焊接结构的失效分析
焊接中出现的问题和解决方案
焊接中出现的问题和解决方案
《焊接中的问题及解决方案》
在焊接过程中，往往会出现各种各样的问题，影响焊接质量和效率。
下面列举几种常见的问题及相应的解决方案。
1. 焊接变形
当焊接过程中受热变形产生时，可能会使得焊接接头不符合设计规定。
解决方法是在焊接过程中采用适当的焊接顺序和焊接方法，以减小变形量。
2. 焊缝气孔
气孔是焊接中常见的缺陷，可能会降低焊接接头的强度和密封性。
解决方法是在焊接前要彻底清除工件表面和焊料上的杂质，并严格控制焊接参数，以减少气孔的产生。
3. 焊接裂缝
焊接裂缝可能是由于焊接残留应力引起的。
解决方法是在焊接前进行应力分析，采用适当的焊接序列和焊接量，以减少应力集中和裂缝的产生。
4. 焊接材料不相容
在焊接不同种类的材料时，可能会出现材料不相容的问题。
解决方法是在选材时要严格按照焊接要求来选择材料，并采用合适的焊接方法和工艺，以确保焊接接头的质量。
总之，焊接中的问题是多种多样的，需要根据具体情况来采取
相应的解决方法。
只有不断积累经验、改进技术，才能够提高焊接质量和效率。
焊接结构的脆性断裂分析
焊接结构的脆性断裂分析目录摘要一、焊接结构的失效二、脆性断裂的特征三、金属材料脆性断裂的能量理论四、材料断裂的评定方法五、焊接结构脆性断裂事故六、脆性断裂产生的原因和影响因素七、防止焊接结构脆性断裂的工程技术措施八、结论摘要：脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效，通常脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失，因此分析焊接结构脆性断裂的主要因素并从防脆断设计、制造质量的全面控制、设备使用管理等方面提出防止焊接结构发生脆断的工程技术措施显得尤为重要。
一、焊接结构的失效通常意义上讲，焊接失效就是焊接接头由于各种因素在一定条件下断裂，接头一旦失效，就会使相互紧密联系成一体的构件局部分离、撕裂并扩展造成焊接结构损坏，致使设备停机影响正常生产，焊接结构的失效不仅将停止生产，还往往造成许多严重的灾难性事故。
工程中焊接结构有三种断裂形式，脆性断裂（又叫低应力断裂）、疲劳断裂和应力腐蚀断裂，其中，脆性断裂一般都在应力不高于结构的设计应力和没有明显的塑性变形的情况下发生，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，不易事先发现和预防，破坏性非常严重。
二、脆性断裂的特征脆性断裂在工程结构上是一种非常危险的破坏,其特点是裂纹扩展迅速,能量的消耗远小于韧性断裂,以低应力破坏为重要特征，它是靠结构内部蓄积的弹性能量的释放而自动传播导致破坏的,因而很少发现可见的塑性变形,断裂之前没有明显的预兆,而是突然发生的,所以说这种断裂往往带来巨大的损失，一般来说,金属脆性断裂时,无论是具有解理形断口,还是皇光泽的结晶状外观断口,都与板面大体垂直,而且板厚方向上的变形很小,在表壁呈无光泽灰色纤维状的剪断形,材料越脆断裂的剪切壁越薄,断口上花样的尖端是指向启裂点的方向,形成山形花样,追综这个花样可以找到启裂点。
三、金属材料脆性断裂的能量理论1920年Griffith 取一块厚度为1单位的“无限”大平板为研究模型，先使平板受到单向均匀拉伸应力σ（图1），然后将其两端固定，以杜绝外部能源，垂直于拉应力的方向开长度为a 2的穿透裂纹，平板中的弹性应变能将有一部分释放，其释放量为U ，新表面吸收的能量为W ，系统总能量变化为E ，则W U E +-=裂纹释放的弹性应变能U 为E a U 22σπ=设裂纹的单位表面吸收的表面能为γ，则形成裂纹所需要的总表面能W 为a W γ4=因此，裂纹体的能量改变总量E 为a E a E γσπ422+-=能量E 随裂纹长度a 的变化如图2γσπγσπ424222+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∂∂=∂∂E a a E a a a E 裂纹扩展的临界条件0=∂∂aE ，即 0422=+-γσπE a 因此a E c πγσ2=，c σ－对应于裂纹半长为a 时导致断裂的应力，22πσγE a =－在应力σ作用下，如果裂纹半长c a a <时，裂纹不扩展，结构可以安全工作。
压力容器焊接缺陷分析与防治措施
压力容器焊接缺陷分析与防治措施1.焊接接头裂纹：焊接接头裂纹是最常见的焊接缺陷之一、裂纹通常会在焊接后出现，局部会有明显的变形。
裂纹的形成原因可能是焊接材料的质量不好，焊接接头的几何形状不合适，焊接过程中的应力集中或温度变化等。
2.焊缝气孔：焊缝气孔是由于焊接过程中产生的气体未能完全排出而形成的。
气孔的存在会导致焊缝的强度降低，容易造成渗漏，进而导致压力容器的失效。
3.焊接结构变形：在压力容器的焊接过程中，由于焊接过程中产生的热量，容易导致焊接结构的变形。
焊接结构的变形会导致内部应力集中，从而引发裂纹和其他缺陷。
针对压力容器焊接缺陷，可以采取以下防治措施：1.选择合适的焊接材料和焊接工艺：选择合适的焊接材料和焊接工艺非常重要。
应根据压力容器的使用环境和材料特性选择合适的焊接材料，确保其具有良好的焊接性能。
同时，采用适当的焊接工艺和参数，控制焊接过程中的温度和应力分布，降低焊接缺陷的产生风险。
2.严格控制焊接质量：在焊接过程中，要严格按照相关的焊接规范和标准进行操作。
采用合适的检测方法和设备，对焊接接头进行检测和评估，及时发现和修复缺陷，确保焊接质量。
3.合理设计焊接结构：在压力容器的设计中，应合理考虑焊接结构的几何形状和焊接方式。
避免焊接接头的集中应力和变形，尽量减少焊接缺陷的发生。
4.加强人员培训和质量管理：培训焊接操作人员的技能和意识，提高其对焊接质量的认识和重视程度。
加强质量管理，建立完善的质量控制体系，确保焊接质量的可靠性。
总之，压力容器焊接缺陷的分析和防治是确保压力容器安全性的重要环节。
通过合适的焊接材料和工艺选择、严格控制焊接质量、合理设计焊接结构以及加强人员培训和质量管理等措施，可以有效减少焊接缺陷的发生风险，提高压力容器的耐压能力和安全性。
结构件常见的焊接缺陷分析与预防
No.18
3、弧坑
No.26
➢ 预防措施 （1）使用碱性焊条，焊剂，没有按规定温度和时间烘干，使用直流 反接法和短弧焊； （2）清理焊丝及工件坡口及附近的油、锈、水份和杂物。 （3）防风措施严格，无穿堂风等。 （4）选用合适的焊接线能量参数，焊接速度不能过快，电弧不能过 长，正确掌握起弧、运条、收弧等操作要领。
No.14
交叉焊缝的焊接顺序
No.15
2、咬边
➢ 定义及特征 在母材与焊缝熔合线附近因为熔化过强会造成熔敷金属与母材金属的 过渡区形成凹陷（沿焊趾的母材部位产生的沟槽和凹陷），沿焊缝边 缘低于母材表面的凹槽状缺陷。可分为外咬边和内咬边。咬边不仅减 少了焊接接头的有效工作截面，而且在咬边处造成严重的应力集中。 咬边缺陷多见于横、立、仰焊。
No.8
1.2 焊缝尺寸不合格
现象 板对接焊缝余高大于3㎜；局部出现负余高；余高差过大 角焊缝高度不够或焊角尺寸过大，余高差过大。 焊缝边缘不匀直，焊缝宽窄差大于3㎜。
原因分析 1、焊接电流选择不当； 2、运枪速度不均匀，过快或过慢；焊枪摆动幅度不均匀； 焊枪施焊角度选择不当等。
No.9
焊缝尺寸不合格—预防措施
处被拉开又没有液态金属来及时充满期间而形成的裂纹。 • 四、再热裂纹：再热裂纹是焊接结构在焊后消除应力热处理或长期处于高温运行中发生在靠近溶合线的粗
晶区的裂纹。 • 五、层状撕裂：焊接时，在焊接构件中延钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹。通常发生在靠近溶合线的
常见的焊接缺陷及成因
常见的焊接缺陷及成因
常见的焊接缺陷及其成因如下：
1. 冷焊缺陷：产生于金属之间传递的电流过小，导致电弧不稳定，焊接部位没有熔化和合金化。
2. 未熔合缺陷：电弧温度过低或焊接速度过快，导致焊接材料没有完全熔化。
3. 未充满缺陷：焊缝内未能完全填充焊丝或焊接材料，导致焊缝的力学性能不佳。
4. 气孔缺陷：焊接过程中，焊缝与大气中的气体发生反应产生气泡。
5. 比较成分错配缺陷：焊接材料的成分与基材成分不匹配，导致焊缝的化学成分不均匀。
6. 裂纹缺陷：焊接过程中，由于应力过大或冷却速度过快，焊缝中出现裂纹。
7. 夹渣缺陷：焊接材料中存在杂质或氧化物，导致焊缝中出现夹渣。
8. 变形缺陷：焊接材料收缩或热变形过大，导致焊接构件出现形状和尺寸上的变形。
这些焊接缺陷的成因主要包括焊接工艺参数不当、焊接材料质量不过关、焊接操作不规范等原因。
对这些缺陷的预防和修复可以通过合理的焊接工艺设计、选择质量良好的焊接材料、进行焊前和焊后的检测等方式来实现。
焊接缺陷与失效
常见的焊接缺陷
2 焊缝中夹渣与气孔 2.1 夹渣
焊接时，焊剂生成的熔融渣与焊缝金属、焊接气氛三
者间，在高温短时冶炼过程中，形成许多外部与内部的一
些熔渣，若清除不净，夹渣就留在焊缝中。 焊接操作不良、坡口设计不当、坡口不清洁、在熔化 金属内混入熔渣，或多层焊时前层熔渣残留到下道的焊缝 里等情况下都会产生夹渣。其形状不规则，尺寸较大。
1 焊接裂纹
焊接裂纹是指在焊接、去应力退火或构件使用过程中、
在焊接区域或热影响区产生的各种裂纹。裂纹的存在破坏 了金属的连续性和完整性，降低了焊接头的使用强度，裂
纹尖端易引起应力集中。
常见的焊接缺陷 焊接裂纹分类： 热裂纹、冷裂纹 焊缝裂纹、热影响区裂纹 焊道裂纹、根部裂纹、焊边裂纹（焊趾裂纹） 纵向裂纹（与焊缝方向平行）、横向裂纹（垂直）
常见的焊接缺陷 （1）结晶裂纹 结晶裂纹主要产生于含杂质元素S、P、Si和C较多 的碳钢、单相奥氏体钢、镍基合金钢和铝合金焊缝中， 在高温阶段形成的结晶裂纹，其断口两边受到氧化呈 蓝棕色等氧化色，可作为判定裂纹的重要依据。
常见的焊接缺陷
（2）液化裂纹
在焊接的高温作用下，基体金属近焊缝区或多层焊缝的层 间金属中的低熔点共晶组成物，在焊接加热的过程中会出现晶
匀性，多边化后，在边界上堆积了大量缺陷，组织疏松。当 受拉时，就会沿二次边界开裂，形成多边化裂纹。 在形成多边化的温度区间内，温度越高，原子活动力越 强，多边化时间越短，越易产生多边化裂纹。 主要发生于单项奥氏体合金和镍基合金的焊缝内，不易 被发现，危害性较大。
常见的焊接缺陷
1.2 冷裂纹
冷裂纹是指在焊接后冷却过程中，在Ms点附近或200-
300度以下区间产生的，多发生在具有缺口效应的应力集中
焊接结构的失效及断口分析
中图分类号 ：
文献标识码 ： Ａ
文章编 号 ： ０ ９ ３ （０ ７ Ｏ １ ９— ７５ ２０ ）５—０９ Ｏ ０ ０ ８一 ３
焊接结 构 的失 效 可 能 造成 重 大 或 灾难 性 事 故 ，
刻 面” 组成 的 。 因此 ， 据 这 个宏 观 形貌 很 容 易判 别 根
维普资讯
２０ ０ ７年 ｌ ０月 第２ ３卷第 ５ 期
皖 西学 院学 报
Ｊｕ ｎ ｌ ｆ ｅ ｔ ｈ ｉＵ ｉｅｓ ｙ ｏ ｒ ａ ｓ Ａｎ ｕ ｎｖ ｒｉ ｏＷ ｔ
Ｏｃ ．， ０ ７ ｔ ２０ Ｖｏ ． ３ ＮＯ． １２ ５１２ 脆性 断裂断 口的宏观和 微观 分析 ．
舌状 花样 是解 理 断裂 的典型 特征 之一 ， 的电子 它
形貌 特征 为舌 头状 ， 舌状 花样在 钢 铁材 料 中往往成 组 脆性断裂断 口在宏观上有小刻面和放射状或人 出现 ， 断面 上 的“ 头 ” 凸 起 的 ， 另 一相 匹配 的 在 舌 是 在 字 花样两种 形式 。脆 性 断 口穿 晶结 晶面 为解 理 面 ， 在
于韧性 断裂 ， 而且很 少 发 现 可 见 的 塑 性 变形 ， 断裂 之 相互汇合 ， 沿着裂纹扩展方 向观察， 便可以见到河流 前没 有明显 的征兆 ， 而是突 然发 生 。脆 性断 裂 断 口表 花样 。它是解 理 断 口最 突 出 的显微 形 貌 特 征 。河 流 面发亮 ， 呈颗粒 状 ， 于平直 类型 ， 在平 面应 变 状 态 属 是 花样在裂纹扩展时倾 向于合并， 并指明了解理裂纹 的 下发生的。同时 ， 脆性 断裂是 在低应 力条件下发 生 局部扩展方向， 其相反方向为裂纹源的位置。 的， 因而这 种断裂 往往 带来恶 性事 故 和 巨大损 失 。
失效分析(FA)介绍
FA设备－电性能分析设备
FA设备－形貌观察分析设备
¾目的
过程失效部位的位置特征，形貌变化
特征，求证失效形貌变化过程及其产生 原因。
¾主要设备
o 光学立体显微镜 o 金相显微镜 o 扫描电子显微镜
o X－RAY o 声学扫描显微镜 o 原子粒显微镜
FA设备－形貌分析设备
金相显 微镜
SEM
பைடு நூலகம்
立体显 微镜
１３９２６２０８４６５ 莫工
16
500000
400000
300000
200000 100000
13
Cl
25
35
0
0
50
SIMS分析图谱
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法院 诉讼裁决
裁决
保险 赔偿裁决
偶然失效 批次失效
元器 件缺 陷失 效
FA
使用
结果
不当
失效
安装缺陷 互连缺陷 静电损伤 化学污染
工艺 缺陷
材料微观结构缺陷 元器件结构缺陷 元器件工艺缺陷 材料及工艺化学污染 元器件设计缺陷
FA设备－成份分析设备
内部气氛 分析仪
DEX
FA设备－专项分析设备
焊锡问题点解决方案
锡焊工程的不良原因分析及改善对策(一)1．短路(SHORT)焊接设计不当，可由圆型焊垫改为椭圆形。
加大点与点之间的距离。
零件方向设计不当，如S0IC的脚如与锡波平行，便易短路，修改零件方向，使其与锡波垂直．自动插件弯脚所致，由于PCB规定线脚的长度在2mm以下(无短路危险时)及担心弯脚角度太大时零件会掉，故因此造成短路，需将焊点离开线路2mm以上．基板孔太大．钖与孔中穿透至基板的上侧而造成短路，故需缩小孔径至下影响零件装插的程度。
自动插件时，残留的零件脚太长，需限制在2mm以下．锡炉温度太低。
钖无法迅速滴回锡槽，需调高锅炉温度．轴送带速度太慢，锡无法快速滴回，需调快轴送带速度．板面的可焊性不佳，将板面清洁。
基板中玻璃材料溢出，在焊接前检查板面是否有玻璃物突出．阻焊膜失效，检查适当的阻焊膜和使用方式．板面污染，将板面清洁。
2．针孔及气孔(PINHOLES AND BLOwHOLES)外表上，针孔及气孔的不同在于针孔的直径较小，现于表面．可看到底部。
针孔及气孔都表现为焊点中有气泡．只是尚未变大王表层，大部分都发生在基板底郎，当底部的气泡完全扩散爆开前已冷凝时，即形成了针孔或气孔。
形成的原因如下：基板或零件的线脚上沾有有机污染物．此类污染材料来自自动插件面，零件存放及贮存不良因素。
用普通的溶剂即可轻易的去除此类污染物，但遇sILICOK0II类似含有SILICON的产品则较困难。
如发现问题的造成是因为SILICON OIL，则须考虑改变润滑油或脱膜剂的来源。
基板含有电铍溶液和，类似材料所产生之水气，如果基板使用较廉价的材料，则有可能吸入此类水气，焊锡时产生足够的热，将溶液气化而造成气孔装配前将基板在烤箱中烘烤，可以改善此间题。
基板储存太多或包装不当，吸收附近环境的水氟，故装配前需先烘烤。
助焊剂活性不够，助焊剂润湿不良．也会造成针孔及氧孔．助焊剂槽中含有水份，需定期更换助焊剂。
助焊剂水份过多，也是造成针孔及气孔的原因，应更换助焊剂．发泡及空压机压缩中含有过多的水份，需加装滤水器，并定期排水．预热温度过低，无法蒸发水氟或溶剂，基板一旦进入锡炉，瞬间与高温接解，而产生爆裂，故需调高预热温度．3．吃锡不良(POOR WETTING)现象为线路板的表面有部分未沾到锡，原因为：表面附有油脂、杂质氧化等，可以溶解洗净。
焊接结构发生脆断的原因及预防
焊接结构发生脆断的原因及预防随着焊接结构在工业生产中应用范围和数量的增大，焊接结构因脆性断裂而失效的事故也越来越多。
脆性断裂是焊接结构最可怕的失效形式，它都是在应力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，因此其后果往往是灾难性的，造成的经济损失也往往是巨大的。
一、焊接结构产生脆性断裂的原因分析焊接结构产生脆性断裂的原因基本上可归纳为三个方面：（一）材料的韧性不足材料缺口尖端处的微观塑性变形能力差，特别是焊接结构的缺口、尖端处，脆性断裂在大多数情况下从焊接区开始，所以焊缝及热影响区的韧性不足往往是造成低应力脆性破坏的主要原因。
（二）存在裂纹等缺陷断裂总是从材料缺陷处开始，缺陷中则以裂纹为最危险，而焊接则是产生裂纹的主要原因。
（三）设计和制造工艺不合理不正确的设计和不良的制造工艺会产生较大的焊接残余应力，该应力过大时，则导致结构的脆性断裂。
二、影响脆性断裂的主要因素同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。
最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。
温度越低，加载速度越大、材料应力状态越严重，则产生脆性断裂的倾向就越大。
（一）应力状态的影响当材料处于三向拉应力下，呈现脆性。
在实际结构中，三向拉应力应该由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性引起的。
虽然整个结构处于单轴双向拉应力状态下，但其局部区域由于设计不佳，工艺不当，往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应。
因此，脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。
（二）温度的影响随着温度的降低，焊接结构的破坏方式会发生变化，即从延性破坏变为脆性破坏。
当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，此为脆性转变温度。
脆性转变温度高，则脆性倾向严重。
（三）加载速度的影响试验证明，加载速度越快，焊接结构越容易发生脆性断裂。
在同样加载速率下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍的不利影响。
模块焊接后变形原因分析
模块焊接后变形原因分析一、焊接热源引起的模块变形1.焊接热量引起的温度差异：在焊接过程中，焊接点会受到高温的热源，而其他区域则处于常温或低温状态，因此产生了焊接点周围的温度差异。
这种温度差异会引起局部热膨胀和冷却收缩，从而导致模块的变形。
2.焊接产生的应力：焊接过程中，焊缝会产生应力，尤其是焊接结构复杂或材料厚度不一致的模块。
这些应力会导致模块发生变形。
二、焊接过程中的工艺参数导致的模块变形1.焊接速度不均匀：焊接过程中，如果焊接速度不均匀，会导致焊接点的温度不均匀，从而引起焊接点周围的变形。
2.焊接过程中的应力控制不当：焊接过程中，过大或过小的应力都会导致模块的变形。
比如焊接时过大的挤压力会压扁焊缝，而焊接时过小的挤压力则容易导致焊接不牢固。
三、材料变形导致的模块变形1.焊接材料的热膨胀系数不同：焊接材料的热膨胀系数不同，当在焊接过程中受到高温热源时，热膨胀系数较大的材料会产生较大的膨胀，从而导致模块的变形。
2.材料的残余应力：在焊接过程中，材料会产生残余应力。
如果这些残余应力不能得到适当的释放，会导致模块在后续使用过程中继续变形。
四、设计和加工误差导致的模块变形1.模块设计不合理：模块的设计不合理，如强度不足、刚度不够等问题，会使模块在焊接过程中更容易发生变形。
2.零件加工精度不高：如果焊接之前的零件加工精度不高，即使焊接过程中没有其他问题，也会导致模块变形。
综上所述，模块焊接后的变形有多种原因，包括焊接热源引起的热膨胀和冷却收缩、焊接产生的应力、焊接过程中的工艺参数、材料的热膨胀系数和残余应力以及设计和加工误差等。
为了减少模块焊接后的变形，可以从控制焊接参数、选用合适的材料、进行适当的热处理、改善设计和加工精度等方面入手，并在焊接前进行充分的分析和优化设计。
焊接结构的失效形式
焊接结构的失效形式焊接结构的失效形式有：脆性失效、塑性失效、疲劳失效、应力腐蚀失效等。
下面就常见的几种失效的特征及断口特点作具体分析。
一脆性失效：1 脆性失效的特征：脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效。
通过脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失。
脆性断裂在工程结构中是一种非常危险的破坏形式。
其特点是裂纹扩展迅速，能量消耗远小于韧性断裂，而且很少发现可见的塑性变形，断裂之前没有明显的征兆，而是突然发生。
脆性断裂断口表面发亮，呈颗粒状，属于平直类型，是在平面应变状态下发生的。
同时，脆性断裂是在低应力条件下发生的，因而这种断裂往往带来恶性事故和巨大损失。
2 脆性断裂断口的宏观分析：脆性断裂断口在宏观上有小刻面和放射状或人字花样两种形式。
脆性断口穿晶结晶面为解理面，在宏观上呈无规则取向。
将脆性断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征。
一般称这些表面发亮呈颗粒状的小平面为“小刻面”．即解理断口是由许多“小刻面”组成的。
因此，根据这个宏观形貌很容易判别解理断口；放射状或人字花样是脆性断口的另一个宏观形貌特征。
人字花样指向裂纹源，其反向即倒人字为裂纹扩展方向。
因此，可以根据人字花样的取向，很容易地判断裂纹扩展方向及裂纹源的位置。
另外，放射状花样的收敛处为裂纹源，其放射方向均为裂纹的扩展方向。
二塑性失效：1 塑性失效的特征：塑性断裂的特点是金属断裂时伴随有明显的塑性变形并消耗大量能量。
由于塑性断裂是在大量塑性变形后发生的，结构断裂后在受力方向上会留下较大的残余变形，在断口附近有肉眼可见的挠曲、变粗、缩颈等。
塑性变形常使容器直径增加和壁厚减薄。
在大多数材料中，拉伸塑性断口呈灰色纤维状，宏观上分为平直面和剪切面。
2垫性断裂断口的宏观分析：由于显微空洞的形成、长大和聚集，最后形成锯齿形纤维状断口。
这种断裂形式多属穿晶断裂，因此断口没有闪烁的金属光泽而是呈暗灰色。
焊接结构疲劳失效的产生原因与预防措施
ａｘ
ｌ 焊接结构疲劳失效的产生原因
焊缝结构在循环载荷 的作用下 ， 在应力最 大的晶粒
上很 可能形成微裂纹， 然后发展成为宏观裂纹 ， 接着宏 观
理论应力集中系数 的数值越 大， 明焊接结构 的应 说
・
６ ・ ５
力集中现象越严重 ， 对焊接结构 的影响越不利。 然而理论
０ 引言 焊接结构是一种联接各个部件既有效而又经济的连 接方式 ， 具有不 削弱构件截面 、 节省材料、 构造简单 、 易于 加工 、 连接密封性能好 、 刚度较大 、 便于采用 自动化生产等 优点 ， 因此焊接结构在国内外的航天航空、 铁道车辆 、 造船
业、 起重机 、 高层建筑 、 国防等制造领域得到了广泛应用。
由于热源及临近母材的膨胀和收缩受 到低温 区母材 的拘
焊接结构接头的焊缝 区域一般存在着诸如裂纹 、 夹 渣、 、 气孔 咬边和弧坑等焊接缺陷， 这些焊接缺陷是焊接结
构的固有特ｌ 生。这些焊接缺陷对接头的静力性能的影响
一
束作用抑制 ， 导致局部区域发生 了塑性变形 ， 最终在冷却
状态的焊缝接头区域形成独立于外部载荷的 自平衡力系。
影响焊接结构 残余 应力的因素很多， 主要包 图 焊接结构的横向残余应力分布 ３ 括母材加工过程 、 材料属性 、 结构的几何约束条件 、 制造工
序、 焊接顺序 、 焊后处理等 。 １母材在生产制造或加工过程 中， ） 例如铸造 、 锻造 、 轧
接制造过程 中， 在接头部位的焊缝 区、 焊缝和母材熔合 区 及热影响区中常常会出现各种焊接缺陷。按照缺陷所在 位置的不同， 将焊接缺陷分为面缺陷和体缺陷。在焊趾或
危害较为严重 。
焊接结构的疲劳破坏和脆性断裂
焊接结构的疲劳破坏和脆性断裂一、焊接结构的疲劳破坏大量统计资料表明，工程结构失效80%以上是由疲劳引起的。
美国商业部国家标准局向美国国会提出的研究报告，美国每年因断裂及防止断裂要付1190 亿美元的代价，相当国民经济总产值4 % ，而统计资料表明，绝大多数的断裂是由疲劳所引起的。
美国有几座桥梁的疲劳断裂纹发生在靠近焊缝端部的焊趾部位，如图2 一53 所示，在图示的裂纹部位有较高的应力集中。
在载荷作用下，腹板平面位移集中在一个比较狭窄而没有支撑的腹板高度上，也就是翼板至加强肋底部的腹板高度上（划阴影线区域），从而使该处腹板开裂。
疲劳定义为重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展，从而产生的结构部件的损伤。
疲劳断裂过程通常经历裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段。
‘一）疲劳断口的特征在进行疲劳断口的宏观分析时，一般把断口分成三个区，这三个区与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应，分别称为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时扩展区，如图2 一54 所示。
疲劳源区是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。
由于疲劳源区一般很小，所以宏观仁难以分辨疲劳源区的断面特征。
疲劳源一般总是发生在表面，但如果构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物等，也可在构件内部发生。
疲劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以上，对于低周疲劳，则于其应变幅值较大，断口上常有几个位于不同位置的疲劳源。
疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特征区域。
其宏观形貌特征常呈现为贝壳状或海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进，呈弧形线条，而且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。
其微观特征是疲劳裂纹，又称疲劳辉纹，每一贝壳花纹内有干万条。
它通常是明暗交替的有规则相互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载荷循环。
疲劳条纹的间距在 0.1- 0.4 Уm 之间一般来说，面心立方金属（如铝及铝合金、不锈钢）的疲劳条纹比较清晰、明显。
体心立方金属及密排六方结构金属的疲劳条纹远不如前者明显，如钢的疲劳条纹短而不连续，轮廓不明显。
焊接结构学
焊接结构学焊接作为一种重要的连接工艺，在制造业和工程领域得到了广泛应用。
焊接结构学的相关知识涵盖了焊接理论基础、焊接冶金与材料、焊接接头设计与优化、焊接制造工艺与设备、焊接结构的力学行为、焊接结构的无损检测与质量保证以及焊接结构的失效分析与预防等方面。
1.焊接理论基础焊接是通过加热或加压的方式将金属或其他材料连接在一起的过程。
焊接理论基础主要研究焊接的物理和化学过程，包括焊缝的形成机理、金属的加热和冷却原理等。
2.焊接冶金与材料焊接冶金涉及到金属熔化、凝固和结晶的过程，而焊接材料则包括母材、焊丝、焊剂等。
选择合适的焊接材料和冶金工艺对于保证焊接质量和可靠性至关重要。
3.焊接接头设计与优化焊接接头是焊接结构中的关键部分，其设计需考虑连接方式、强度和稳定性等因素。
优化焊接接头设计可以提高焊接结构的承载能力，避免应力集中和薄弱环节的产生。
4.焊接制造工艺与设备焊接制造工艺包括焊接电流、电压、速度等参数的设定，以及坡口制备、定位、施焊等步骤的实施。
焊接设备包括手工电弧焊机、气体保护焊机、激光焊机等。
选择适当的焊接工艺和设备对于提高焊接质量和效率至关重要。
5.焊接结构的力学行为焊接结构的力学行为涉及到变形、残余应力、疲劳强度等方面。
力学行为的研究有助于了解焊接结构的性能，并为结构设计和优化提供依据。
6.焊接结构的无损检测与质量保证无损检测方法如射线检测、超声波检测等可用于检测焊接结构中的缺陷和损伤。
质量保证措施包括工艺控制、质量检验等环节，以确保焊接结构的完整性和安全性。
7.焊接结构的失效分析与预防焊接结构在服役过程中可能出现失效情况，如腐蚀、磨损和变形等。
失效分析可以对失效原因进行诊断，提出预防措施，从而延长焊接结构的使用寿命。
总之，焊接结构学涉及多个领域和过程，从理论基础到失效分析，每个环节都关系到焊接结构的性能和可靠性。
不断深入研究和改进焊接技术，有助于提高制造产业的发展水平，为社会和经济发展带来更多机遇和价值。
焊接结构的断裂失效与防治
焊接结构脆性断裂的防治方法
1 降低结构局部区域的应力水平 ① 设计过程中的控制措施 ②制造工艺中的控制措施 ③消除焊接残余应力
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焊接结构脆性断裂的防治方法
2 减少结构缺陷 ① 合理设计 ② 优化制造工艺
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焊接结构脆性断裂的防治方法
3 改善材料的断裂韧性 ① 正确的设计选材 应采用“等韧性”或“等性能”原则，才 能保证 焊缝区不成为结构的薄弱环节， 以避免脆 性断裂。 ② 优化焊接工艺 ③ 合理制订、严格执行耐压试验规程
焊接结构断裂失效的分类及危害
疲劳断裂失效 金属材料及其结构因受交变载荷而
发生损坏或断裂的现象，称为 疲劳断裂。 疲劳断裂过程一般由三个阶段组成： ① 初始疲劳裂纹在应力集中区孕育、 萌生； ② 裂纹亚临界扩展或稳定扩展； ③ 失稳扩展，以至与断裂。
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焊接结构断裂失效的分类及危害
应力腐蚀断裂失效 腐蚀是材料与周围介质作
1.应力的影响 ① 增加拉伸应力会降低疲劳寿命，而增加压
缩应力则可提高疲劳强度。 ② 焊接残余应力会降低焊接接头的疲劳强度，
这时构件的平均应力随之提高，应力比增大， 裂纹扩展速率会增加。
2.接头形式及应力集中的影响 3.焊接缺陷的影响 4.热影响区金属性能变化的影响
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提高焊接结构疲劳强度的方法
防止和控制焊接结构产生应力腐蚀 的措施
2 防止和控制焊接结构产生应力腐蚀的措施 2.1 设计方面的控制 2.2 制造工艺过程中的控制 ① 焊接材料选择 ② 焊接工艺条件的控制 ③ 控制冷作变形
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焊接过程引起的两种脆化
装配式建筑施工中常见零部件质量问题解析
装配式建筑施工中常见零部件质量问题解析装配式建筑是一种新型的建筑方式，其以工厂化生产为基础，在现场进行拼装和安装。
相比传统施工方式，装配式建筑具有时间短、成本低、品质可控等优势。
然而，在实际的施工中，常常会出现一些零部件质量问题，影响着整体建筑的质量。
本文将从结构零部件和装饰零部件两个方面分析常见的质量问题，并提出解决方案。
一、结构零部件质量问题分析1. 螺栓连接失效螺栓连接是安装装配式建筑时常用的连接方式之一。
然而，在实际使用过程中，由于螺栓本身质量不达标或者安装不当导致的螺栓松动是常见的问题。
这会使得整个结构强度下降，引起安全隐患。
解决方案：首先，应选用符合国家标准的高品质螺栓，并确保正确选择大小规格；其次，在施工前要对螺栓进行充分的紧固检查，并在使用阶段定期检查和维护。
2. 钢结构焊接缺陷钢结构是装配式建筑中常见的结构形式，其连接方式主要是焊接。
然而，由于操作不规范或者焊接材料质量问题，往往会出现焊接缺陷，如焊缝裂纹、气孔等。
这些缺陷会严重影响结构的抗震和承载能力。
解决方案：在施工过程中应采取有效的焊接技术措施，如严格按照规范操作、选用符合标准的焊接材料，并定期进行质量检测和监督。
3. 钢梁变形失稳钢梁是装配式建筑中常用的承重元件，其变形失稳是造成结构异常变形甚至倒塌的主要原因之一。
这往往是由于设计计算不精准或者制造过程中控制不当导致的。
解决方案：在设计阶段，应充分考虑各种受力情况，并结合实际情况进行合理的材料选择和截面尺寸计算；在制造过程中，要保证加工精度和表面质量，并进行必要的预压处理。
二、装饰零部件质量问题分析1. 墙面开裂装饰零部件中的墙面是装配式建筑中重要的视觉元素之一，然而，由于外墙材料的不合理选择或者施工操作不当，往往会导致墙面开裂、脱落等问题。
解决方案：在选择外墙材料时要考虑其抗裂性和耐久性，并与生产商充分沟通；在施工过程中，要遵守相关规范进行操作，并采取适当的防水措施。
2. 地板失稳地板是人们日常活动的基础，其质量直接关系到居住舒适度和安全性。
失效分析流程图
研磨(2.1)
X-RAY(2.2)
化学(2.3)
试VR;TDS TRR测试仪测试TRR曲线状况。 2.1 研磨机采用快速固化剂将材料固化与此内，再用180、320、600目砂纸进行研磨，然后再用抛
纵/横切面 结深 结构 缺损 横截 面积
焊接偏位
焊接气 孔
晶粒位置
H2SO4 (2.3.1)
HF (2.3.2)
2.3 采用化学方式解剖分析材料可以逐步分析到每一工序之异常。 2.3.1 采用H2SO4每次倒200ml左右在烧杯中，再将烧杯放到功率400W的电炉上进行加热，加热到30
分钟就可以将不良材料投入去除黑胶，约2分钟即可。取出冲水后进行超声清洗，对烧结件 或焊接件采用30倍显微镜观察，并拍照留证 。
不良品分析报告
HNO3 (2.33)
光纸进行抛光使之更清晰，再用显微镜观察(15倍)数显微镜测试纵、横截面积及测量结深之
烧结件/焊接件 烧结件 气孔 缺角 气泡 焊接件 焊锡程 度 氧化 焊缝/空 洞 结构 晶粒 缺角 裂痕 烧毁 崩边
深度。 2.2 X-RAY了解到烧结件或焊接件之异常点，若详细观察内部结构还要采用 化学方式解剖分析。
结构烧结件焊接件晶粒缺损气孔焊锡程度氧化裂痕气泡烧毁结构不良品分析报告fa流程图及能力说明fa流程图外观观察1010对不良品外观进行检查采用2030倍显微镜观察电子数显卡尺对外观检测并对材料进行电性测试2020电性参数的不良分别进行常规电性测试及试验测试进一步确定不良状态与相同类型的材料做电性对比留样及库存材料收集各相关的实验资料tk168测试仪vrvfdvrirtrr4810示波器测试vrvf
FA流程图及能力说明
FA流程图 外观观察(1.0) 流程说明
常见焊接缺陷分析介绍
§淬硬脆化裂纹：主要是淬硬组织，在焊接应力作用下产生的裂纹。多产生于马氏体不锈 钢、工具钢的焊接。 §低塑性脆性裂纹：在较低温度下，由于被焊接材料的收缩应变超过了材料本身的塑性 储备而产生的裂纹。多产生于铸铁的焊接
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§产生原因主要有： §1.焊接电流太小，熔深浅；
§2.间隙尺寸不合理；
§3.钝边太大；
§防止措施主要有： §1.根据钝边大小，选择合适的焊接电流； §2.设计合理的钝边尺寸；
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35D臂基切片 未焊透
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成型不良
§产生原因主要有：
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§结晶裂纹
在结晶后期，由于低熔共晶形成的液态薄膜削弱了晶粒间的联结，在接应力作用下发 生开裂。
裂纹走向：沿奥氏体晶界
产生位置：焊缝上，少量在热影响区
§高温液化裂纹
在焊接热循环峰值温度的作用下，在热影响区和多层焊的层间发生重熔，在应力作用 下产生的裂纹。
裂纹走向：沿晶界开裂 产生位置：热影响区、多层焊的层间
§2. 焊接时手晃动或操作技能不熟练 。 §防止措施主要有： §1.提高焊接操作技能。
§2.焊接接头尽量避开拐角处，减少 应力集中。
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焊脚不对称
角焊缝与母材的焊脚之差超过一定的限度造成的缺陷（如下图）。
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§产生原因主要有：
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式的左边被称为能量的释放率(G)，。它表示裂纹扩展单位面积系统所释 放的弹性能，即单位裂纹表面积的弹性能。右边表示表面能的增加，它 被称为裂纹扩展阻力（ R ）。由此可知，裂纹要发生失稳扩展，G必须 至少等于 R 。如果 R 为常数，则意味着‘必须超过某一临界值（GC）。 因此，当 发生断裂。当G≥GC被称为裂 纹失稳扩展的能量准则，简称‘准则或‘判据。
cr
2E0 ( e p )
a
裂纹扩展必须满足Griffith-Orowan能量条件
cr
2 E0 ( e p ) 2E0 P a
该方法属于断裂力学的线弹性力学方法，包括金属 材料断裂的能量理论法和应力强度法。
金属材料断裂的能量理论法
格里菲斯取一块厚度为单位 l 的“无限”大平板为研究模型， 先使平板在无穷远处受到单向 均匀拉伸应力作用，如图 ，然 后将其两端固定，以杜绝外部 能源。设想在这块平板上中心 区域出现一个垂直于拉应力， 方向长度为 2a 穿透板厚的裂 纹。切开裂纹后，平板内贮存 的弹性应变能将有一部分被释 放出来，其释放量设为 U 。又 由于裂纹出现后有新的表面形 成，要吸收能量，设其值为 W ，则其能量的总改变量 E 。
（1）按照止裂原则，当所设计的结构在可能出现的最低温度下工作时，必须 能阻止脆性裂纹的自由扩展。根据这一要求，设计者可以用阻止脆性裂纹扩展 的相应 临界转变温度来选择合适的结构材料。 通常能够发生止裂的条件是裂纹起源于局部脆化区内，而且处于较高的应 力场中。当裂纹扩展进入韧性区和较低应力场中时，已经裂开的裂纹长度如果 小于新区域中裂纹失稳断裂的临界长度，则裂纹将受到阻止。
（2）对于只承受静载或压力变化缓慢的焊接压力容器和其他结构，一般适 用开裂原则是只要结构能防止裂纹发生，即可认为结构不会脆断，整个设备 是安全可靠的。由于影响材料脆性开裂的因素十分复杂，多年来选择钢材和 制造工艺都以经验为主。
3.防止结构脆断的试验研究方法
冲击试验 落锤试验 逻伯逊试验和 Esso ( soD ）试验 Wells宽板试验
15.2金属材料和焊接结构断裂评定方法 15.2.1转变温度法
1.临界转变温度和判据
温度对脆性断裂有重要影响，高加载速度相当于降低转 变温度，低温下的缺口、大厚度、焊接缺陷、残余应力对脆 断有明显影响。 为防止脆断，在采用各种预制缺口、不同温度下对不同尺 寸的构件进行试验得到不同的转变温度。
2.防止裂纹发生和阻止裂纹扩展的原则
焊接结构设计 第十五章焊接结构脆性断裂
授课教师：侯军才
15.1.2影响金属材料断裂的主要因素
1.应力状态的影响
实验证明，许多材料处于单轴或双 轴拉伸应力下，呈现塑性，当处于 三轴拉伸应力下，因不易发生塑性 变形，呈现脆 性。
2.温度的影响
对于一定的加载方式（应力状态）， 当温度降至某一临界值时，将出现 由延性到脆性断裂的转变，这个温 度称之为韧脆转变温度。转变温度 随最大切应力与最大正应力之比值 的降低而提高。带缺口的试样的比 值比光滑试样低，拉伸试样的比值 比扭转试样低，因此转变温度前者 比后者高。 由于解理断裂通常发生在体心立方 和密集六方点阵的金属和合金中， 只在特殊情况下，如应力腐蚀条件 下，才在面心立方点阵金属中发生， 因此面心立方点阵金属（如奥氏体 不锈钢），可以在很低温度下工作 而不发生脆性断裂。
a 2
E
2 P
EC U W
cr
2 E0 e a
应当指出，格里菲斯是根据玻璃、陶瓷等脆性材料推导能最公式的。 在金属材料中，当裂纹扩展时，裂纹前端局部区域要发生一定的塑 性变形，裂纹尖端也因期性变形而钝化，此时格里菲斯理论失效。 X 射线分析证实了金属断裂表面有塑性变形的薄层。根据试骏结果， p e 塑性变形能 比 大得多，因此 可忽略不计，此时修正后的 e 金属材料中裂纹扩展的临界条件可写成
15.2.2断裂力学方法
一、线弹性力学评价法
1.断裂韧度判据
工程上的断裂事故，总是从存在的宏观缺欠或裂纹为 “源”而开始的。在这样的研究基础上新兴了一门学 科“断裂力学”。材料中存在的裂纹或缺欠，是否能 扩展，扩展有多快，以及断裂强度下降有多快，研究 其估算方法并进行估算，就成为断裂力学的任务。不 同材料对裂纹的扩展具有不同的阻力，从而提出了断 裂韧度的概念。金属断裂有延性断裂与脆性断裂之分。 断裂可以分为三个阶段：裂纹形核、裂纹扩展、断裂。
4.组织状态的影响
化学成分的影响
金属材料（特别是钢）除了基本成分外，还含有各种合金元素、杂 质、气体和夹杂物，这些对金属材料的性能和断裂都产生重大影响。 钢中所含气体主要是氢、氮和氧，它们对钢的性能都是有害的。 氢：氢能使钢中产生白点，造成氢脆。材料强度越高，结构尺寸越大， 则氢的危害性也越严重。 氮：钢中的氮能使钢材丧失塑性。 硫：除了氧的夹杂物而外，硫化物也是一种很有害的夹杂物。 MnS 通 常会使热轧钢板的横向塑性降低，使钢板不适于制造焊接结构。 夹杂物：一般钢中的夹杂物都是脆性相，夹杂物的含量越多，则钢的塑 性越差。
3.加载速度的影响
提高加裁速度能促使材料脆性 破坏，其作用相当于降低温度。 原因是钢的剪切屈服限不仅取 决于温度，而且取决于加载速 率，或者说还取决于应变速率。 在同样的加载速率下，结构试 样有缺口时，此时有应力集中 的影响，应变速率会加倍增加。 应变速率比无缺口结构高的多， 从而大大降低了材料的局部塑 性，这也说明了为什么结构钢 一旦开始脆性断裂，就很容易 产生扩展现象。韧脆转变温度 与应变速率的关系如图 15 一 5 所示。
组织和状态
组织和状态金属材料（特别是钢）的组织和状态对材料的性能有重 大影响。 实验证明，金属材料晶粒度的增大能使其脆性解理断裂的危险性增 加。目前大量应用的结构钢，在一般条件下可以证明其断裂强度决定于 晶粒大小。
板厚影响
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
断裂力学的研究表明，加大板厚将使其塑性约束加大， 断裂将从塑性向脆性转变，并由平面应力状态向平面应 变状态转变。