标准规范下载简介

07. 学钢结构现场制造就这么简单.pdf

11.1.1焊接应力的特点

前面我们提到物体在受到外力的作用（或加热作用）发生变形的同时， 在其内部会出现一种抵抗变形的力，即内力（图11.1），而单位截面积上的 内力就叫做应力（图11.2）。 当没有外力作用时，物体内部仍然存在的应力叫做内应力。焊接应力 属于内应力，是由于焊接的热作用，在结构焊接接头区域形成的局部内应 力，它有如下的特点： （1）自平衡性。 （2）方向复杂。 （3）难于精确测量。 内应力按其作用的时间可分为瞬时应力和残余应力。瞬时应力是跟随 着焊接过程而随时变化的，因整体构件的焊接有先有后，构件受热是不均 匀的，膨胀变形和收缩变形也不一致，以及受热后金属内部组织的转变引 起的体积变化、整体构件的刚性约束等都导致金属内部产生内应力，这些 都是瞬时应力。而当构件温度恢复到常温后，构件中仍然存在有应力，这 种应力就称为残余应力。 综上所述，在钢结构的焊接生产中，焊接瞬时应力、焊接残余应力 和焊接变形是不可避免的。而焊接残余应力，往往是造成裂纹破坏的直 接原因，同时也降低了结构的承载能力和使用寿命。焊接后产生的焊接 变形，会造成构件尺寸、形状的变化，给正常的生产带来一定的困难

11.1.2产生焊接残余应力的原因

以低碳钢为例，我们看一下随着温度的升高低碳钢屈服强度的至 热时，特别是在300℃以上时，其屈服强度迅速降低。当温度达到 时，屈服强度便接近于零，如图11.3所示。

下游土石围堰大坝下游围堰工程施工组织设计第11章焊接应力与焊接接头的脆性断裂

图11.1内力的定义

图11.2应力的定义

11.1焊接应力273

111.3低碳钢屈服强度与温度的关系

焊接过程中加热是不均匀的，在高温时，金属在屈服点为零的情况下 处于自由变形状态。当焊接热源移开后，金属逐渐冷却恢复强度时，其收 宿变形文受到周围金属（即构件整体刚性）的限制，同时组织转变过程中 又发生着体积缩小变化，从而产生了焊接残余应力。 构件在焊接状况下，主要存在以下儿种应力。 （1）温度应力。温度应力又称为热应力，它是由于金属不均匀受热： 各处变形不一致且又相互约束而产生的应力。焊接过程中温度应力是不断 变化的，峰值一般都能达到屈服点，所以必然会发生塑性变形，也必然会 有残余应力产生。 （2）组织应力。焊接过程中，金属组织进行相变时，将产生体积变化 这主要是由于组织具有不同的物理性能（表11.1），当焊缝金属从高温冷 却，奥氏体分解产生铁素体、珠光体、马氏体等，转变后的这些组织都具 有较奥氏体小的线胀系数。由于奥氏体分解产生其他组织收缩时，并不是 在自由状态下进行，而是受到周围金属的约束作用，结果就产生了应力。 对于低碳钢和一些低合金高强度钢焊后冷却时，奥氏体分解为珠光体 和贝氏体时的温度较高（低碳钢的相变点为723℃），此时金属有较好的塑 生，奥氏体转变时产生的体积变化阻力就很小，因此不会造成很大的应力。 而对中碳钢和有萍硬倾向较大的合金钢，情况就不同了。这些钢是在焊后 冷却至200～300℃时，奥氏体才逐渐转变为马氏体。这时钢的屈服点很高，

274第11章焊接应力与焊接接头的脆

塑性很差，马氏体转变时的体积变化受到周围金属的阻碍，会 组织应力，这是焊接残余应力的另一种主要形式。

表11.1钢中组织的物理性能

（3）氢致应力。焊接过程中，扩散氢聚集在显微缺陷处而引起的应 力，称为氢致应力。氢致应力是导致焊缝冷裂纹产生的重要因素之一。 （4）拘束应力。钢结构往往是在拘束条件下进行焊接的。造成拘束状 态的因素有结构的刚度、自重、焊缝的位置以及所使用的工、卡具夹持的 松紧程度等。 上述几种残余应力对结构的承载能力以及构件加工尺寸的精确度，不 可避免地会产生影响。对于用塑性较好的钢材制造的结构，由于其材料本 身能产生足够的变形来基本消除残余应力的影响，所以，对整个结构的承 载能力没有太大的影响。但是当材料的塑性较差或处于脆性状态时，则可 能会发生局部开裂并迅速延伸，从而导致结构的破坏。高温状态下工作的 焊接结构，如锅炉、高温容器、高温管道等，残余应力还会加快金属的蠕 变过程。当焊接结构部件进行机械加工时，由于切削的部分破坏了原来 构件中的应力平衡，应力重新分布会产生一定的变形，这也会影响加工 的精度。

11.1.3控制焊接残余应力的措施与方法

焊接残余应力的控制可以从设计和工艺两个方面考虑（图11.4）。设 计方面，主要是在满足接头强度的前提下，尽量减少焊缝的数量和尺寸， 合理地选择接头形式（即坡口形式），将焊缝分布在最大应力区域之外等。 在工艺技术方面可以采取以下防止措施及方法

11.1焊接应力275

图11.4控制焊接残余应力的措施与方法

1.选择合理的装配、焊接顺序 装配时，要考虑到让焊缝能自由的收缩，以减少结构的拘束度。从而 降低焊接后的残余应力。例如，钢平台是由2个H型钢和若干零部件组合 装配而成的，我们可以采取下列措施： （第一步）对1#、2H型钢先行进行组对、焊接，并矫正合格；（第 二步）再进行组合装配成整体钢平台。然后再进行整体焊接（由于1#、2"H 型钢已经焊接并矫正完成，焊接残余应力只存在于1"、2型钢的内部）， 就能较好地解决钢平台中焊接残余应力过大的问题（图11.5）。再比如， 大型储罐的罐底是由若于块钢板拼接而成，装配、焊接时，要从中间向四

第11章焊接应力与焊接接头的脆性断

图11.5钢平台的组对、装配顺序示意

厅，并应先焊短缝，后焊直通焊缝（直通缝还可采取跳焊的方式 最大限度地让焊缝收缩，以减少焊接残余应力

2.选择适当的焊接参数 对于重要的、较薄的结构，焊接时应尽量采用较小的焊接电 焊件的受热量，也可以减小焊接残余应力，

2．选择适当的焊接参数

冷焊法就是在焊接过程中尽量使整个结构上的温度均匀，这就要求焊 接部位的温度控制要低些（小电流），结构的整体温度要高些（比如预热）。 采用这种工艺方法，能有效地控制由应力引起的裂纹。 冷焊法操作工艺的要点是： （1）采用较小的焊接电流和焊条直径。 （2）采用多层多道焊，且每道焊缝焊完后，待温度降到不烫手时再焊 下一道。 （3）在每道焊缝完成冷却的过程中，采用锤击焊缝的方法，使焊缝局 部产生延展变形来抵消焊缝部分的收缩变形，从而降低焊缝的残余应力。 （4）待全部焊接完成后，采取将焊缝区域覆盖石棉被或白石灰等保温 的措施，以减缓降温速度。 以上几种冷焊法的操作工艺常常用于缸体等铸铁、铸钢件的补焊操作 效果很好。

反变形法实际上就是通过预先留出焊缝能够自由收缩的余量来降低焊 接的残余应力。例如，在把壳体上原有的孔、洞封闭焊接起来时，由于周 围钢板的拘束度很大，将产生的焊接残余应力也会很大，很可能导致焊缝 裂纹的产生。这时，即可采用反变形措施，如图11.6所示，将板材在焊接 前进行反向的弯曲变形，就可以很好地控制焊接残余应力。 控制焊接残余应力方面还有一些其他的方法，如整体预热法、脉冲振 法等。在实际生产中，应根据具体的生产条件，因地制宜地选择合适的 方法来控制焊接残余应力和焊接残余变形

11.1 焊接应力277

图11.6反变形法消除焊接残余应力

11.1.4消除焊接残余应力的措施与方法

焊接残余应力的影响是在一定条件下才能表现出来，因此，是否需要 进行消除焊接残余应力的处理，应根据设计要求决定。 常用的消除焊接残余应力的方法是采用焊后热处理即消除应力热处理， 将焊件的整体或局部加热到高温回火温度，保温一段时间后再缓慢冷却。是 通过加热使金属材料在高温状态下的屈服点降低，比较容易产生塑性变形， 从而使焊接应力得到释放或分布均匀，使应力集中现象得以缓解。消除应力 热处理分为整体消除应力热处理和局部消除应力热处理两种。 整体消除应力热处理又称为整体高温回火处理，是将焊件整体放入加 热炉中，并缓慢加热至一定温度，保温一段时间后再缓慢冷却，如Q345R 钢，加热到600~650℃温度范围内，保温一段时间（一般按钢板每25mm 享保温1h计算，且不少于1h），然后随炉缓冷。整体高温回火消除焊接残 余应力的效果最好，可消除80%～90%的残余应力，在实际生产中得到了 广泛的应用。 局部消除应力热处理义称为局部高温回火处理，一般用于大型钢结构 高部消除应力热处理在有关的技术条件，规程、规范、标准中都做出了明 确规定，这里就不详述了。 局部消除应力热处理的加热方式，一般最常用的是远红外加热方式， 可采用计算机控制，控温效果好，加热部件可制成履带式、绳状等，是 种理想的加热方式。 焊接残余应力的消除方法还有整体加载法、拉伸法、振动法等，在生 产中应根据结构的特点及要求进行选择，以获得最好的效果及效益。

278第11章焊接应力与焊接接头的

11.2焊接接头的脆性断裂

11.2.1产生脆性断裂的主要原因

焊接结构的破坏事故，其破环的特征是典型的低应力状态下发生的脆 生断裂。断裂时只伴有很小的塑性变形。焊接缺陷和应力集中常是断裂产 主的主要原因。低温也是促进脆性断裂的因素。焊接热循环作用常导致脆 生转变温度的升高。 脆性断裂是一种低应力破坏形式，产生的原因有很多，主要有以下三 个方面。 1.焊接结构存在裂纹等缺陷 断裂是从缺陷处开始的，因为缺陷处不仅会造成应力集中，而且，缺 还降低了材料的塑性，形成脆断的裂源。常见的缺陷有裂纹、未溶合和 未焊透等，值得提出的是，裂纹又是缺陷中最危险的缺陷，这些缺陷都是 在焊接操作的过程中产生的，完全避免还是比较困难的（图11.7）。

图11.7焊缝中的裂纹缺陷

2.材料的韧性不足 由手材料的韧性低，造成在缺口尖端处材料的微观塑性变形能力差 因此，材料随着温度的降低，其韧性也急剧下降，而此时的低应力破坏 股是在较低的温度下才产生的。脆性断裂多发生在焊接区域附近，焊缝和 热影响区的韧性不足，往往是造成低应力破坏的主要原因，

11.2焊接接头的脆性断裂279

外，还必须考虑焊接残余应力、应力集中程度和附加应力的作用

11.2.2冷脆性转变温度

11.2.3焊接因素对缺口脆性的影响

图11.9不同的焊条类型的熔敷 金属冷脆性转变温度

第11章焊接应力与焊接接头的脆性

图11.8冷脆性转变温度的幅度

1.焊条类型 焊条的药皮类型对焊接熔 敷金属的冷脆性转变温度有直 接影响。低氢型焊条的熔敷金 属的冷脆性转变温度比酸性药 皮焊条要低得多（图11.9）。而 钛型药皮的焊条冷脆性转变温 度比其他型的焊条要高。

2.熔敷金属（焊条或焊丝） 低碳钢和低合金钢焊接时，所采用焊条的熔敷金属中含碳量很低，其 缺口韧性往往比母材要好。而对强度超过600MPa的低合金高强度钢施焊 时，广泛采用含Mo量在0.4%～0.6%的焊条或焊丝（Mo元素可改善钢材 的性能）。焊后一般是采用高温回火消除焊接应力。

如图11.10所示，距离焊缝0～10mm的母材边缘区域称为焊接热影响 区（或热影响区）。在结构钢的焊接中，焊接热影响区缺口脆性的转变很复 杂。在距离焊缝3~5mm区域的母材被加热至600~400℃时，便产生脆化 的组织。例如，采用焊条电弧焊，焊接板厚S=20mm的低碳钢焊缝时，这 种脆化区域距离焊缝5～10mm。但在采用理弧自动焊焊接时，脆化区域则 出现在2～3mm的区段中。可这些区域一般不存在宏观形状上的缺口，因 比，以往所发生的脆性破坏事故的起始点一般都不在这个地方。但是，这 个区域内如果有电弧擦伤或其他人为的划伤痕迹时（比如球壳板边缘的吊 装卡痕），就有引起脆性破环的危险。焊缝与母材的边界，由于不可避免地 存在着宏观形状上的咬边、缺肉等焊接缺陷，从缺口脆性的观点来看，这 个部位是相当危险的，往往是脆性破坏事故的起始点，

图11.10热影响区的位置

施焊时，热影响区的硬化程度和熔深，取决于所采用的焊接规范。可 焊接规范对焊接接头的韧性起着极大的作用

11.2焊接接头的脆性断裂281

在焊接低碳钢时，增加焊接电流，可使冷却速度减慢，从而减小热影 响区的硬化程度，这有利于提高焊接接头的韧性，采用埋弧自动焊就是 个有效的办法。 在焊接低合金高强度钢时，不宜采用短、小的焊缝，即使是点固焊缝，也 会因冷却速度快而引起热影响区剧烈的硬化，结果使该处的缺口韧性降低。

虽然预热的温度不高（100～200℃），但也能使热影响区的破 防止裂纹的发生。所以，预热对焊接接头提高韧性具有很好的价 氏碳钢或低合金高强度钢，焊后为消除应力而采取的高温回火处 25℃），能使热影响区恢复韧性，并且能使焊缝金属中的氢逸出 焊接接头的性能

低碳钢或低合金高强度钢，焊后为消除应力而采取的高温回火处理（565～ 625℃），能使热影响区恢复韧性，并且能使焊缝金属中的氢逸出，从而改 善焊接接头的性能， 6.时效 焊接接头经过时效后，其韧性逐渐增加。比如采用酸性焊条，则在焊 后几天内，缺口韧性就具有明显改善。这是因为焊接熔敷金属和热影响区 的扩散氢逐渐逸出。试验证明，焊后经三周时效后，试样缺口韧性可恢复 至正常状态。在100℃温度下，进行16h的人工时效处理，也可以得到同样 的焊缝韧性。而采用低氢型焊条焊接，经时效后，试验表明焊缝韧性没有 显著变化。 7.其他 一般焊接结构中的残余应力，未到达钢材极限强度之前，不可能使焊 接接头产生脆性破坏。但是，残余应力中如有应力集中的缺口（如焊接缺 陷），或者环境温度低于结构钢材的脆性裂纹扩展停止温度，将有可能产生 脆性破坏。 根据试验表明，低碳钢和高强度钢的残余应力，可将裂纹发生的临界 温度提高50~70℃。 焊接接头如有鱼变形（即两块板宽度不一致）或钢板高低不平（错边） 由于局部弯曲应力的叠加，很容易产生脆性断裂。 低碳钢和低合金高强度钢，在采用自动气割时，边缘上一般无缺口， 可以说是非常可靠的。如果采用手工气割时，假如气割面上存在严重的凹 凸不平，则由于缺口效应，往往会使缺口韧性降低很多，因此，必须再采 用机械的方法（如磨光）进行加工处理。

第11章焊接应力与焊接接头的脆性断

从治金方面来说，对缺口脆性产生影响的因素有：炼钢方式、化学成 分、钢板的轧制方向、冷加工时效等。 （1）炼钢脱氧方式。随脱氧程度的提高，钢材的缺口韧性也能得到改 善。就是说，半镇静钢的冷脆性转变温度要低于沸腾钢，镇静钢的冷脆性 传变温度更低。 （2）细化晶粒。钢材经正火处理后，内部结晶可得到细化，钢材缺口 韧性得到改善。 （3）化学成分。为了提高钢材的缺口韧性，降低冷脆性转变温度，应 尽量减少钢中的含碳量，增加含锰量。随着Mn/C比的增加，冷脆性转变 温度将会降低。 （4）轧制。试验表明，低碳钢板的热轧工作结束于830～930℃温度范 围内时，其冷脆性转变温度儿乎不受影响。但温度在1000℃以上时，其冷 脆性转变温度就将显著提高。因此，在轧制结束时应采用较低的温度，但 温度过低时，也会产生冷加工硬化现象，而使缺口韧性受到损失。故选择 900℃左右的温度结束轧制较为合适 （5）钢板的轧制方向。钢材组织中，都不同程度地存在不纯物质或偏 所，是以纤维状态存在的，由于在轧制碾压过程中，对钢材三个方向的作 用略有差异，故具有方向性特征，如图11.11所示。

图11.11轧制钢板的方向性

11.2焊接接头的脆性断裂28.3

钢板的轧制方向，对对接焊缝没有明显区别，但对角焊缝，焊缝金属 与母材交界处往往有剥离现象（厚板的焊接处容易出现），这要在今后的工 乍中加以注意（比如加强预热管理、按规范焊接，等等）。 焊接30mm以上厚板的钢结构，为防止在厚度方向出现层状撕裂，宜 采取以下措施： ①将易发生层状撕裂部位的接头设计成约束度小、能减小层状撕裂的 构造形式（图11.12）。

图11.12钢板厚度方向焊接措施

②焊接前，对母材焊道中心线两侧各2倍板厚加30mm区域内进行超 声波探伤检查，母材中不得有裂纹、夹层及分层等缺陷存在。 ③严格控制焊接顺序，尽可能减小垂直于板面方向的约束。 ④）根据母材的Ceg（碳当量）和Pcm（焊接裂纹敏感性系数）值选择正 角的预热温度和必要的后热处理。 ③采用低氢型焊条施焊，必要时可采用超低氢型焊条，在满足设计强 度要求的前提下，采用屈服强度较低的焊条。 （6）冷加工时效（用翼缘矫正机矫正H型钢、滚板机滚圆等均为冷加 工）。低碳钢经冷加工时效后，会明显失去缺口韧性。对锅炉钢板试验表明 文进行1%的冷加工，也会使冷脆性转变温度升高。经10%冷加工，冷脆性 转变温度约升高60℃。

第11章焊接应力与焊接接头的脆性断

1.2.5焊缝的韧性控制

为防止钢结构的脆性断裂，除选择采用合格的钢材外，更重要的则是控制 接头具有良好的韧性，以保证有较好的断裂韧性水平。在合理选择焊材、 方法的前提下，必须严格地控制焊接工艺，以防止焊接接头的脆化 1.焊接接头脆性的一般特征 由于焊接接头区域不同部位的组织各不相同，反应在韧性上也有明显 别。试验表明：在整个焊接接头中，焊缝金属和热影响区的韧性最低。 热影响区是容易出现缺陷（如咬边、裂纹、错边）的部位，同时也是 力应变集中的部位，因而热影响区常常成为脆性断裂的起源点。显然 提高焊接接头的韧性是非常重要的

为防止钢结构的脆性断裂，除选择采用合格的钢材外，更重要的则是控制 焊接接头具有良好的韧性，以保证有较好的断裂韧性水平。在合理选择焊材、 焊接方法的前提下，必须严格地控制焊接工艺，以防止焊接接头的脆化

2. 热影响区或近缝区的韧性

焊接接头脆性断裂的裂纹起因，一般由以下儿种因素引起： （1）存在焊接缺陷（如咬边、裂纹、未熔透）。 （2）存在残余应力及拘束应力。 （3）由焊缝外形引起的应力集中等。 （4）焊接热循环的作用导致材料的脆化。 由于热影响区的钢材往往脆化严重，并且应力常与焊缝轴线接近垂直， 热影响区的止裂性能又很差，因而裂纹很容易沿热影响区扩展。如果焊缝 勺韧性也很差，裂纹就有从热影响区向焊缝区一母材扩展的现象。这说明 日于热影响区的脆化，即使母材本身具有很高的韧性，也无实际意义，裂 文总是在脆化严重的部位中产生并向周围扩展直至脆性断裂。由此可知， 空制和减少热影响区的脆化是士分必要的

3. 影响热影响区韧性的因素

热影响区韧性的高低，关键在于焊接时所发生的组织变化 （1）母材化学成分的影响。母材的化学成分不同，在韧性的表现上也 会有所差别。 含碳量对热影响区韧性的影响较大，含碳量高时，母材本身的韧性就 比较低，热影响区的韧性则更差。其他化学成分对热影响区韧性的影响比 较复杂，它是通过组织的变化而影响到性能的。不同成分的钢在同样的条 件下，可以获得不同的组织，并且，在主要合金元素相同的条件下，含有

11.2焊接接头的脆性断裂285

不同类型和不同数量的杂质时，热影响区的韧性也会有所差别。例如，增 加硫、磷均能降低焊缝区的韧性，特别是在大线能量焊接时，其中磷> 0.013%时韧性就会急剧下降，如图11.13所示

图11.13硫、磷对热影响区韧性的影响示意

Q=601U/V 式中，Q焊接线能量，J/cm; F 焊接电流，A：

U一电弧电压，V； V一焊接速度，cm/min。 从公式中可以看出，焊接线能量O与焊接电流I、电弧电压U成正相 关关系，I、U越大，O也越大，而与焊接速度V成反相关关系，V越大， Q反而越小。 总之，调整焊接热循环以控制合适的组织，是保证热影响区韧性的重 要条件之一。应严禁采用大的线能量，以防止在热影响区形成粗大的铁素 本或硬脆的李晶马氏体组织。 （3）焊后回火处理的影响。采用高温回火热处理，对焊缝区不一定都 有益处。这主要是和母材所含化学成分的特点及回火处理条件（温度和时 间）有关。回火处理过程中，除了组织会发生变化外，还会产生应力松弛 现象，这都会给钢材的性能带来影响。当回火热处理参数选择不适当时， 不仅会对性能产生不良影响，还会引起再热裂纹

焊缝金属的韧性取决于组织状态，而组织状态又受到一系列因素的影 问，首先是焊缝的化学成分，其次是焊接工艺及冷却条件。焊缝的化学成 分不仅决定于焊接材料，也受母材熔合比的影响，因而也与焊接工艺条件 有一定的联系，此外，焊后热处理也对焊缝组织和性能产生显著的影响。 以下是实际工作中主要的控制关键点。 （1）焊缝组织的影响。首先是焊缝凝固过程刚结束时的凝固组织，其 次是冷却过程中再次相变形成的组织，然后是相邻的后一道焊缝的热循环 作用下发生的组织变化，最后则是焊后热处理（如焊后要求热处理）确定 下来的组织。 焊缝金属的主要特点是，对焊缝焊后一般不进行再加工，而为铸态组 织，所以，凝固后组织的性能对焊缝的性能影响最大。对焊缝金属铸态组 织结构、晶粒度进行控制，比如细化晶粒等，可以显著改善焊缝的韧性。 焊接线能量的增大，不仪使熔池金属过热，促使晶粒粗大化，并且还 降低了焊缝冷却速度从而形成高温相变产物（粗大铁素体或魏氏体组织）， 这些都不利于焊缝韧性。 在立焊或仰焊时，焊缝韧性通常比平焊时要好得多，其原因是焊接线 能量较小，即焊接熔池的尺寸较小，因而熔池的过热大为减轻，使焊缝组 织比较微细

（2）焊后热处理的影响。焊后正火或调质能改善焊缝的韧性 （3）焊缝金属与母材的适应性。按传统的观念认为，焊缝的强度 般均要求超过母材的强度。即等强度原则。但焊缝金属的强度高了，其韧 生往往就低，甚至低于母材的韧性水平。即使是低强度钢，在采用大线能 量的焊接方法（如大电流焊接、电渣焊、埋弧自动焊等）时，焊缝金属的 韧性水平也常容易低于母材。要使焊缝金属与母材等韧性，往往是比较床 难的。随看高强度钢和超高强度钢的发展，等韧性的重要性就更显得突出 对于低强度钢（如碳素钢），无论是母材或焊缝，都有较高的韧性储备。 所以，如按等强度原则选用焊接材料，既可保证焊缝有较高的强度，韧性 也能满足使用要求。但对低合金高强度钢，特别是超高强度钢，焊缝的韧 生储备是不高的。此时，如仍按焊缝与母材的等强度的原则选择焊接材料， 焊缝的固态韧性水平就有可能低到安全线以下，这是极不安全的因素。 实践表明，不管焊接接头各部位的韧性水平如何。如果产生裂纹，它 必然先发生在某些缺口部位，即使这个缺口位手韧性最好的部位。但裂纹 随后的扩展，则是常沿着缺口韧性最差的部位进行。当然，局部应力状态 对裂纹的扩展所选择的途径也是有影响的，从这一点考虑，我们总希望焊 接接头最薄弱的部位也具有足够的韧性储备。 一些试验数据证明，只要焊缝金属的强度不低于母材强度的80%，即 可保证接头与母材等强。不过，低强度焊缝的接头，其伸长率要低一些。 因此，对低强度焊缝的应用，应结合具体条件而确定

11.2.6焊缝裂纹扩展在工程中的实例展示

在工业厂房结构中，支撑体系起着稳定主体结构的决定性作用。如果 支撑体系失效，将可能会造成整个厂房结构倒塌的危险，所以，对支撑体 系的制作要格外注意。 【例11.1】图11.14中箭头所指位置为裂纹极易发生部位，其裂纹形 成机理如下。 （1）施工人员在开插板槽时一般都将槽开大一些，这样在组对装配插 板时操作比较容易（图11.15），但图样中没有要求此处留有间隙（注：图 中是留有间隙的），那我们就得将此处间隙进行焊接封堵

图11.15插板槽开口

（2）由于此处的间隙较大（一般都有5～10mm，甚至更多），本身不 太好焊，而且焊工在焊接时也只注意将两边的主焊缝焊好，不重视此处的 悍接质量，马马虎虎地将此处先点焊（或塞些钢筋再点焊），然后再在表面 盖一遍，这样造成此处的焊缝内部存在大量的孔隙、龟裂等焊接缺陷。 （3）此处存在严重焊接缺陷的焊缝，一且支撑体系受到力的作用，首 先是在此处产生裂纹（有时在未受力时就已存在裂纹），并逐渐延伸、扩展 至整条焊缝，造成十字支撑的失效。 （4）假如整体结构所有的支撑都使用这种方法制作，文假如有50%的 支撑发生以上所说的十字支撑失效的情况，可想而知，对于整体结构的稳 定性而言，是存在极大的、倒塌性危险的 解决方案：对此处我们要么就不进行焊接（图11.14），要么就认真装 配，不留间隙或最多留2～3mm间隙，以利于焊接。对此处的焊接还要采 取围焊的方法进行处理，

【例11.2】图11.16所示为某工程制作十字支撑无缝钢管对接接头的 实际做法。操作步骤如下。 （1）利用同管径的剩余管头，按每个30mm左右的长度切割成管环， 再将管环切掉30～50mm进行缩径，使小圆环的外径与对接钢管的内径相 匹配，成为钢管对接接头的内衬垫板（图11.17、图11.18）

图11.17圆管中的内衬垫板

图11.16不正确的圆管对接接头

图11.18圆管对接接头外观

（2）从图11.16中可以看出，对接接头处钢管未开坡口，只留有6～ 8mm的间隙进行焊接。使用4～5mm的焊条能插入到6～8mm的间隙中进 行焊接。所以，该工程就采用了该种做法。 （3）该种做法本身就存在着原则性的错误，6～8mm的间隙，用4~ 5mm的焊条焊接，其中局部某些部位也只能剩1~2mm的余量或更少，没 有焊条焊接时需要摆动的余量，那么焊缝的根部就根本焊不到，焊工只能 马马虎虎地将焊缝填满，故其根部和两边也必然要留下许多未熔合的焊缝。 更有甚者，由于没有探伤要求，有些焊工就偷偷地将钢筋塞入焊缝，而只 在表面盖了薄薄的一层焊肉。

假如所有的支撑体系的钢管对接接头都使用这种方法制作，那整体结 构的后果就可想而知了。 解决方案如下： （1）必须将对接接头处开35°～45°坡口，留2mm间隙、2mm钝边 如图11.19所示。 （2）在施工工艺中要求此处焊缝进行超声波探伤。

图11.19正确的圆管对接接头

11.2焊接接头的脆性断裂291

大风等）势必有可能会造成结构的整体性跨塌的重大安全事故。 我们大都有这样的经验，去布店买布，营业员用剪刀先把布匹边剪开 个小口，然后用双手很轻松地就将布匹撕开了。我们的衣服上不小心划 开了一个小洞，如果不及时补上，那这件衣服肯定就先从这个小口开始逐 新坏掉。钢结构也是一样，如果我们给整个钢结构，内部与外部或多或少 地留下大大小小的缺口，就如同上面所说的布匹上的小口和衣服上的小洞 一样，那这个钢结构的质量能行吗？安全能够得到保障吗？使用时间能够 长久吗？ 今后在工程中，我们一定要自觉遵守焊接纪律，严格按照焊接工艺过 程卡（或焊接工艺评定）、焊接规范等指导性文件进行焊接操作，只有这样 才能使我们的工程质量达到要求，不给工程留下缺陷和隐患。目前我国对 工程质量实行的是终身负责制，不要因为我们一时的疏忽，造成较为严重 的不良后果。

第11章焊接应力与焊接接头的脆性断裂

1.荷载一一施加在结构上的集中力或分布力。或习惯上指施加在工程结构上使工 程结构或构件产生效应的各种直接作用，常见的有：结构自重、楼面活荷载、屋面活 荷载、屋面积灰荷载、车辆荷载、吊车荷载、设备动力荷载以及风、雪、波浪等自然 荷载。 集中荷载一一作用在构件上的外力如果作用面的面积远远小于构件尺寸DB34／T 3888-2021 工程建设项目并联审批服务规范.pdf，可以简 化视为集中荷载（附图1）。 均布荷载一一作用在构件上的外力如果作用面的面积相对较大而不能简化为集中 荷载时，则简化视为均布荷载（附图2）。

图2均布荷载（如风力、油压力、积雪等）

2.拉伸荷载一一使结构或构件产生拉长变形趋势的外力。 3.压缩荷载一一使结构或构件产生缩短变形趋势的外力。 4.静荷载一一静态作用下不使结构或结构件产生加速度或产生的加速度可以忽略 下计。例如住宅或办公楼的自重荷载等。 5.交变荷载（也称为动荷载）一荷载的值随时变化（可大可小，可有可无）。 列如楼面、屋面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。 6.节点一 各杆件之间的连接点称为节点（附图3）

8.疲劳断裂一一零件在交变荷载下经过较长时间的工作而发生断裂的现像叫做疲 劳断裂。 9.脆性断裂一一零件未经明显的变形而发生的断裂叫做脆性断裂。断裂时材料儿 乎没有发生过塑性变形。脆性断裂一般发生在高强度或低延展性、低韧性的金属和合 金上。另一方面，即使金属有较好的延展性，在下列情况下，也会发生脆性断裂，如 氏温、厚截面、高应变率（如冲击）或是有缺陷。 10.应力腐蚀一一金属材料在拉伸应力和腐蚀介质的共同作用下，发生的腐蚀现 象称为应力腐蚀。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂。 应力腐蚀与单纯的应力破坏不一样，在极低的应力作用下也会发生破坏。与单纯 由于腐蚀引起的破坏也不相同，腐蚀性很弱的介质，也能引起应力腐蚀破坏。应力与 窝蚀二者相互促进，它往往在没有变形预兆的情况下而迅速断裂，很容易造成严重的 事故。 在发电厂中，锅炉管道、汽轮机叶片、凝汽器铜管，均有发生应力腐蚀的可 能性。 11.碳当量一一将钢铁中各种合金元素折算成碳的含量。碳素钢中决定强度和可 焊性的因素主要是含碳量。合金钢（主要是低合金钢）除碳以外各种合金元素对钢材 的强度与可焊性也起着重要作用。为便于表达这些材料的强度性能和焊接性能，便通 过大量试验数据的统计简单地以碳当量来表示。 12.残余应力一一是指在没有外力的作用下，在物体内部保持平衡而存留的应力 残余应力对零件的性能有很大影响，尤其指在无外来因素（外力或温度等）作用下， 存在于金属材料或机械零件内部并保持平衡的应力。 13应力集中一一实际工程构件中，有些零件常存在切口、切槽、油孔、螺纹 等，致使这些部位上的截面尺寸发生突然变化。如附图5所示，开有圆孔和带有切 口的板条，当其受轴向拉伸时，在圆孔和切口附近的局部区域内，应力的数值剧烈 增加，而在离开这一区域稍远的地方，应力迅速降低而趋于均匀。这种现象称为应 力集中。

附图5应力集中分布示意

14.氢脆一一氢脆是指溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的 强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称为白点。 15.冷脆一一冷脆是指材料在低温条件下的极小塑变脆断。大多发生在体心立方 和密排六方晶体结构。 冷脆与材料的韧性和脆性联系紧密。高韧性的材料不容易发生冷脆，反之就 容易发生。在温度低于一个特定值的时候，材料吸收的冲击功会突然减小，从韧 性转变为脆性，这一温度即为冷脆转变温度。实验上一般用冲击试验来确定这 温度。 16，冷作硬化一一钢材在常温或在结晶温度以下加工，会产生强烈的塑性变形， 使晶格扭曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬 度增加，从而减少了表面层金属变形的塑性，这种现象称为冷作硬化。 17.名义应力一一所谓名义应力是指当应力低于屈服极限时应力与应变关系满足 尧克定律。这时名义应力与真实应力是一致的。当应力高于屈服极限时，名义应力与 真实应力是不一致的。名义应力的综合值称为名义应力强度。 18.比例极限一一拉伸曲线中Oe段，材料在不偏离应力与应变正比关系（虎 克定律）条件下所能承受的最大应力。或钢材在弹性阶段分为线弹性和非线弹性 两个部分，线弹性阶段钢材的应力与变形完全为直线关系，其应力最高点为比例 极限。 19.屈服极限一一也称流动极限。材料受外力到一定限度时，即使不增加荷载它 仍继续发生明显的塑性变形。这种现象叫做“屈服”。发生屈服现象时的应力，称为屈 服点，或屈服极限，用。表示。有些材料的屈服点并不明显，工程上常规定残余变形 达到0.2%时的应力值作为“条件屈服极限”，以00.2表示。 20.强度极限一一出现于拉伸曲线sb阶段，构件在外力作用下进一步发生形变 是保持构件机械强度下能承受的最大应力，也可称为破坏强度或破坏应力。用表示 单位为 MPa (或 N/mm²)。

1国家质量技术监督局压力容器安全技术监察规程.北京：中国劳动社会保障出版 社，1999. [2]】孙景荣.焊接结构一一冷作与焊接技术入门.北京：化学工业出版社，2009 [3】冶金工业部建设司高级铆工.北京：冶金工业出版社，1992 4尹显奇钢结构制作安装工艺手册.北京：中国计划出版社，2006 5上海市金属结构行业协会.钢结构制作工艺师.北京：中国建筑工业出版社，2006 [6]】机械工业技师考评培训教材编审委员会.冷作工技师培训教材.北京：机械工业出 版社，2001 7]高忠民.冷作钣金工初级技能.北京：金盾出版社，2009 8）李家瑞.冷作钣金工（技师高级技师）.北京：中国劳动社会保障出版社，2008 9]张秀华，王秋萍.钢结构设计原理，北京：科学出版社，2009

SC施工升降梯施工方案回执地址：北京市朝阳区华严北里11号楼3层 科学出版社东方科龙图文有限公司电工电子编辑部（收） 邮编：100029