焊接缺欠对接头质量的影响分析

随着焊接结构强度、韧性、耐热和耐蚀性等性能的提高，对焊接质量提出了更高的要求，控制焊接缺欠和防止焊接缺陷是提高焊接产品质量的关键。据统计，世界上各种焊接结构的失效事故中，除属于设计不合理、选材不当和操作上的失误之外，绝大多数焊接事故是由焊接缺欠所引起的。

焊接缺欠对产品质量的影响不仅给生产带来许多困难，而且可能带来灾难性的事故。由于焊接缺欠的存在减小了结构承载的有效截面积，更重要的是在缺欠周围产生了应力集中。因此，焊接缺欠对结构的承载强度、疲劳强度、脆性断裂以及抗应力腐蚀开裂都有重要的影响。

1.对结构承载强度的影响

焊缝中出现成串或密集气孔缺陷时，由于气孔的截面较大，同时还可能伴随着焊缝力学性能的下降，使承载强度明显地降低。因此，成串气孔要比单个气孔危险性大。夹杂对强度的影响与其形状和尺寸有关。单个的间断小球状夹杂物并不比同样尺寸和形状的气孔危害大。直线排列的、细条状且排列方向垂直于受力方向的连续夹杂物是比较危险的。

焊接缺陷对结构的静载破坏和疲劳强度有不同程度的影响，在一般情况下，材料的破坏形式多属于塑性断裂，这时缺欠所引起的强度降低，大致与它所造成承载截面积的减少成比例。焊接缺欠对疲劳强度的影响要比静载强度大得多。例如，焊缝内部的裂纹由于应力集中系数较大，对疲劳强度的影响较大；气孔引起的承载截面积减小10％时，疲劳强度的下降可达50％。焊缝内部的球状夹杂物当其面积较小、数量较少时，对疲劳强度的影响不大，但当夹杂物形成尖锐的边缘时，对疲劳强度的影响十分明显。

咬边对疲劳强度的影响比气孔、夹杂大得多。带咬边接头在10⁶次循环条件下的疲劳强度大约仅为致密接头的40％，其影响程度也与载荷方向有关。此外，焊缝成形不良以及焊趾区和焊根处的未焊透、错边和角变形等外部缺欠都会引起应力集中，易产生疲劳裂纹而造成疲劳破坏。

夹渣或夹杂物根据其截面积的大小成比例地降低材料的抗拉强度，但对屈服强度的影响较小。几何形状造成的不连续性缺欠，如咬边、焊缝成形不良或焊穿等不仅降低了构件的有效截面积，而且会产生应力集中。当这些缺欠与结构中的残余应力或热影响区脆化晶粒区相重叠时，会引发脆性不稳定扩展裂纹。

未熔合和未焊透比气孔和夹渣更有害。虽然当焊缝有一定余高或用优于母材的焊条制成焊接接头时，未熔合和未焊透的影响可能不十分明显，事实上许多焊接结构也已经工作多年，焊缝内部的未熔合和未焊透并没有造成严重事故，但是这类缺欠在一定条件下可能成为脆性断裂的引发点。

裂纹被认为是危险的焊接缺欠，易造成结构的断裂。裂纹一般产生在拉应力较大和热影响区粗晶组织区，在静载非脆性破坏条件下，如果塑性流动发生于裂纹失稳扩展之前，则结构中的残余拉应力将没有很大的影响，而且也不会产生脆性断裂；但是一旦裂纹失稳扩展，对焊接结构的影响就很严重了。

2.应力集中

焊接接头中的裂纹、未熔合和未焊透比气孔和夹渣的危害大，它们不仅降低了结构的有效承载截面积，而且更重要的是产生了应力集中，有诱发脆性断裂的可能。尤其是裂纹，在其尖端存在着缺口效应，容易诱发出现三向应力状态，导致裂纹的失稳和扩展，以致造成整个结构的断裂，所以裂纹（特别是延迟裂纹）是焊接结构中最危险的缺欠。

焊接接头中的裂纹常常呈扁平状，如果加载方向垂直于裂纹的平面，则裂纹两端会引起严重的应力集中。焊缝中的气孔一般呈单个球状或条虫形，因此气孔周围应力集中并不严重。焊缝中的单一夹杂具有不同的形状，其周围的应力集中也不严重。但如果焊缝中存在密集气孔或夹杂时，在载荷作用下，如果出现气孔间或夹杂间的连通，则将导致应力区的扩大和应力值的急剧上升。(www.xing528.com)

焊缝的形状不良、角焊缝的凸度过大及错边、角变形等焊接接头的外部缺欠，也都会引起应力集中或产生附加应力。

焊缝余高、错边和角变形等几何不连续缺欠，有些虽然为现行规范所允许，但都会在焊接接头区产生应力集中。由于接头形式的差别也会出现应力集中，在焊接结构常用的接头形式中，对接接头的应力集中程度最小，角接头、T形接头和正面搭接接头的应力集中程度相差不多。重要结构中的T形接头，如动载下工作的H形板梁，可采用开坡口的方法使接头处应力集中程度降低；但搭接接头不能做到这一点，侧面搭接焊缝沿整个焊缝长度上的应力分布很不均匀，而且焊缝越长，不均匀度越严重，故一般钢结构设计规范规定侧面搭接焊缝的计算长度不得大于60倍焊脚高度。超过此限定值后即使增加侧面搭接焊缝的长度，也不会降低焊缝两端的应力峰值。

含裂纹的结构与占同样面积的气孔的结构相比，前者的疲劳强度比后者降低15％。对未焊透来说，随着其面积的增加疲劳强度明显下降。而且，这类平面形缺欠对疲劳强度的影响与载荷方向有关。

3.对结构脆性断裂的影响

脆性断裂是一种低应力下的破坏，而且具有突发性，事先难以发现，因此危害性较大。焊接结构经常会在有缺欠处或结构不连续处引发脆性断裂，造成灾难性的破坏。一般认为，结构中缺欠造成的应力集中越严重，脆性断裂的危险性越大。由于裂纹尖端的尖锐度比未焊透、未熔合、咬边和气孔等缺欠要尖锐得多，所以裂纹对脆性断裂的影响最大，其影响程度不仅与裂纹的尺寸、形状有关，而且与其所在的位置有关。如果裂纹位于拉应力高值区就容易引起低应力破坏；若位于结构的应力集中区，则更危险。如果焊缝表面有缺欠，则裂纹很快在缺欠处形核。因此，焊缝的表面成形和粗糙度、焊接结构上的拐角、缺口、缝隙等都对裂纹形成和脆性断裂有很大的影响。

气孔和夹渣等体积类缺欠低于5％时，如果结构的工作温度不低于材料的塑性-脆性转变温度，对结构安全影响较小。带裂纹构件的塑性-脆性转变温度要比含夹渣构件高得多。除用塑性-脆性转变温度来衡量各种缺欠对脆性断裂的影响外，许多重要焊接结构都采用断裂力学作为评价的依据，因为用断裂力学可以确定断裂应力和裂纹尺寸与断裂韧度之间的关系。许多焊接结构的脆性断裂是由微裂纹引发的，在一般情况下，由于微裂纹未达到临界尺寸，结构不会在运行后立即发生断裂。但是微裂纹在结构运行期间会逐渐扩展，最后达到临界值，导致发生脆性断裂。

所以在结构使用期间要进行定期检查，及时发现和监测接近临界条件的缺欠，是防止焊接结构脆性断裂的有效措施。当焊接结构承受冲击或局部发生高应变和受恶劣环境影响，容易使焊接缺欠引发脆性断裂，交变载荷和应力腐蚀环境都能使裂纹等缺欠变得更尖锐，使裂纹的尺寸增大，加速达到临界值。

4.应力腐蚀开裂

焊接缺陷的存在也会导致接头出现应力腐蚀疲劳断裂，应力腐蚀开裂通常总是从表面开始。如果焊缝表面有缺陷，则裂纹很快在缺陷处形核。因此，焊缝的表面粗糙度、焊接结构上的拐角、缺口、缝隙等都对应力腐蚀有很大的影响。这些外部缺陷使浸入的介质局部浓缩，加快了微区电化学过程的进行和阳极的溶解，为应力腐蚀裂纹的扩展成长提供了条件。

应力集中对腐蚀疲劳也有很大的影响。焊接接头应力腐蚀裂纹的扩展和腐蚀疲劳破坏，大都是从焊趾处开始，然后扩展穿透整个截面导致结构的破坏。因此，改善焊趾处的应力集中也能大大提高接头的抗腐蚀疲劳的能力。错边和角变形等焊接缺欠也能引起附加的弯曲应力，对结构的脆性破坏也有影响，并且角变形越大，破坏应力越低。

综上所述，焊接结构中存在焊接缺陷会明显降低结构的承载能力。焊接缺欠的存在，减小了焊接接头的有效承载面积，造成了局部应力集中。非裂纹类的应力集中源在焊接产品的工作过程中也极有可能演变成裂纹源，导致裂纹的萌生。焊接缺欠的存在甚至还会降低焊接结构的耐蚀性和疲劳寿命。所以，焊接产品的制造过程中应采取措施，防止产生焊接缺陷，在焊接产品的使用过程中应进行定期检验，以及时发现缺欠，采取修补措施，避免事故的发生。