焊接结构失效的原因及优化建议

1.结构设计不合理

20世纪20年代以前，大型金属结构，例如船舶、桥梁、储罐等都采用铆接结构。虽然也发生过失效破坏事故。但为数不多，损失也较少。自从焊接结构广泛应用以来，失效事故大大增加，损失严重。这主要是因为结构自身具有刚度大和整体性强的特点。

（1）刚度大 焊接为刚性连接，连接的构件不易产生相对位移。而铆接结构接头具有一定相对位移的可能性，而使其刚度相对降低，从而减少应力。在焊接结构中，由于在设计时没有考虑这个因素，往往引起较大的附加应力。另外，由于焊接结构比铆接结构刚性大，所以焊接结构对应力集中因素特别敏感。

第二次世界大战期间，美国建造了4684艘“自由轮”，投入使用后，事故接踵而来，有970艘发现了裂纹，其中，有27艘甲板裂开，有7艘完全断为两截。

美国“自由轮”所发生的破坏事故，就是由于应力集中所引起的。以往这种形式的轮船采用铆接结构，虽然应力集中很大，但并未发生过破坏事故。在采用了焊接结构后，却发生了一系列失效破坏事故，其原因主要是船体设计不合理，如图10-1所示。图10-1a为原始设计，拐角处为一尖角，应力集中很大；图10-1b为改进后设计，拐角采用了圆角过渡，使应力集中得到缓和。用与实物尺寸相同的试件进行试验，证明这两种不同形式的结构，由于应力集中情况不同，承载能力大不相同，破坏时所需的能量也有很大差别。拉力试验表明改进前的设计形式其承载能力为6.5×10⁷N，破坏能力为25870J；改进后的承载能力达到9.1×10⁷N，承载能力增大到1.4偌，而所需破坏的能量达到660520J，增加了20多偌。

（2）整体性强 如果设计不当或制造不良，焊接结构的整体性将给裂纹的扩展创造十分有利的条件。当采用焊接结构时，一旦有稳定的脆性裂纹出现，就有可能穿越接头扩展至结构整体，而使结构全部破坏。但是对于铆接结构，当出现不稳定脆性裂纹并扩展到接头处时有可能自动停止，因而避免了更大的灾难出现。因此在某些大型焊接结构中，有时仍保留少量的铆接接头的关键部位采用优质钢的异种材料接头，原因就在于此。

图10-1 “自由轮”甲板舱口设计对比

a）原始设计 b）改进设计(www.xing528.com)

2.材料选用不当

用于制造焊接产品的材料选用不当，在降低基体金属使用性能的同时也降低了焊接接头的质量。例如上述比利时的大桥断裂事故，该桥材料为当时生产的St-42转炉钢，发生时的气温为-20℃。在如此低温下工作的焊接结构采用转炉钢制造显然是不合理的，完全应该采用质量较好的平炉钢制造。

3.工艺制订不合理

焊接结构的制造是由一系列工序组成的，然而装配焊接必然是最关键的工序，因此焊接工艺制订得合理与否至关重要。例如，如果焊接方法选用不当，有可能由于热源热量不集中，加热时间过长，使热敏感钢的接头脆化；如果预热温度不够高，易使易淬火钢焊接接头产生冷裂纹；对于应选用碱性焊条的钢而采用酸性焊条，则由于焊缝冶金质量低而易产生缺陷或引起脆化。

4.环境因素的影响

环境因素对焊接结构的使用寿命也会产生较大的影响。例如，在高温下工作的焊接结构，由于强烈蠕变会导致结构失效；在高温下工作的结构由于接头变脆易发生脆断；接触各种腐蚀介质的焊接结构，由于腐蚀作用，会导致结构过早地失效。

5.运行及管理失误

在生产中由于操作不当或管理疏忽造成焊接结构的失效破坏的事例经常发生。特别是对于一些受压容器，由于不按操作规程工作，严重超载，或者没有安全使用减压阀，导致容器爆裂，这往往是容器失效的一个重要原因。