焊接结构断裂控制与完整性

目前，焊接技术在飞机、发动机结构的制造中得到广泛的应用。先进的焊接制造技术既可以获得优质的焊缝和高的尺寸精度，也满足了飞机结构整体性和轻量化的要求，但在结构完整性方面也提出了新的问题。焊接结构在制造及运行过程中不可避免地存在或出现各种各样的缺陷、材料组织性能劣化、以及外力损伤等对结构使用性能构成影响的因素。特别是随着结构服役时间的增加，各种损伤因素的累积导致破坏概率上升。断裂控制是焊接结构完整性的关键，是焊接结构合于使用的基础。

焊接结构的断裂控制主要是指通过研究各种因素对焊接结构强度、耐久性和损伤容限等性能的影响，从而对影响焊接结构完整性的各种因素进行综合识别，科学评价焊接结构潜在失效的可能性，实现对焊接结构的完整性管理，以保证焊接结构的合于使用。焊接结构合于使用评定技术近年来得到了较大的发展，在保证焊接结构安全方面发挥了重要作用，产生了显著的经济和社会效益。根据我国航空焊接结构发展的需要，开展焊接结构断裂控制与完整性研究与应用，对于保证航空焊接结构的安全性与经济性具有重要意义。

焊接结构的整体性与不完整性

同其它连接结构如铆接结构相比，焊接结构的整体性强，刚性大。焊接结构是由不可拆卸的焊接接头连接而成的整体，连接件之间很难产生相对位移，因此容易引起较大的附加应力，使得结构的抗断裂能力降低。焊接结构的刚性大使其对应力集中非常敏感，特别是当工作温度降低时，应力集中会增大结构发生脆断的危险性。

焊接结构的整体性为设计制造合理的结构提供了可能。但是如果焊接结构发生开裂，裂纹很容易由一个构件扩展到另一构件，继而扩展到结构的整体，造成结构整体破坏。然而铆接结构却不易发生整体破坏，因为铆接接头具有阻止裂纹跨越构件扩展的特点，即扩展中的裂纹可能会终止，从而就有可能避免灾难性的脆性破坏。因此，在许多大型焊接结构中，有时仍保留着少量的铆接接头，其道理就在于此。

应用焊接技术制造整体结构的同时也会产生局部不完整性。焊接结构的不完整性主要有材料的不连续性或焊接缺陷。焊接缺陷对结构断裂的影响与缺陷造成的应力集中程度和缺陷附近的材料性能有关。根据缺陷对结构断裂的影响程度，可将焊接缺陷分为平面缺陷、体积缺陷和成型不良三种类型：平面缺陷，如裂纹、未熔合和未焊透等。这类缺陷对断裂的影响取决于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖锐程度。

缺陷面垂直于应力方向的缺陷、表面及近表面缺陷和前沿尖锐的裂纹，对断裂的影响最大。体积缺陷，如气孔、夹渣等，它们对断裂的影响程度一般低于平面缺陷。成型不良，如焊道的余高过大或不足、角变形、或焊缝处的错边等，它们会给结构带来应力集中或附加应力，对焊接结构的断裂强度产生不利影响。

焊接结构中的缺陷是否允许存在，目前有两大类评定标准，其一是以控制质量为基础的标准；其二是以符合使用要求为基础的标准，又称“合于使用原则（Fitness For Service，FFS）”。前者以相应的强度条件为前提，后者是以断裂力学理论为基础。一般而言，在焊接结构制造过程中必须严格执行有关的质量控制标准判定缺陷是否允许存在，若发现的缺陷未超过质量控制标准所规定的限度，则缺陷允许存在；若发现的缺陷超过规定的限度，则缺陷不允许存在，需要进行返修。质量控制标准对缺陷的判定，很难考虑缺陷在结构使用过程中的行为，也很难预测返修对结构性能的影响。“合于使用原则”对缺陷的评定是综合考虑材料性能、缺陷及载荷条件的作用，评定缺陷对结构寿命周期的剩余强度的影响，确定缺陷是否可以接受。质量控制标准与合于使用原则可以并用，在结构制造过程中，若符合质量控制标准要求，对于脆断危险性不高的结构则不必按合于使用原则进行评定；而对于具有高可靠性要求的结构，则应该对结构的缺陷容限及剩余寿命依据合于使用原则进行评定。若在结构使用过程中发现缺陷，则需要采用合于使用原则对缺陷进行评定。合于使用评定是焊接结构完整性分析的核心。

焊接结构断裂控制设计

控制焊接结构断裂的主要因素有三个方面：（1）材料在一定的工作温度、加载速率和板厚条件下的断裂韧度；（2）结构断裂薄弱部位的裂纹和缺陷尺寸；（3）包括工作应力、应力集中、残余应力和温度应力在内的拉应力水平。根据断裂力学原理，当上述三方面因素的特定组合达到临界状态时，结构就会发生断裂破坏。

焊接结构的断裂包括裂纹起裂、稳态扩展和失稳断裂过程，控制焊接结构的断裂的基本方法与此相对应，即：（1）选择具有足够韧性的母材金属和焊缝金属，以抵抗裂纹的起裂，即抗开裂能力；（2）一旦裂纹起裂，其周围材料应具有阻止裂纹进一步扩展的能力，即对裂纹扩展的止裂能力。控制裂纹的开裂（起裂）与扩展是焊接结构断裂控制的基本准则，分别称为防止裂纹产生准则（开裂控制）和止裂准则（扩展控制）。

焊接结构的断裂破坏受设计、选材、制造工艺、使用环境等多方面因素的影响，断裂控制设计就是依据断裂理论建立系统的强度设计体系，其设计准则一方面考虑传统的强度和刚度，另一方面又强调结构的抗断裂性能。其核心是保障结构在使用过程中的完整性和可靠性。系统的结构断裂控制设计的主要内容包括：

（1）详细确定结构整体或关键构件完整性的全部因素；

（2）定性或定量分析各因素对结构或构件断裂的影响；

（3）制定设计、工艺、安装、检验、维护等措施以减少断裂可能性；

（4）强调各方面、各环节的协调与合作，制定严格的控制程序以及组织措施。nextpage

根据焊接结构断裂控制设计原则，焊接接头必须具有足够的抗断裂性能和剩余强度，以使结构在规定的寿命期内能够承受可以预见的载荷和环境条件（包括统计变异性）的作用。要证明焊接接头的抗断裂性能是否足够则需要采用试验进行评定。焊接结构完整性及工作任务结构完整性技术在现代航空发动机、飞机的结构设计和验证中得到最为成功的应用。根据美国空军MIL-A-87221飞机结构通用规范的定义，结构完整性是指影响航空器安全使用和使用费用的机体结构的强度、刚度、损伤容限、耐久性和功能，即结构的完整性是保证结构的安全性和经济性，所考虑的对象是结构及其构件，涉及的主要内容一方面考虑了传统的强度和刚度要求，另一方面又强调了耐久性和损伤容限的抗断裂性能，并要求从这两个方面同时保证结构的使用功能，因此该方法具有系统性、整体性与综合性。结构的可靠性与安全性在很大程度上依赖于结构的完整性，结构完整性是由材料性能、结构构造、制造工艺、载荷与环境、使用与维护等多种因素决定的。

焊接结构完整性尚缺乏明确的定义，根据现代结构完整性概念，可以认为焊接结构完整性是焊接结构的适用性或合于使用性。按国际焊接学会推出的焊接结构的合于使用评定指南定义，合于使用是指结构在规定的寿命期内具有足够的可以承受可预见的载荷和环境条件(包括统计变异性)的功能。即合于使用是结构完整性要求所要达到的目标，而如何证明结构的功能或能力是否足够，则是结构完整性评定所要探索的内容。

按照结构完整性的定义可以认为结构完整性评定必须全面分析影响结构安全的主控因素，详细掌握结构所承受载荷与环境条件及其失效的主要形式,进而对结构细节的力学响应与局部力学性能进行全面分析，从而评估结构的合于使用性。

焊接结构的显著特点之一就是整体性强，焊接结构的完整性就是要保证焊接结构在承受外载和环境作用下的整体性要求。焊接结构的整体性要求包括接头的强度、结构的刚度与稳定性、抗断裂性与耐久性等。焊接接头的性能不均匀性、焊接应力与变形、接头细节应力集中、焊接缺陷等因素对焊接结构的完整性都有不同程度的影响，充分考虑这些因素是焊接结构完整性分析的重点内容。焊接结构完整性主要任务包括焊接结构破坏（或失效）模式分析、风险分析及完整性评价。完整性是与损伤相对应的，损伤的程度对结构的完整性产生影响，损伤是结构的功能退化过程，其极限是失效。而造成损伤的原因是结构所承受的载荷与环境等各种构成危险（或风险）的因素。因此，焊接结构安全性的关键是结构的完整性，研究焊接结构的失效机制及风险问题的根本是保证结构的完整性。

近年来，工程结构完整性管理在国际上受到高度重视。结构完整性管理特别强调检测的应用，检测如同人的体检，就是检查结构的损伤情况，为完整性诊断提供“病情”。焊接结构在制造过程中难免存在冶金与力学缺陷、焊接残余应力、应力集中等，以及其它可能因素造成的损伤，使焊接结构在投入使用前就已有一定程度的不完整性，构成了焊接结构完整性的初始状态。在焊接结构运行过程中，由于工作环境和载荷等因素构成损伤发展的诱因，损伤的累积会导致裂纹的形成与扩展，裂纹扩展到临界尺寸形成断裂，这一过程是焊接结构由初始状态向破坏（或失效）状态的演变。结构完整性分析就是要监控焊接结构全寿命周期的完整性状态的变化过程，因此，焊接结构完整性分析也可以称为完整性状态分析。

完整性是焊接结构系统全寿命周期管理的重要内容。从结构的设计到制造，以及使用和维护等各个阶段都需要建立具体的工作计划。在现代结构完整性计划中是以指导性大纲的形式安排各环节的完整性工作任务。焊接结构的完整性计划要根据产品结构的性能要求，在设计、制造、使用及维护各个阶段制定具体的分析方法、试验项评价准则等具体工作内容，以保证焊接结构的完整性目标。根据影响焊接结构完整性的因素和断裂控制要求，可归纳出焊接结构完整性计划的主要工作内容。

完整性是焊接结构合于使用的重要保证

根据工程结构的经济可承受性要求，完整性应保证结构的可用性（适用性或合于使用性）。焊接结构的完整性与合于使用性两者既有差异，又是统一的。焊接结构完整性的目标是力求将断裂失效风险降低到最低，合于使用原则是考虑如何在经济可承受的条件下保证结构的功能。保证结构的完整性是确保合于使用的基础。焊接结构的绝对完整往往是很难做到的，其完整程度被接受的准则是合于使用性，或者说其损伤程度不影响使用性能。合于使用评定就是分析损伤对焊接结构完整性的影响，确定焊接结构的完整程度。因此，合于使用评定是焊接结构完整性研究的主要内容之一。目前，焊接结构完整性评定方法都是建立在合于使用原则的基础上。在焊接结构的发展初期，要求结构在制造和使用过程中均不能有任何缺陷存在，即结构应完美无缺，否则就要返修或报废。后来大量研究表明，即使焊接接头中存在一定的缺陷，且对焊接接头的强度的影响很小，而返修却会造成结构或接头使用性能的降低，因此，出现了“合于使用”的概念。在断裂力学出现和广泛应用后，这一概念更受到了人们的注意与重视，成为焊接结构完整性研究的重要课题，现已逐渐发展成为原则，内容也逐渐得到充实，并且有了明确的定义。

为了降低结构完整性遭到破坏的风险，减少结构破坏事故的发生，必须进行断裂分析及完整性评价，或称缺陷评定及合于使用评定。合于使用评定是分析焊接结构在诸多危险因素作用下的完整性的现实状态，并将其与初始状态、前一状态及临界（失效）状态进行比较，以确定现实状态的演化情况及完整性。在此基础上，提出完整性监控措施，确保焊接结构的安全运行。合于使用评定又称工程临界分析，是以断裂力学、弹塑性力学及可靠性系统工程为基础的工程分析方法。在制造过程中结构出现了缺陷，根据“合于使用”原则确定该结构是否可以验收。在结构使用过程中，评定所发现的缺陷是否允许存在；在设计新的焊接结构时，规定了缺陷验收的标准。国外长期以来广泛开展了断裂评估技术的研究工作，形成了以断裂力学为基础的合于使用评定方法，有关应用已产生显著的经济效益和社会效益。多个国家已经建立了焊接结构设计、制造和验收的合于使用规范，成为焊接结构设计、制造、验收相关标准的补充。

断裂控制与完整性保证是焊接结构全寿命周期管理的重要工作，对于焊接结构系统的安全具有重要意义。焊接结构的合于使用评价技术具有系统性，综合性与科学性，其理念和方法在我国航空焊接结构应用方面还处于起步阶段。根据航空焊接结构的实际需要，应积极开展有关研究与推广工作，为建立我国航空焊接结构完整性评价体系提供基础。