淺談焊接接頭與結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)的應(yīng)用

郭廣輝 張衍坤

摘 要：自焊接工藝誕生之日起至今，其得到了飛快的發(fā)展和普及，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛運用，甚至已經(jīng)成為很多重要技術(shù)的工藝支撐。從制造行業(yè)到建筑行業(yè)，從造車造船到建筑高樓廠房，無一離得開焊接工藝的使用。因此焊接工藝對整個工業(yè)行業(yè)來說都有至關(guān)重要的基礎(chǔ)意義。當(dāng)前焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞是影響焊接技術(shù)發(fā)揮作用的最主要問題所在，因此本文從行業(yè)經(jīng)驗出發(fā)對此進(jìn)行了相關(guān)的探索，并對焊接接頭與結(jié)構(gòu)的疲勞延壽技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了淺析，以期推動焊接工藝的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：焊接接頭;焊接結(jié)構(gòu);疲勞強(qiáng)度;延壽

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.022

1 焊接工藝應(yīng)用概述

1.1 當(dāng)前焊接工藝?yán)帽尘?/p>

焊接是利用加熱、高溫或者高壓的方法，使熱塑性材料結(jié)合在一起的一種制造工藝。當(dāng)前焊接這種連接方式被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。比方說汽車制造行業(yè)、船舶制造行業(yè)、航天航空行業(yè)、鐵路橋梁建設(shè)行業(yè)，以及住宅廠房寫字樓等的建設(shè)建筑行業(yè)等?？梢哉f涉及到熱塑性材料相接連的地方，大都需要焊接工藝。但也正因為焊接工藝中存在的不足，導(dǎo)致在一些高精尖要求的行業(yè)中，焊接技術(shù)制造的構(gòu)件還沒辦法滿足其要求。這也一定程度的阻礙了焊接工藝應(yīng)用的廣度和深度。

1.2 當(dāng)前焊接工藝存在的問題

由定義可知焊接是將熱塑性材料焊連在一起，因此焊接構(gòu)件的主要問題是焊接接頭與結(jié)構(gòu)的疲勞失效問題。在焊接技術(shù)的應(yīng)用中，因焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效造成的行業(yè)制約和經(jīng)濟(jì)損失有很多。例如，在海洋及船舶制造行業(yè)，焊接結(jié)構(gòu)疲勞時造成船舶損壞的主要原因之一，同時焊接結(jié)構(gòu)的疲勞也是制約海洋平臺建設(shè)，甚至造成海洋平臺事故發(fā)生的重要原因之一;在陸路交通行業(yè)，焊接結(jié)構(gòu)疲勞會妨害鐵路的行使安全、縮短機(jī)車的使用年限，同樣公路橋梁建設(shè)中焊接接頭的疲勞也會導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生裂紋，無法安全承載交通負(fù)荷;在航空領(lǐng)域，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞嚴(yán)重影響著飛機(jī)發(fā)動機(jī)或機(jī)翼等重要部件的使用壽命;此外在一些機(jī)械制造行業(yè)，焊接結(jié)構(gòu)疲勞也是制約行業(yè)企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一……有統(tǒng)計曾顯示，焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂事故的原因中，有九成是因為結(jié)構(gòu)疲勞。因此必須重視焊接構(gòu)件疲勞的問題，并對其進(jìn)行延壽技術(shù)改善。

2 引起焊接構(gòu)件疲勞產(chǎn)生的原因

隨著焊接工藝的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)已經(jīng)有了很大的提升。當(dāng)前引起焊接構(gòu)件疲勞失效造成斷裂等問題的因素可以總結(jié)成下面幾點：首先，焊接接頭的疲勞。當(dāng)焊接構(gòu)件處在靜態(tài)，即所受外力不隨時間變化，并且其各點的狀態(tài)也不隨時間發(fā)生改變時，焊接接頭的載荷能力同原材料是一樣的，但當(dāng)焊接構(gòu)件處于交變動態(tài)，即受到大小、方向隨時間呈周期性變化的作用力時，其載荷承受能力就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及原材料的能力，這是造成焊接接頭出現(xiàn)疲勞失效的主要因素之一。其次，隨著各個對焊接有需求的工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，對焊接構(gòu)件的動態(tài)載荷承受能力的要求也越來越高，而當(dāng)前的焊接工藝方面抗疲勞技術(shù)的發(fā)展跟不上需求速度，導(dǎo)致生產(chǎn)出的焊接構(gòu)件容易產(chǎn)生疲勞失效。第三，部分專門技術(shù)人員對焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞程度不熟悉、或設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)不規(guī)范、或在焊接構(gòu)件的制造過程中成本質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，最終造成焊接構(gòu)件不能滿足荷載需求，從而容易發(fā)生疲勞失效事故。

3 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響元素及延壽技術(shù)的應(yīng)用研究

3.1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響元素

由上文可知除了人為因素和行業(yè)發(fā)展因素的影響，焊接工藝中實際造成焊接構(gòu)件疲勞失效的主要原因是焊接接頭疲勞?？梢哉f焊接接頭的抗疲勞程度決定著焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。焊接接頭處容易有焊接缺陷，而且還有應(yīng)力集中與殘余拉伸應(yīng)力等的多重因素影響，這些都是影響焊接構(gòu)件抗疲勞性能的主要元素。

3.2 焊接構(gòu)件延壽技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用

針對上述的影響元素，當(dāng)前我國對焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范，將過去以原材料疲勞強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)改成以焊接接頭的抗疲勞程度為整個構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。這個規(guī)定不但會造成材料浪費，而且仍然會因焊接接頭處出現(xiàn)的問題，造成整體焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效。因此必須針對各個影響元素采取相應(yīng)的技術(shù)措施來延長焊接構(gòu)件的壽命。

（1）降低焊接接頭處的焊接缺陷。焊接接頭處容易有兩大類焊接缺陷，一種是表面型的，如有未熔合或未焊透、有裂紋等;一種是體積缺陷，如有氣孔或夾渣等。因此要努力提高焊接技術(shù)，在焊接過程中嚴(yán)控焊接的質(zhì)量，來預(yù)防、減少和杜絕焊接缺陷的出現(xiàn)。

（2）降低應(yīng)力集中系數(shù)。焊接接頭處會有應(yīng)力集中的情況出現(xiàn)，其中焊接接頭的形式和焊縫的形狀都會對應(yīng)力集中系數(shù)的大小產(chǎn)生影響。行業(yè)經(jīng)驗表明，通常情況下焊接接頭的疲勞裂縫會開始于焊根或焊趾處。若消除了焊接根部的裂縫開裂危險，則焊趾處的裂縫防范就十分重要。因此要在焊接接頭處改善焊趾的形狀，來降低應(yīng)力集中系數(shù)。當(dāng)前較常使用的方法有以下幾種：鎢惰性氣體熔修、對無缺陷的焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工或砂輪打磨、使用新型特別焊條和錘擊法、噴丸法等。

（3）減少焊接殘余拉伸應(yīng)力。減少焊接殘余拉伸應(yīng)力，引入殘余壓縮應(yīng)力，可以延長焊接結(jié)構(gòu)的壽命，提高其可靠性。當(dāng)前比較常用的方法主要有局部加熱法、預(yù)過載、錘擊法、擠壓法、噴丸法等。

3.3 焊接構(gòu)件延壽技術(shù)的新應(yīng)用

最近幾年又產(chǎn)生了新的焊接接頭和結(jié)構(gòu)延壽技術(shù)：超聲沖擊法和低相變點焊接材料法。其中超聲沖擊法能通過比較輕巧的設(shè)備降低焊趾應(yīng)力集中系數(shù)，并產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，具有很好的靈活性和可控性，在使用過程中受到的約束較少，且低成本低耗能，是一項高效率的新技術(shù)。低相變點焊接材料法是一種操作簡單的焊中處理方法，可以較方便的產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，對不能進(jìn)行焊后處理的焊接接縫，尤其適用在使用其的過程中可以通過低相變點焊條焊趾熔修的辦法來降低其成本。

4 結(jié)語

焊接工藝關(guān)系到很多行業(yè)的發(fā)展，因此必須重視焊接接頭與結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)的應(yīng)用，推動焊接技術(shù)的升級，為其他行業(yè)的發(fā)展提供更好的支撐作用。

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作者簡介：郭廣輝（1975-），男，山東東平人，中專，研究方向：焊接。