鋼的脆性如果焊接過程中使這些元素含量增加，則結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷可能性增大。焊縫及近縫區(qū)的金相組織對接頭的脆斷有較大影響。過大的焊接熱輸入會(huì)使焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大和脆化，過小的焊接熱輸人又易造成淬硬組織，二者均降低焊接接頭的韌性，增加脆斷的可能性。

2.5工作溫度的影響

塑性金屬材料隨溫度的降低，會(huì)由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變對應(yīng)的溫度成為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。在此溫度以上只要工作應(yīng)力處于彈性范圍，材料就不會(huì)發(fā)生脆性破壞。

3焊接結(jié)構(gòu)斷裂的控制措施

焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象，主要包括了裂縫萌生、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)張、失穩(wěn)斷裂等多個(gè)方面的過程中，而與此對應(yīng)的方式便是焊接結(jié)構(gòu)的裂紋控制措施，通過切實(shí)有效的措施，能夠達(dá)到對起裂和裂紋擴(kuò)展控制的目的。此外，焊接結(jié)構(gòu)的斷裂現(xiàn)象，也同樣受到了結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)、選材、制造工藝、環(huán)境體系等多個(gè)方面因素的影響。因此，斷裂控制措施在執(zhí)行的過程中，主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、材料選擇這三個(gè)重要方面來加以選擇的。

3.1材料選擇

選材時(shí)要綜合考慮材料的屈服強(qiáng)度、斷裂韌性、焊接性、厚度以及造價(jià)成本等方面因素。如果選用強(qiáng)度高脆性大的材料，則在焊接工藝上增加預(yù)熱、后熱和熱處理等措施，來解決斷裂問題。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼制焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循“防止裂紋產(chǎn)生準(zhǔn)則”和“止裂準(zhǔn)則”，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾方面問題：

（1）結(jié)構(gòu)和接頭部位要盡量減少應(yīng)力集中；避免構(gòu)件截面尺寸突變；構(gòu)件相交處須圓滑過渡設(shè)計(jì)；

（2）在滿足結(jié)構(gòu)使用條件下，盡量減小結(jié)構(gòu)的剛度，以降低對應(yīng)力集中的敏感性和附加應(yīng)力的影響；盡量不使用過厚截面；可通過開工藝槽或緩和槽來降低結(jié)構(gòu)剛度。

（3）設(shè)計(jì)焊縫位置時(shí)要考慮到焊接和檢驗(yàn)的可達(dá)性，以保證焊接質(zhì)量。

3.3制造工藝

除了要針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇方面進(jìn)行嚴(yán)格控制以外，鋼結(jié)構(gòu)本身的焊接制造過程，也務(wù)必要與斷裂控制措施之間相符合，同時(shí)要對于以下幾個(gè)方面加以重視：

（1）對焊接材料、焊接工藝、焊接方式進(jìn)行科學(xué)合理的選擇。在針對焊接工藝的相應(yīng)規(guī)程進(jìn)行編制之前，務(wù)必要先對于焊接工藝進(jìn)行評(píng)定，以此來為鋼結(jié)構(gòu)最終的焊接質(zhì)量。

（2）對生產(chǎn)進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)范管理。嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝所規(guī)定的規(guī)程來執(zhí)行生產(chǎn)工作，同時(shí)對于質(zhì)量管理、工藝紀(jì)律方面進(jìn)行全面的檢查，針對檢驗(yàn)的具體制度加以完善，防止出現(xiàn)返修量增大的現(xiàn)象。

（3）要對焊接區(qū)域的局部材料的相應(yīng)性能劣化、應(yīng)力殘余等方面進(jìn)行充分的考慮，在有必要的情況下，可以采取熱處理的措施；同時(shí)，在對關(guān)鍵部件進(jìn)行斷裂測試后，來最終決定是否要對焊后的熱處理加以執(zhí)行。

（4）利用切實(shí)有效的措施，來避免結(jié)構(gòu)使用性能所可能出現(xiàn)的焊接變形影響，同時(shí)在對于焊接變形現(xiàn)象進(jìn)行控制的過程中，要尤其注意對于結(jié)構(gòu)本身性能的損害可能性。

（5）鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中所涉及到的相應(yīng)產(chǎn)品、構(gòu)件都應(yīng)當(dāng)要采取安全妥當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行保管，防止這部分構(gòu)件受到任何溫度應(yīng)力、附加應(yīng)力等方面的影響。

4結(jié)語

綜上所述，在我國鋼結(jié)構(gòu)安裝工程規(guī)模不斷擴(kuò)大的情況下，焊接技術(shù)被廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，社會(huì)的發(fā)展也對于鋼結(jié)構(gòu)本身的完善性、可靠性、安全性等多個(gè)方面提出了越發(fā)嚴(yán)格的要求。尤其是對于材料方面的要求，已經(jīng)成為了避免對焊接技術(shù)造成事故影響的關(guān)鍵措施。所以，工程技術(shù)人員本身務(wù)必要對于焊接接頭本身的斷裂破壞措施加以掌握，最大限度的防止結(jié)構(gòu)安全事故的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張?jiān)?，羅輝.鋼結(jié)構(gòu)焊接制造[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]張度華.焊接力學(xué)與結(jié)構(gòu)完整性原理[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.