基于金属结构件焊接失效的原因分析及预防措施

韦广前

（武汉大学动力与机械学院，武汉430072）



基于金属结构件焊接失效的原因分析及预防措施

韦广前

（武汉大学动力与机械学院，武汉430072）

摘要：焊接是金属材料间相互连接的最常见方式。焊接效果的好坏直接影响金属构件的性能和使用寿命，甚至关系到企业的经济损失和操作人员的生命安全。金属结构件的焊接部位长期工作在恶劣复杂的环境中，其失效问题越来越引起人们的高度重视。因此，系统地分析焊接结构失效的原因并提出防治措施在实际生产应用中具有重要的意义。本文系统地分析焊接结构的失效形式及失效原因，结合材料的使用环境针对性地提出预防失效的若干措施，以期提高金属构件的综合性能，延长使用寿命。

关键词：焊接失效形式失效原因预防措施

引言

近年来，随着国民经济的快速发展和我国工业技术水平的提高，我国金属材料尤其是不锈钢材料的消费量增长速率显著加快。2002年，我国不锈钢材料的消费量已经达到世界第一位，为220万吨［1］。金属材料由于具有优良的机械强度被广泛应用于汽车船舶、铁轨桥梁、建筑框架、工厂管道和航天航空等领域。金属材料加工中，最常见最主要的工艺就是焊接。焊接技术直接关系到构件的使用寿命和经济成本。目前，市场上对焊接结构件的数量需求逐渐增大，对金属器件质量要求逐渐提高，使得人们对金属材料本身质量和焊接工艺的质量要求越来越高。因此，研究焊接工艺及焊接结构具有十分重要的意义。

焊接失效已经成为金属结构件损坏的主要原因，其失效主要与焊接工艺、选材、施工和使用环境有关［2］。焊接结构长期处于复杂、苛刻的工作环境中，常常经历持续高负荷工作以及较大温差的冲击，甚至多种应力的作用导致局部表面损坏。通过分析金属结构件的焊接失效原因，采取相应的预防措施，不但可以有效减少因脆断、应力腐蚀、磨损、疲劳等失效而造成的损失，还可以提高焊接结构产品质量，促进焊接技术的发展，给国家带来巨大的经济效益和社会效益。

1 失效原因

通常，所谓焊接失效就是指在一定条件下金属结构件的焊接接头由于各种因素而发生断裂的现象。一般，此类条件包括材质本身、环境温度、承受应力或载荷、焊接品质等。焊接失效会导致原本互相连接在一起的金属构件产生局部分离和切向撕裂，并导致逐步延伸扩展，最终造成焊接结构的机械强度受损甚至构件被破坏，从而引起金属框架的坍塌、断裂等。

1.1 失效条件

导致金属焊接构件失效的条件，需要从多方面、多角度进行考虑，主要包括：

（1）焊接设计不合理。焊接位置和焊接形式的设计直接影响焊接构件的整体机械强度和载荷承受强度。如果焊接位置选取不当或者焊缝间距离太近，易使金属结构件局部刚性过大，出现应力集中的现象；

（2）材料本身的缺陷。如板材化学成分偏析，铸钢件的组织存在缩松、气孔、裂纹等；

（3）焊接工艺不合理。包括未根据恰当的标准制定合理的焊接工艺，未根据材料的实际性能制定合理的焊接工艺，未根据构件所使用的环境和所承受的载荷选取合理的焊接方法等；

（4）构件所处的工作环境、工况条件差（如受到交变及冲击载荷、持续高温、强酸碱性等），引起结构材料疲劳破坏。

投入使用的金属焊接构件，只要存在焊接时的缺陷，在持续载荷或应力作用下就很难避免失效或者损坏现象。根据失效的基本条件对焊接失效进行研究，可以从两个方面考虑：一是引起金属结构件产生焊接失效的根本原因；二是焊接结构件在应用过程中所处的工作环境。

2.2 焊接失效的原因

2.2.1 疲劳失效的原因

通常，焊接接头的静态载荷承受能力比母材的静态载荷承受能力强，但在焊接过程中遇到各种缺陷在所难免。相同的动态载荷条件下，母材的承受能力强于焊接接头。因此，焊接结构的焊接部位在持续承受不同方向和不同程度的动态载荷时，焊接结构难免产生疲劳，而疲劳引起的失效是焊接失效的主要原因。据统计，由焊接失效而造成的倒塌或断裂事故中，构件疲劳失效引起的事故约占3/4。焊接构件受到持续性载荷或应力时，焊接构件由于疲劳会逐渐产生裂纹并逐渐向周围扩散。然而，扩散过程一般较难被发现。当裂纹扩散到一定程度时，疲劳引起的断裂会瞬间发生。这也是疲劳失效引起的破坏易造成巨大损失的主要原因。

在循环载荷的不断冲击下，处于应力最大处的晶体粒子最容易产生不同程度的微小裂纹。裂纹在持续应力的作用下逐渐扩散，发展成为宏观裂纹。随后，宏观裂纹会在持续载荷的作用下进一步延伸扩展，最终导致焊接结构的疲劳失效［3］。

残余应力、应力集中和焊接缺陷是引起焊接构件产生疲劳失效的主要因素。

（1）残余应力。残余应力（Residual Stress）是指构件在制造过程中，受到来自各种工艺等因素的作用与影响，当这些因素消失后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内。焊接过程中，由于母材和焊接材料本身性能的差异，加热过程中由于不同材料的膨胀率差异导致膨胀趋势不同。不同的膨胀趋势下，它们受到周围材料的束缚大小不一。当焊接结束后，逐渐冷却的材料将发生不同程度的收缩，收缩过程中同样受到周围材料的束缚，导致焊接构件在焊接局部存在残余应力。焊接构件中的残余应力对体系的平均应力大小产生影响，但并不会改变应力幅。残余拉应力增大平均应力，加快了构件裂纹的扩散速率。当细小的裂纹继续扩散最终形成较大的裂纹，从而极大程度上降低了构件的机械强度，减小了焊接结构的疲劳寿命。此外，残余压应力对构件的影响截然相反。当构件在应用过程中受到参与压应力时，疲劳裂纹的扩散速率由于压应力的存在减小，裂纹较难向周围扩散，从而在一定程度上增强焊接构件的疲劳强度，延长构件的疲劳寿命。引起构件产生残余应力的因素较多，主要包括母材本身的性能和加工工艺过程、焊接材料的属性、焊接顺序和焊后处理等［4］。

（2）应力集中。焊接结构的宏观几何不连续性是最易引发应力集中现象的原因。常见的开孔、截面变化等都属于宏观几何不连续的形式。焊缝处被开孔截断时，在开孔的临近区域会产生明显的应力集中现象。用来描述应力集中程度的量称之为理论应力集中系数，它是最大局部应力σmax与名义应力σ0的比值ασ。理论应力集中系数是描述焊接构件应力集中的程度，其数值越大，表明焊接构件的应力集中现象越严重。然而，理论应力集中系数并不能用于直接判断局部应力导致构件疲劳强度降低具体程度。工程中，常用有效应力集中系数Kσ来表示疲劳强度真实降低程度。焊接接头对于母材而言，本身就属于不连续体，其不连续性尤其体现在焊接部位的焊趾处。此外，不合理的焊接形式以及不合理的接头设计也会导致构件不同程度的应力集中。焊接结构设计的不合理同样也较易引起焊接局部产生应力集中现象，从而影响焊接结构的疲劳强度与使用寿命［6］。另外，母材本身的缺陷如表面缺口、弯曲变形、载荷过度集中、内部残存缺陷等情况，也会导致焊接结构存在应力集中的可能性。因此，在工程加工工程中应尽量保证母材的完好性。焊接前，应认真检查母材是否存在上述缺陷；焊接时，应尽可能避开存在缺陷的部位。

（3）焊接缺陷。所谓焊接缺陷通常包括未焊透、焊接裂纹、气孔、夹渣、咬边和弧坑等导致金属结构件的承载能力下降的不完整形态。在金属结构件相互连接的焊缝区，较易存在焊接缺陷。此类焊接缺陷属于焊接结构件的固有特性。焊接缺陷的存在，不仅降低焊缝处的焊接截面积，还易产生集中应力，降低焊接构件的机械强度，缩短其使用寿命。诸多焊接缺陷中，焊接裂纹最易引起金属结构件的脆性断裂现象，而焊接裂纹中表面裂纹又是最具危害性的缺陷形式。同时，焊接裂纹也是最为严重的应力集中源，能够导致焊接结构在交变载荷下的疲劳强度大幅度降低。焊接过程中，若焊接电流过大、焊接速度过快、焊缝间隙较大、母材边缘杂质过多等，都有可能造成焊缝开裂［7］。焊接时形成的咬边也是表面缺陷的一种形式。咬边常出现在焊趾部位。如果咬边的边缘部位在冷却过程中被淬硬，易引起焊接裂纹，从而形成较为严重的危害。焊接过程中，由于焊接电流过大或焊接处存在锈蚀、气焊渣、油泥等都易产生气孔。而位于表面或表层下的气孔对焊接疲劳强度的影响最大［8］。

2.2.2 脆性断裂失效的原因

据统计，大多数的焊接结构中包含的不同形态的缺陷与裂纹是引起金属焊接结构件发生脆性断裂失效的本质原因。正是由于此类缺陷与裂纹的影响，不仅很大程度上降低了金属材料的真实应用强度，同时大幅增加了焊接结构件的断裂概率。焊接过程中的缺陷与裂纹主要产生于两个方面：一方面是在对金属结构件进行焊接加工过程中出现，另一方面则是焊接结构件在使用中不断累积而产生，如在持续交变载荷下金属结构件所形成的疲劳裂纹等。

虽然，焊接构件中的缺陷与裂纹在其承受不同程度的载荷时易产生应力集中现象，但是金属结构件是否会发生断裂还取决于金属材料对此类缺陷的敏感程度。如果所用材料的韧性非常好，那么当其承压时，裂纹区域尖端将先发生塑性形变，然后再进行延伸扩展，于是在缺陷附近的应力就可以得到较充分的松驰，从而避免发生脆性断裂失效。但是，若所用焊接材料属于脆性材料，对缺陷敏感性远高于塑性材料，那么当构件受到应力时，裂纹区域尖端将不会发生塑性形变，构件将很容易因发生脆性断裂而失效［9］。

通常，金属材料对缺陷的敏感程度与温度有关，其敏感程度几乎都是随着温度的下降而呈现上升趋势。因此，当温度下降时，具有一定韧性的材料会逐渐呈现出脆性，相应结构件的失效也会由塑性断裂失效逐渐转为脆性断裂失效。金属材料由塑性转变成脆性的温度即工程上的“脆性转变温度”，此温度经常用于判断金属脆性敏感性。

2.2.3 塑性断裂失效的原因

所谓塑性断裂是指焊接结构所承载的应力范围超过该构件危险截面能承受的极限应力时所发生的断裂现象。塑性断裂引起的焊接失效也是结构失效的一种常见失效形式。

金属构件发生塑性断裂时都会发生比较明显的塑性变形，同时还会消耗大部分的能量。通常，具有一定塑性的金属材料在发生塑性断裂失效前总会经历一段塑性形变的过程。塑性形变后的结构断裂会沿塑性形变方向遗留下不同强度的残余形变，导致构件断口处存在较清晰的缩颈、挠曲等现象。

金属焊接材料之所以发生塑性断裂失效，本质原因是焊接结构中微孔缺陷的形成和长大的过程。焊接构件在应用过程中，当负载增大时，受载荷的部位首先在力的作用下发生塑性形变，随着构件所受应力逐渐增大直到超过材料的屈服极限值后，金属材料的局部开始产生明显的塑性形变现象。此过程中，形变较严重的部位将形成形状各异的微小孔状结构，而焊接过程中产生的夹杂物常常位于微孔的成核区域。

当金属构件受到拉伸应力时，焊接构件将产生塑性变形，从而导致夹杂物破碎抑或脱离木材，最终在焊接结构中产生空洞。在拉伸应力持续作用下，所形成的空洞将进一步长大并相互聚集成大的孔，宏观上表现为裂纹缺陷。若拉伸应力持续作用，裂纹则会不断延伸扩展，尺寸逐渐增大，最后导致构件断裂［10］。

根据上述分析可知：在持续的拉伸应力施加于焊接构件时，构件中的缺陷（如微孔）逐渐形成，并不断聚集长大，最终导致构件断裂时构件的断口呈现较暗淡的浅灰色。此外，一般的金属材料都具有低温变脆性能，即当环境温度低于该材料本身的韧——脆转变温度时，金属结构件的失效将由原来的塑性断裂失效逐渐转化为脆性断裂失效。

综上所述，由于金属结构件失效的原因较多，焊接结构发生断裂失效是同时有多重原因共同作用造成的。但不同情况下，构件的损坏失效原因具有主次之分。所以，任何单一地从一个角度去分析金属材料失效原因都是不准确的，需要结合多种因素综合考虑，才能得出准确有效的结果。

3 焊接失效的防治措施

3.1 疲劳失效的防治措施

（1）减小焊接残余应力。残余应力的产生主要受焊接方法和焊接工艺影响。因此，要减小焊接结构中产生的残余应力，需要根据焊接材料的结构设计和焊接工艺设计等方面来考虑。焊接前设计时，可以通过减少焊接结构上的焊接数量以及焊缝尺寸，避免焊缝过度集中而引起的应力集中现象［11］。

确定好焊缝数量、焊缝尺寸后，如何规划焊缝的顺序也关系到残余应力的大小。焊接结构中的残余应力是由于焊接部位金属材料热胀冷缩引发临近材料横向和纵向收缩束缚所产生，因此不同的焊接顺序对构件的残余应力有较大的影响。焊接时，最好的选择是让焊缝能最大限度地自由伸缩而不受临近材料的束缚，从而尽可能减小焊接冷却后存在的残余应力。

（2）减小应力集中。金属结构件产生疲劳失效最根本的原因就是在持续载荷作用下焊接构件发生应力集中现象。因此，提高构件抗疲劳强度行之有效的方法就是最大限度地减少应力集中程度。

一方面，在对待焊接材料进行施焊时应该尽可能地减小焊接面的突变，尽可能地使焊接面光滑圆整。这就要求焊接前的准备工作应充分，要合理设计焊接形状，尽量避免尖角或者拐角的形状，尽量设计成曲率半径大的圆弧形状。这样可以最大限度地保证焊接结构在应用时所承受的载荷分布相对均匀，从而避免焊接处局部承受载荷过大而导致整个焊接构件失效的现象。

另一方面，合理的焊接接头设计也可在一定程度上降低应力集中。焊接时，应该尽量避免焊的交汇和焊缝过度的集中。此外，相邻焊缝间应该保持一定的安全距离。在承载最大工作应力的区域尽可能不要设置焊缝，在承受拉伸应力的构件上尽可能不要设置横向焊缝。

（3）改善焊接缺陷。此外，提高焊接结构抗疲劳应力失效、延长构件使用寿命的另一种有效方法是提高焊缝焊接质量，最大限度地减少各种焊接缺陷的存在。例如，利用相关机械设备对焊缝进行整体抛光打磨。既能有效改善焊缝处的形状参数，还可以较好地消除焊缝表面缺陷，一定程度上能够达到提高焊缝抗疲劳强度的目的［12］。

相比于焊接构件的整体磨光工作，如果采用砂磨机对焊接部位及附近区域进行局部抛光，既能在很大程度上减小工作量，又能有效改善焊缝的形状参数，并且在防治疲劳失效的效果上与整体磨光提高抗疲劳强度基本相当。

3.2 脆性断裂失效的防治措施

脆性断裂失效一般发生在脆性材料或低温情况下，其防治措施主要包括：

（1）尽量减少缺陷的产生，控制缺陷的大小以及数量；

（2）在不影响工业使用要求的前提下，尽量降低焊接结构的应力水平；

（3）从分子结构上，改善材料的抗断裂性能。

基于上述几方面考虑，具体应从焊接设计、加工制造、质量检验等方面采取一系列行之有效的措施，以达到增强金属结构件抗脆性失效性能的目的。

在设计焊接结构时，总体应该符合安全可靠和经济合理的要求。与此同时，还必须考虑使用过程中可能出现缺陷的情况。此外，足够的机械强度是选材的基本需求。同时，还应考虑所选材料在恶劣的工作环境下仍然能保证材料有足够的韧性。在不能减少应力集中和焊接缺陷时，尤其是在较低温度下工作或承受冲击载荷时，更应选择韧性高的材料，以保证有高的脆断抗力。焊接材料与母材的匹配应合理，保证较好的可焊性，避免出现缺陷。

3.3 塑性断裂失效的防治措施

要提高焊接结构对塑性断裂失效的抵抗作用，应当从焊接设计、焊接加工以及检验等环节予以考虑。提高焊接部位的表面质量以及壁厚的均匀度，运用合理的焊接设计，防止缺陷的产生。焊接过程中，设计的加热和冷却过程应缓慢进行，以减少因为温差而引起材料伸缩产生的应力，防止结构件超压运行。

使用过程中，应该加强设备维护的频率。对金属材料所接触的防腐层要经常进行检修，出现损坏时要及时更换，以免器壁因腐蚀而变薄。此外，还需要借助相应检测设备对焊接构件定期检测厚度，做到及时了解运行构件中焊接构件的最小壁厚。此外，应加强对投入

使用前的设备的维护，且要注意时刻保持设备的干燥，并防止材料的腐蚀。

4 结论

随着我国国民经济的快速发展，市场对金属材料的需求量日渐增大。在工业生产已经构件的应用过程中，各种新的焊接问题不断出现。尤其是在复杂的载荷以及苛刻的工作环境中，焊接结构失效问题更加显著。为了提高我国工业技术水平，系统地寻找焊接失效的根源已是亟待解决的问题。本文从焊接构件的疲劳失效、脆性断裂失效和塑性断裂失效三方面对焊接失效的原因进行分析，提出了针对性的预防措施，对金属材料的焊接加工、延长使用寿命有着积极的指导意义。

参考文献

［1］林企曾，李成.迅速发展的中国不锈钢工业［J］.钢铁，2006，（12）：1-2.

［2］刘瑞堂.机械零件失效分析［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

［3］Chang B，Shi Y，Lu L.Studies on the Stress Distribution and Fatigue Behavior of Weld-bonded Lap Shear Joints［J］.Mater Process Technology，2001，（3）：307 313.

［4］闫德俊.高速列车底架用铝合金焊接接头疲劳裂纹扩展特性［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

［5］徐灏.疲劳强度［M］.北京：高等教育出版社，1988：111-114.

［6］周张义.高速货车转向架焊接部件疲劳强度研究［D］.成都：西南交通大学，2009.

［7］宋金瑛.制动梁滚子轴焊接结构疲劳破坏问题分析［J］.技术创新，2004，（12）：34-35.

［8］徐永春.制作缺陷对焊接接头疲劳性能的影响［J］.建筑结构，2004，（2）：20-22.

［9］周顺深.钢脆性和工程结构脆性断裂［M］.上海：上海科学技术出版社，1983.

［10］胡世炎.机械失效分析手册［M］.成都：四川科学技术出版社，1989.

［11］王军.浅论焊接残余应力的有效控制［J］.水机电气，2007，（6）：68-69.

［12］李炳华.提高焊缝疲劳强度的新工艺［J］.机车车辆工艺，1997，（1）：13-19.

Analysis of the Reasons Welded Metal Structure Failure and Preventive Measures

WEI Guangqian
（power and mechanical engineering Wuhan University, Wuhan 430072）

Abstract:Welding is the most common way of interconnecting metal material, welding effect directly affects the performance and service life of metal components, and even related to economic losses and safety. Metal structure of the welding part of long-term work in harsh environment, the failure problems caused by more and more people's attention, so system analysis of welding structure failure reasons and puts forward prevention measures in practical production and application has important significance. This paper from the system analysis of the welding structure of the failure forms and failure causes, and combining the material environment of the paper puts forward some measures for preventing the failure, in order to improve the comprehensive performance of metal component, to extend the service life.

Key words:welding, failure form, failure reason and preventive measures