第七节
焊接缺欠的危害

焊接接头的主要失效形式有疲劳失效、脆性失效、应力腐蚀开裂、泄漏、失稳、过载屈服、腐蚀疲劳等。其中疲劳失效所占比例最大（约为70%），脆性断裂、过载屈服和应力腐蚀开裂都是常见的失效形式。焊接缺欠对接头性能的影响见表1-11。

注：◎—有明显影响；○—在一定条件下有影响；△—关系很小。

（1）焊接缺欠对应力集中的影响

焊接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。焊接接头中的裂纹常呈扁平状，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。焊缝中的夹杂物具有不同的形状和包含不同的材料，但其周围的应力集中并不严重。如果焊缝中存在密集气孔或夹渣时，在负载作用下出现气孔间或夹渣间的连通，则将导致应力区的扩大和应力值的急剧上升。另外，对于焊缝的形状不良、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者产生附加应力。

焊接接头形状的不连续（如焊趾区和根部未焊透等）、接头形式不良和焊接缺欠形成的不连续（包括错边和角变形）都会产生应力集中；同时，由于结构设计不当，形成构件形状的突变，也会出现应力集中区。假如两个应力集中相重叠，则该区的应力集中系数大约等于各应力集中系数的乘积。因此，在这些部位极易产生疲劳裂纹，造成疲劳破坏。

几何形状造成的不连续性缺欠，如咬边、焊缝成形不良或烧穿等，不仅减小构件的有效截面积，还会产生应力集中。

改善应力集中的方法一般有TIG熔修法、机械加工法、砂轮打磨法、局部挤压法、锤击法、局部加热法。

（2）焊接缺欠对脆性断裂的影响

脆性断裂是一种低应力下的破坏，而且具有突发性，事先难以发现和加以预防，危害性较大。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。焊接结构对脆性断裂的影响如下所述：

①应变时效引起的局部脆性。

②对于高强度钢，过小的焊接热输入容易产生淬硬组织，过大的焊接热输入则会使晶粒长大，增大脆性。

③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。如果裂纹位于高值拉应力区就容易引起低应力破坏。若裂纹位于结构的应力集中区，则更危险。许多焊接结构的脆性断裂都是由微小裂纹引发的，由于小裂纹未达到临界尺寸，运行后结构不会立即断裂，在使用期间可能出现变化，最后达到临界值，发生脆性断裂。

④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，破坏应力越小，越容易发生脆性断裂。

（3）焊接缺欠对疲劳强度的影响

焊接缺欠对疲劳强度的影响要比静载强度大得多。例如，气孔引起的承载截面减小10%时，疲劳强度的下降可达50%。裂纹、未焊透和未熔合等对疲劳强度的影响较大。焊接缺欠对接头疲劳强度的影响与缺欠的种类、方向和位置有关。

①裂纹对疲劳强度的影响　带裂纹的接头与缺欠面积比率相同且带有气孔的接头相比，疲劳强度下降较多，前者约为后者的85%。含裂纹的结构与占同样面积气孔的结构相比，前者的疲劳强度比后者低15%。对未焊透来说，随着其面积的增加，疲劳强度明显下降，而且这类平面缺欠对疲劳强度的影响与负载的方向有关。

②气孔对疲劳强度的影响　气孔使疲劳强度下降的原因主要是气孔减少了截面积尺寸，它们之间有一定的线性关系。当采用机加工方法加工试样表面，使气孔恰好处于工件表面时，或刚好位于表面下方时，气孔的不利影响加大，它将作为应力集中源而成为疲劳裂纹的启裂点。这说明气孔的位置比其尺寸的大小对接头疲劳强度影响更大，表面或表层下气孔具有最不利的影响。

③未焊透和未熔合对疲劳强度的影响　未焊透缺欠的主要影响是削弱有效截面积并引起应力集中。以削弱有效截面积10%时的疲劳寿命与未含有该类缺欠的试验结果相比，其疲劳强度会降低25%左右。

④咬边对疲劳强度的影响　咬边多出现在焊趾或接头的表面，对疲劳强度的影响比气孔和夹渣等缺欠大得多。试验证明，带咬边的接头10 ⁶ 次循环的疲劳强度约为致密接头强度的40%。

⑤夹渣对疲劳强度的影响　夹渣或夹杂物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。这类缺欠的尺寸和形状对强度的影响较大，单个的间断小球状夹渣或夹杂物比同样尺寸和形状的气孔危害小。直线排列、细小且方向垂直于受力方向的连续夹渣最危险。在焊趾部位距离表面0.5mm左右处，如果存在尖锐的熔渣等缺欠，相当于疲劳裂纹提前萌生。

⑥外部缺欠对疲劳强度的影响　焊趾区及焊根处的未焊透、错边和角变形等外部缺欠都会引起应力集中，很容易产生疲劳裂纹造成疲劳破坏。

焊接缺欠对接头疲劳强度的影响不但与缺欠尺寸大小有关，而且还取决于许多其他因素。例如，表面缺欠比内部缺欠影响大；与作用力方向垂直的面状缺欠的影响比其他方向的大；位于残余拉应力区内的缺欠比在残余压应力区的缺欠对焊接接头性能的影响大；位于应力集中区的缺欠比在均匀应力场中的缺欠影响大。

（4）焊接缺欠对应力腐蚀开裂的影响

应力腐蚀开裂通常是从表面开始的，如果焊缝表面有缺欠，则裂纹很快在缺欠处形成。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。这些表面缺欠使浸入的腐蚀介质局部浓缩，加快了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。

应力集中对腐蚀开裂也有很大的影响。焊接接头的腐蚀疲劳破坏，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程度也能大大提高接头的抗腐蚀疲劳的能力。

在部分焊接缺欠无法避免的情况下，可从改变应力状态入手减少应力腐蚀开裂。拉应力是产生应力腐蚀开裂的重要条件，如能在接触腐蚀介质的表面形成压应力，则可以很好地解决各类焊接结构应力腐蚀开裂的难题。“逆焊接加热处理”是一种新的消除残余应力的技术，它通过喷淋冷却介质使处理表面（包括焊接区）获得比周围和背面相对较低的负温差，在处理表面形成双向的残余压应力层而不影响材料的力学性能，这种方法特别适用于有防止应力腐蚀要求的焊接结构。

事实表明，超过规定限值的缺欠的存在，直接影响了焊接接头的性能，降低了焊接工程的总体质量，导致结构失效事件的出现。例如，某汽车左后悬架支撑杆（一端铸件，一端焊接件）如果存在焊接缺欠，在没有超载情况和其他外力作用时也会发生断裂，造成转向失控发生车祸；钢结构件内在缺欠的质量隐患危害性很大，会造成突发事故。在造船业中，焊接是保证船舶密封性和强度的关键，是保证船舶安全航行和作业的重要条件。如果焊接工程质量存在着超过规定限值的缺欠，就有可能造成渗漏或结构断裂，甚至引起船舶沉没。对船舶脆断事故的调查表明，40%的脆断事故是从焊缝质量缺欠处开始的。

焊接结构中存在焊接缺欠会明显降低结构的承载能力，甚至还会降低焊接结构的耐蚀性和缩短疲劳寿命。所以，在焊接产品的制造过程中应采取措施，防止产生焊接缺欠，在焊接产品的使用过程中应进行定期检验，及时发现缺欠，采取修补措施，避免事故的发生。 sjyScRpPgHL3EgWVBrvtQIsk76NI1GCrBAbpjI60DNU2oTHvZptYPBFhH6GJEh7K