基于金属结构件焊接失效的原因及预防对策

基于金属结构件焊接失效的原因及预防对策

房玉辉

大庆油田钻探工程公司机械修理厂野营房分厂 163000

摘 要：在国家经济不断发展以及工业技术水平逐渐提高的背景下，金属材料消费量逐年递增。焊接属于金属材料加工的主要加工工艺之一，可以有效连接金属材料，并且会对金属结构件性能以及使用寿命产生直接影响。本文主要对金属结构件焊接变形主要种类进行简单介绍，然后分析了金属结构件焊接失效的原因，在此基础上提出金属结构件焊接失效预防对策，期望可以为金属结构件焊接质量的提高提供参考。

关键词：金属结构件；焊接失效；预防对策

前言

近年来，金属材料因其突出的机械强度在汽车船舶、铁轨桥梁以及建筑框架当中得到了广泛应用。在应用金属材料时，通常会使用焊接工艺，焊接技术水平直接对金属结构件的使用寿命以及经济成本。金属结构件损坏问题时有发生，而其损坏的主要原因是焊接失效的存在，焊接失效与焊接工艺、选材以及使用环境等均具有密切关系^[1]。为了有效缓解金属结构件焊接失效引起的金属结构件损坏，应当对金属结构件焊接失效的原因进行深入分析，并且采取具有针对性的预防对策进行有效预防。

1 金属结构件焊接变形主要种类

金属结构件焊接变形主要分为收缩变形、弯曲变形以及扭曲变形，收缩变形问题一般无法避免，焊接过程焊缝处于液态，当焊接完成冷却后转变为固态。在液态向固态转变的过程，焊接应力以及冷却缩减的存在会导致大型结构件在焊接完成后出现尺寸缩小的情况。尤其是在简单的结构件焊接当中，收缩变形问题出现频率较高，因为其焊缝相对来说比较少，焊缝的方向也基本上是一致的，当完成焊接之后收缩尺寸也会表现的更加明显。金属结构件焊接过程内应力以及收缩变形相互结合，将会导致弯曲变形情况的出现，尤其是在细长的大型结构件以及焊缝相对分布不均匀的结构件当中，弯曲变形问题将会更加明显^[2]。除了上述两种变形种类外，金属结构件焊接还经常出现扭曲变形。大部分的大型金属结构件都是呈框架式结构分布，进而会引发焊接点不对称以及焊缝出现缺乏规律性等特点，焊接过程构件当中的内应力与外应力分布方向不同，因此也会导致不规律以及不固定变形问题的出现。

2 金属结构件焊接失效的原因

金属结构件焊接失效其实主要是指在各种因素的作用下，金属结构件焊接接头断裂现象的发生。其与金属结构件材质本身、环境温度、承受应力以及焊接品质等均具有密切的关系。

2.1 金属结构件疲劳失效

一般情况下，金属结构件焊接接头的静态载荷承受能力要强于母材静态载荷承受能力，而相同的动态载荷条件下，母材的承受能力又优于焊接接头。金属结构件的这种特性导致其焊接部位在长时间处于不同方向以及不同程度的动态载荷状态时，焊接结构不可避免的出现疲劳情况，这也是焊接失效的主要原因。根据相关的统计结果可以了解到，由构件疲劳失效引起的倒塌或者断裂事故占金属结构件失效引起的事故总量的大约3/4^[3]。在持续性载荷以及压力状态下，疲劳所引起的裂纹会进一步扩散，至一定程度后将会在一瞬间引起断裂。另外，金属结构件疲劳失效的发生与残余应力、应力集中以及焊接缺陷具有密切关联。

2.2 金属结构件脆性断裂失效

一般情况下，焊接结构当中都不可避免的存在形态各异的缺陷或者裂纹，这是引起金属结构件焊接结构出现脆性断裂失效的主要原因。另外，金属材料的真实应用强度，也会受到缺陷以及裂纹的深刻影响。并且，缺陷与裂纹还增大了断裂的发生概率。在金属结构件焊接加工以及长期的使用过程，都有可能会发生裂纹。金属焊接构件缺陷以及裂纹的存在除了与不同载荷程度下应力集中现象具有关联外，还与金属材料对此类缺陷的敏感程度有关。脆性焊接材料与塑性焊接材料相比，对于缺陷的敏感程度会更高。当脆性焊接材料受到应力十周，裂纹区域尖端将会发生脆性断裂。另外，金属材料对于缺陷的敏感程度与温度又具有密切关联，其敏感程度对这温度下降而上升。

2.3 金属结构件塑性断裂失效

当金属焊接结构所承载的压力范围远超构建危险截面能承受的极限应力时，金属结构构件将会发生塑性断裂，这也是比较常见的一种失效形式。当金属结构件出现塑性断裂过程也会存在明显的塑性变形，这一过程一般会消耗大部分的能量。一般情况下，具有一定塑性的金属材料都会在经历塑性形变之后才发生塑性断裂。金属结构件焊接出现塑性断裂的主要原因是焊接结构中微孔缺陷的形成以及长大。

3 金属结构件焊接失效预防对策

3.1 金属结构件疲劳失效防治对策

在防治金属结构件疲劳失效时，一般是采取减小焊接残余应力、减小应力集中以及改善焊接缺陷的措施。在焊接金属结构件之前，应当在焊接设计工作中减少焊接结构上的焊接数量以及焊缝尺寸，这样可以减少和避免焊缝集中而导致的应力集中现象。并且，在确定焊缝数量以及尺寸之后，还应当对焊缝顺序进行合理规划，确保焊缝可以自由收缩，避免临近材料的束缚作用，以此来缓解焊接冷却后的残余应力。在减小应力集中程度时，首先应当尽量减小焊接过程的焊接面突变，在焊接前做好充足的准备工作、合理设计焊接形状（避免尖角或者拐角形状，尽量设计曲率半径大的圆弧形状），确保其焊接面处于光滑圆整状态。除此之外，还应当使用相关机械设备抛光打磨焊缝，以此来改善焊接缺陷。

3.2 金属结构件脆性断裂失效防治

为了有效防治金属结构件脆性断裂失效问题，应当尽量减少和控制缺陷、在保证工业使用要求的前提下，尽量降低焊接结构盈利水平以及改善金属材料抗断裂性能。在设计金属材料焊接结构式，应当充分考虑安全可靠以及经济合理的要求，并且考虑使用过程的缺陷发生情况。在选择金属材料时，应当选择具有足够机械强度以及在恶劣工作环境下仍具有足够韧性的金属材料。尤其是在低温环境下进行焊接时，更应当选择具有优良脆断抗力的金属材料。同时，还应当确保焊接材料与母材进行合理匹配。

3.3 金属结构件塑性断裂失效防治

一般情况下，可以从焊接设计、焊接加工以及检验等方面入手对焊接结构塑性断裂失效进行防治。在进行焊接设计时，应当确保焊接加热以及冷却过程的缓慢进行，以此来避免温差过大引起的金属材料伸缩引起的应力，有效避免金属结构件超压运行情况的发生。另外，在使用过程应当定期检修金属材料所接触的防腐层，当其出现损坏时应当及时进行更换，以此来有效避免腐蚀问题而引起的器壁变薄情况的发生。在检测焊接构件厚度进行定期检测时，应当利用专用的检测设备，确保可以及时了解运行构件的焊接构件的最小壁厚。除此之外，还应当注重设备使用前维护工作的开展，确保设备可以保持干燥状态。

结语

综上所述，在国家经济水平不断提升的大背景下，市场对于金属材料的需求明显提高。在工业生产当中，金属构件焊接问题层出不穷，尤其是越来越复杂的载荷以及工作环境，都进一步加重了焊接结构失效问题。金属结构件焊接失效主要与疲劳失效、脆性断裂失效以及塑性断裂失效有关，在进行防治时应当针对不同的失效原因，从焊接设计以及选材等方面入手采取对应的防治措施。

参考文献：

[1]李克俭,李晓刚,张宇,韩潮宇,王雪,蔡志鹏.异种金属焊接接头微观组织演化及高温失效机理综述[J].电焊机,2020,50(09):17-43.

[2]孙亚栋,张占信,朱小宇,曹广宇,黄乙天.不锈钢装配件激光焊接裂纹的失效研究与改善[J].轨道交通装备与技术,2020(04):46-49.

[3]孙宝民,陆凯.大型金属焊接结构-箱形井架焊接工艺与失效分析[J].山东工业技术,2017(22):27.

[4]文龙.钢结构工业厂房构件焊接应力及变形控制措施[J].城市住宅, 2020(3):165-166.