焊縫應(yīng)力集中對(duì)復(fù)雜焊接構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響

李斌華

(忻州市建筑設(shè)計(jì)院，山西忻州 034000)

1 概述

鋼結(jié)構(gòu)憑借其自重輕、力學(xué)性能優(yōu)良、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，被很多要求大跨度、大空間、快速施工建設(shè)的建筑形式所采用，如:懸索鋼橋、藝術(shù)球形節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架、球形網(wǎng)殼體育館等，這就使得我們對(duì)其結(jié)構(gòu)性能和安全性能的分析變得尤為重要。與過去鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鉚接、螺栓連接相比較，由于焊接連接方式具有:優(yōu)化構(gòu)件截面，節(jié)省鋼材，構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于加工，連接性能好，剛度大，便于采用自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而得到越來越廣泛的應(yīng)用。

復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)一般具有:1)幾何形狀異型、構(gòu)件多、尺寸厚度大、構(gòu)造復(fù)雜;2)焊縫尺寸長、相互交錯(cuò)、種類繁多;3)焊縫多由對(duì)接焊縫與角接焊縫等組合而成;4)現(xiàn)場(chǎng)施工條件差，焊縫檢查不同步，保證焊縫質(zhì)量的難度大;5)整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力復(fù)雜，構(gòu)件多處于多向應(yīng)力狀態(tài);6)構(gòu)件內(nèi)部包含多種缺口效應(yīng)，造成該處疲勞強(qiáng)度降低較多。綜上可看出，復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能，大多受到焊接焊縫性能的影響。假定焊接焊縫將各構(gòu)件緊密連接成結(jié)構(gòu)整體，并無內(nèi)部應(yīng)力缺陷，這時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能分析就變?yōu)楹?jiǎn)單的理想剛件組合結(jié)構(gòu)分析。因此，對(duì)焊接焊縫性能的分析，就成為結(jié)構(gòu)整體性能分析的基礎(chǔ)。

2 焊縫應(yīng)力集中對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響

由于焊接結(jié)構(gòu)在幾何形狀變化處產(chǎn)生的局部應(yīng)力比名義應(yīng)力大得多，因此疲勞裂紋首先從這些局部應(yīng)力集中處生成。研究這些部位的應(yīng)力集中，將有助于了解焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞性質(zhì)。

1)焊接接頭類型的影響。

焊接接頭主要分為:對(duì)接接頭、十字接頭、T形接頭及搭接接頭。這些接頭處的傳力線受到擾動(dòng)，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中(見圖1)。

圖1 焊接接頭疲勞極限—應(yīng)力比關(guān)系圖

對(duì)接接頭處的力線擾動(dòng)較小，從而產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)較小，其具有較高的疲勞強(qiáng)度;十字接頭與T形接頭處，由于在焊縫方向的金屬過渡處發(fā)生較大的截面變化，應(yīng)力集中系數(shù)較對(duì)接接頭高，相應(yīng)的其疲勞強(qiáng)度較低;搭接接頭處，由于采用了加強(qiáng)蓋板，力線發(fā)生較大曲變，明顯降低了其疲勞強(qiáng)度。

2)焊縫幾何形狀的影響。

所有接頭類型均由角焊縫和對(duì)接焊縫來完成連接，焊縫的尺寸不同，相應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)也不相同，使得疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的分散性。

Soete，Van Crombrugge選取15 mm板，采用不同的角焊縫施焊，在軸向疲勞荷載下的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫的焊角小于13 mm時(shí)，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫中;當(dāng)焊角大于18 mm時(shí)，疲勞斷裂發(fā)生在母材中(見圖2)。據(jù)此，提出了極限焊角尺寸:

其中，S為焊角尺寸;B為板厚。

圖2 低碳鋼搭接接頭的疲勞極限對(duì)比

Yamaguchi等人建立了疲勞強(qiáng)度和基本金屬與焊縫金屬之間過渡角的關(guān)系。試驗(yàn)中，焊縫寬度(W)和焊縫加強(qiáng)高度(h)變化時(shí)，如果夾角(h/W)保持不變時(shí)，疲勞強(qiáng)度也保持不變;當(dāng)焊縫寬度保持不變時(shí)，增加焊縫加強(qiáng)高度，接頭處的疲勞強(qiáng)度降低，這是夾角發(fā)生變化導(dǎo)致的。這都表明，焊縫的形狀對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度影響比較明顯。

3)焊接缺陷的影響。

a.裂紋。取W=60 mm，B=13 mm，低碳鋼對(duì)接接頭試件中，當(dāng)焊縫中裂紋達(dá)到截面積10%時(shí)，在交變荷載作用下，試件的疲勞強(qiáng)度較低55%～65%(W為試件寬，B為試件厚度)。

b.未焊透。其削弱了截面面積，引起較大的應(yīng)力集中。當(dāng)削弱面積達(dá)到10%時(shí)，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度降低了25%。

c.咬邊。通常將咬邊深度與板厚的比值(h/B)作為評(píng)定接頭疲勞強(qiáng)度的重要參數(shù)。

d.氣孔。氣孔減小了焊縫界面尺寸，從而降低了連接處的疲勞強(qiáng)度，表面或表層下氣孔對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度具有最不利影響。

e.夾渣。夾渣作為體積類缺陷，較氣孔對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響更大。

3 改善結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的措施

焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋，多從焊根、焊趾部位處開始延伸，假設(shè)我們能夠抑制焊根部位疲勞裂紋的產(chǎn)生及延伸，則焊接結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋發(fā)生的薄弱位置將集中到焊趾處。對(duì)于提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，可通過下列一些方法來進(jìn)行改善:降低、減小焊縫焊接時(shí)的缺陷，尤其是開口缺陷;最大程度的保護(hù)焊縫焊接的截面幾何尺寸、面積，從而降低該處的應(yīng)力集中系數(shù);控制焊接時(shí)的殘余應(yīng)力場(chǎng)，保留相對(duì)有利的殘余壓縮應(yīng)力場(chǎng)(見圖3，圖4)。

圖3 改善措施（一）

圖4 改善措施（二）

4 結(jié)語

參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出的:“疲勞裂紋很少在遠(yuǎn)離焊接細(xì)節(jié)和連接處的平坦的母材上形成，盡管連接處的靜強(qiáng)度超過被連接件的靜強(qiáng)度，然而連接處仍是疲勞評(píng)估的最重要部位”;“裂紋一般在焊縫或靠近焊縫處、橫截面突變處或節(jié)點(diǎn)偏心處形成，避免發(fā)生疲勞問題的最有效的途徑，是仔細(xì)地進(jìn)行連接的細(xì)部設(shè)計(jì)和制造”。因此，針對(duì)復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的疲勞研究，還應(yīng)從大量試驗(yàn)室數(shù)據(jù)中著重分析焊縫焊接時(shí)對(duì)構(gòu)件的熱影響、焊縫的殘余應(yīng)力及焊接缺陷。也正是這些部位力學(xué)性能的削弱導(dǎo)致了局部應(yīng)力偏大、應(yīng)力流偏轉(zhuǎn)較強(qiáng)、應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，進(jìn)而成為結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的薄弱位置。

［1］霍立英.焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞行為及評(píng)定［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］徐 灝.疲勞強(qiáng)度［M］.北京：高等教育出版社，1988.

［3］楊新岐，張新艷，霍立興，等.焊接接頭疲勞評(píng)定局部法研究進(jìn)展［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2003，25(6)：93-95.

［4］徐永春，鄭榮躍，王者靜，等.基于斷裂力學(xué)的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊接節(jié)點(diǎn)疲勞性能研究［J］.中國機(jī)械工程，2005，15(24)：91-93.