焊接结构的失效与断口分析

焊接结构的失效与断口分析

冯锐  黄闻喜  宁莉

中航西安飞机工业集团股份有限公司   陕西  西安  710089

摘要：金属结构损伤焊接失效已成为重要原因，其失效与焊接工艺、材料选择、施工和环境有关。在复杂、恶劣的工作条件下长时间工作的焊接结构往往面临较大的连续工作载荷和温度变化，不同类型的载荷的作用也会造成局部表面损伤。因此，焊接结构缺陷分析是焊接技术发展和质量控制的重要组成部分。焊接结构的断口是确定断裂原因、途径和类型的有效方法，是断断裂失效研究的核心。

关键词:焊接结构;失效;断口分析

金属加工中最常见和最重要的技术是焊接，焊接过程直接关系到零件的使用寿命和成本。目前，市场对焊接件的需求不断增加，对金属设备的质量要求也越来越高，因此，对金属材料质量和焊接工艺的要求越来越高，研究焊接工艺和焊接结构就显得尤为重要。

一、失效原因

焊接失效条件需要以不同的方式和不同的角度来考虑。

1.不合理焊接设计。焊接位置和形状的设计直接影响整个焊接设备的机械强度和承受载荷强度，如果焊接位置选择不当或距离太近焊缝，金属结构部件的刚性局部过高，容易集中应力现象。

2.材料本身的缺点，如偏析板的化学成分，缩松、气孔、裂纹存在。

3.不合理焊接工艺。合理的焊接技术不以相关标准为基础，合理的焊接技术不以材料的实际性能为基础，合理的焊接技术不以设计和载荷条件为基础。

4.工作条件和工况。交变和冲击变化，持续的高温，酸度和碱度等，疲劳破坏。

二、塑性失效的特征及断口分析

1.失效塑性的特征。是明显的塑性变形和能耗，由于在大量塑性变形后会发生塑性断裂，因此在力受力的方向上会产生较大的残余变形，使断裂在断口附近出现明显的挠曲、变粗、缩颈的变形。在大多数材料中，拉伸塑性成灰色纤维，具有更大的平直和剪切面。

2.分析宏观和微观结构塑性断裂断口。由于形成显微空洞、生长和积累，最终的锯齿主要由穿晶断裂、无闪烁的金属光泽和暗灰色组成。由于塑料断裂先滑移，然后断裂，断裂一般在显微镜下切割，断裂不均匀，45角剪切唇边缘有与主应力。在扫描电镜中，塑性断口显微镜是不同尺寸的凹坑圆形或椭圆形的模型。例如，材料的塑性变形是通过长大空洞聚集来实现的，在那里材料损坏并在损坏的断口上留下痕迹，韧窝的形状主要取决于相对于拉应力与断面。韧窝的大小和深度取决于微孔形核的数量，金属的可塑性以及金属测试中测试的温度。如果形核位置较大或材料韧性较低，韧窝中形成的断口较小，韧窝较深。根据受力状态，韧窝可分为正交断裂、撕裂和剪切韧窝，在正应力下，应力均匀分布在断口上，并在主应力的各个方向上均匀增加显微孔隙向，最终形成等轴。也就是说，在正交断裂韧窝中，剪切和撕裂，生核和长大产生不均匀的变形，断裂的韧窝呈抛物线状，出现局部塑性形状，韧窝延伸到夹杂物与基体之间的内缩颈。然而，在宏观层面上，微观也有局部韧窝，因此宏观不一定是塑性断裂。因此，在断口分析中，只有宏观和微观分析的结合才能做出正确的判断。

三、疲劳失效的特征及断口分析

1.疲劳失效。零件或样品的损耗特性不受整个疲劳过程宏观塑性变化的影响。由于在大多数情况下预期会出现疲劳断裂，因此在断裂之前很难预测和防止焊接零件的出现，并且疲劳断裂也具有不同于所有其他特征的断裂形状。典型的疲劳裂纹通常由三部分组成:源区、扩展区和断裂区，这种独特的形状是将其与其他类型的断裂区分开来的重要证据。

2.宏观和微观分析疲劳断裂断口。一般分为源区、扩展区和断裂区。裂纹源区出现在焊件表面上，并且由于此过程发展缓慢，通常需要几个周期才能形成非常平坦，光亮和半圆形的形状，具有清晰且易于识别的界线。通过较高交变载荷或萌生裂纹应力集中时，通常会显示疲劳源多个。同时，源区不再具有单个疲劳源的正常和典型形状。此外，海滩状或贝壳状是增加疲劳裂纹间距的特征模型。如果疲劳断口是导致单疲劳源唯一原因，则区域的类型通常是扇形或椭圆形;如果断口有多个源层，则该区域波浪形。弧线的宽度取决于交变载荷，并且宽度随着距离源区域的距离而增加。最后，疲劳成为静载，其中断裂带的宏观形状与静载问题的宏观形状基本相同。裂纹疲劳分为微观疲劳区，焊接表面疲劳是由裂纹引起的，裂纹疲劳区一般很小，没有裂纹疲劳源。在其他情况下，疲劳断口以各种形式出现断口。但是，用断裂显微镜分析的断裂特性通常不依赖于微观形貌，而是主要依赖于断口扩展区，扩展的裂纹疲劳范围是扩展的裂纹疲劳范围的独特特征，也是其他裂纹的主要特征。

四、应力腐蚀失效的特征及断口分析

1.应力腐蚀失效。与金属屈服点，拉应力和化学腐蚀显着降低。纯金属比纯金属对这些损伤更敏感，而纯二元合金通常对这些损伤更敏感。一般来说，裂纹会产生影响生产和扩展的连续扩展。在这种情况下，深度和表面之间的微小差距非常模糊腐蚀。因此，宏观标志将断裂而不会造成额外的伤害。

2.腐蚀应力的微观和微观分析。可以裂纹源辨认，裂纹缓慢扩展的程度和快速裂纹的最终范围一般由应力腐蚀断口决定。断裂源通常发生在金属材料的表面，并且通常由于化学作用而形成孔洞。通常，腐蚀应力是来自不同来源的裂缝。这些裂纹在扩张时混合在一起。例如，扩大的裂纹具有清晰的放射条纹，它们是裂纹源汇聚处。宏观断裂断口显示出脆性特征，受化学环境影响，断口的腐蚀和氧化可见，有颜色，通常为褐色或暗色;根据材料和腐蚀性环境的不同，腐蚀断裂断口可能会沿着沿晶发生。一般来说，碳钢和低合金钢沿晶边界延伸，裂缝沿边界延伸，基本上垂直于载荷。应力腐蚀的断裂不仅与材料有关，而且有关介质。

一般而言，失效及断口焊接结构分析应检查断口情况，并将焊件的工作条件与结果性能数据进行比较，以确定失效类型，并找到科学的解决方案，从而最大限度地提高焊件设计的产品质量，从而造成损失避免。

参考文献：

[1]李春.制作缺陷对焊接接头疲劳性能的影响[J].建筑结构，2022，（2）：20-22.

[2]周永.钢脆性和工程结构脆性断裂[M].上海：上海科学技术出版社，2022.

[3]徐炎.机械失效分析手册[M].成都：四川科学技术出版社，2022.

[4]王瑞.浅论焊接残余应力的有效控制[J].水机电气，2022，（6）：68-69.

[5]李涛.提高焊缝疲劳强度的新工艺[J].机车车辆工艺，2022，（1）：13-19.