钢结构焊接质量影响因素与控制措施

王迪 董玲玲

摘要：在钢结构的失效形式之中，断裂破坏现象是主要失效形式之一，这其中所呈现出的脆性断裂危害较大，并且破坏极为明显，由于焊接辏是钢结构体系之中最为脆弱的一个区域，这直接促使焊接接头本身的脆断性是对于钢结构制造期间造成影响较大的一项关键性技术。本篇文章主要针对钢结构焊接接头断裂破坏的影响因素以及控制措施等进行了全面深入的研究，以期为钢结构应用发展作出贡献。

关建词：钢结构；焊接接头；断裂破坏

0序言

钢结构本身具备了质量轻、材质均匀、气密性好、安装便捷、抗震性能强等方面的优势，被广泛的应用在了结构建设领域中。钢结构在进行安装施工的过程中，焊接技术是一项较为重要的技术，是切实有效的实现钢结构可靠性高、成本低、高效连接的核心措施。同时，又由于焊接接头中所存在的化学成分、性能、组织等方面的缺陷，极易使得焊接不当的情况给予钢结构带来安全隐患。所以，钢结构的设计人员、技术人员都务必要引起对于高度风险的认识，并且对控制措施加以掌控。下文主要针对钢结构焊接接头断裂破坏的影响因素以及控制方式进行了全面详细的探讨。

1断裂的概念和种类

断裂现象，通常情况下是在外力导致的影响下所出现的分离过程，同时也是导致钢结构材料出现失效现象的核心形式。依据断裂之前的塑性变形状态大小来进行划分，主要可以将其划分為延性断裂以及脆性断裂两种形式。

1.1 脆性断裂

在出现脆性断裂现象之前，通常情况下，钢结构本身仅仅只有少量的塑性变形或者没有任何变化，但是其结构本身所具有的能量吸收效率大幅度下滑。

1.1.1脆性断裂的过程

由于焊接接头上所出现的细微缺陷、裂缝，使得钢结构本身的应力影响过于集中，仅仅只是处在一个较低的工作应力处理作用体系下。在这期间，裂缝本身会直接从尖端开始进行扩展，直到整体结构出现断裂现象。

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。

（2）脆性破坏时工作应力一般低于材料的屈服强度或结构的许用应力，称为“低应力脆性断裂”。

（3）脆性断裂通常发生在较低温度下，故也称为“低温脆性断裂”，温度越低，越易发生脆断。

（4）脆断总是无征兆的瞬间发生，不可预见。

1.2延性断裂

延性断裂也称为韧性断裂，断裂前有较大的塑性变形。

1.2.1延性断裂的过程

金属材料本身在载荷的作用影响之下，会出现弹性变形的现象。并且在载荷现象持续增加的作用影响之下，会使得变形量不断增加，材料在这期间便会出现屈服，最终导致塑性变形的发生。继续加大载荷，金属将进一步变形，继而发生断裂口或微空隙。这些断裂口或微空隙一经形成。便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导致最后断裂。

1.2.2延性断裂的主要特征

（1）延性断裂裂口呈纤维状，色泽灰暗，2影响焊接结构脆断的因素

2.1焊接结构自身特点的影响

焊接结构是由不可拆卸的焊接接头连接而成的整体，结构刚性大，容易引起较大的附加应力，使结构的抗断裂能力降低。焊接结构一旦产生裂纹，裂纹很容易由一个构件扩展到另一个构件，继而扩展到结构的整体，造成结构整体破坏。

2.2焊接残余应力的影响

由于焊接过程是不均匀加热和冷却的过程，在焊接接头处不可避免地存在拉伸残余应力，残余应力和工作应力叠加共同作用，在外载荷很低的情况下，结构发生脆性断裂破坏。当裂纹扩展离开焊缝接头区，残余应力的影响就逐渐变小，这时若工作应力较小，则裂纹终止扩展。

2.3焊接缺陷的影响

焊接缺陷主要有气孔、夹渣、裂纹、未熔合、未焊透、错边、余高过高或不足等，缺陷面垂直于应力方向，表面及近表面缺陷、前沿尖锐的裂纹以及造成结构应力集中的成形缺陷，对脆断的影响最大，是潜在的断裂源。因此，焊接缺陷是钢结构焊接接头脆断的重要原因。

2.4焊接接头化学成分与金相组织的影响

C，N，0，H，S，P等元素会增加钢的脆性如果焊接过程中使这些元素含量增加，则结构发生脆断可能性增大。焊缝及近缝区的金相组织对接头的脆断有较大影响。过大的焊接热输入会使焊缝热影响区晶粒粗大和脆化，过小的焊接热输人又易造成淬硬组织，二者均降低焊接接头的韧性，增加脆断的可能性。

2.5工作温度的影响

塑性金属材料随温度的降低，会由韧性断裂向脆性断裂转变。转变对应的温度成为韧脆转变温度。在此温度以上只要工作应力处于弹性范围，材料就不会发生脆性破坏。

3焊接结构断裂的控制措施

焊接结构出现的断裂现象，主要包括了裂缝萌生、稳态扩张、失稳断裂等多个方面的过程中，而与此对应的方式便是焊接结构的裂纹控制措施，通过切实有效的措施，能够达到对起裂和裂纹扩展控制的目的。此外，焊接结构的断裂现象，也同样受到了结构本身的设计、选材、制造工艺、环境体系等多个方面因素的影响。因此，断裂控制措施在执行的过程中，主要从结构设计、制造工艺、材料选择这三个重要方面来加以选择的。

3.1材料选择

选材时要综合考虑材料的屈服强度、断裂韧性、焊接性、厚度以及造价成本等方面因素。如果选用强度高脆性大的材料，则在焊接工艺上增加预热、后热和热处理等措施，来解决断裂问题。

3.2结构设计

钢制焊接结构设计要遵循“防止裂纹产生准则”和“止裂准则”，在设计时应注意以下几方面问题：

（1）结构和接头部位要尽量减少应力集中；避免构件截面尺寸突变；构件相交处须圆滑过渡设计；

（2）在满足结构使用条件下，尽量减小结构的刚度，以降低对应力集中的敏感性和附加应力的影响；尽量不使用过厚截面；可通过开工艺槽或缓和槽来降低结构刚度。

（3）设计焊缝位置时要考虑到焊接和检验的可达性，以保证焊接质量。

3.3制造工艺

除了要针对结构设计、材料选择方面进行严格控制以外，钢结构本身的焊接制造过程，也务必要与断裂控制措施之间相符合，同时要对于以下几个方面加以重视：

（1）对焊接材料、焊接工艺、焊接方式进行科学合理的选择。在针对焊接工艺的相应规程进行编制之前，务必要先对于焊接工艺进行评定，以此来为钢结构最终的焊接质量。

（2）对生产进行严格的规范管理。严格按照生产工艺所规定的规程来执行生产工作，同时对于质量管理、工艺纪律方面进行全面的检查，针对检验的具体制度加以完善，防止出现返修量增大的现象。

（3）要对焊接区域的局部材料的相应性能劣化、应力残余等方面进行充分的考虑，在有必要的情况下，可以采取热处理的措施；同时，在对关键部件进行断裂测试后，来最终决定是否要对焊后的热处理加以执行。

（4）利用切实有效的措施，来避免结构使用性能所可能出现的焊接变形影响，同时在对于焊接变形现象进行控制的过程中，要尤其注意对于结构本身性能的损害可能性。

（5）钢结构焊接过程中所涉及到的相应产品、构件都应当要采取安全妥当的措施进行保管，防止这部分构件受到任何温度应力、附加应力等方面的影响。

4结语

综上所述，在我国钢结构安装工程规模不断扩大的情况下，焊接技术被广泛的应用，同时，社会的发展也对于钢结构本身的完善性、可靠性、安全性等多个方面提出了越发严格的要求。尤其是对于材料方面的要求，已经成为了避免对焊接技术造成事故影响的关键措施。所以，工程技术人员本身务必要对于焊接接头本身的断裂破坏措施加以掌握，最大限度的防止结构安全事故的出现。

参考文献：

[1]张元彬，罗辉.钢结构焊接制造[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]张度华.焊接力学与结构完整性原理[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2007.