焊接結(jié)構(gòu)在不同焊接疲勞標(biāo)準(zhǔn)下的研究

楊 浩

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132000）

從結(jié)構(gòu)制造特點(diǎn)的角度看，由于焊接結(jié)構(gòu)具有結(jié)合強(qiáng)度高、重量輕、可局部修換、靈活性好、便于采用自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)期承受靜態(tài)或動(dòng)態(tài)載荷的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是焊接工藝技術(shù)的不斷推陳出新，更是顯著地提升了焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用地位。這是焊接結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)勢(shì)，而事實(shí)上它還有不足的一面：焊接結(jié)構(gòu)會(huì)承受不斷變化的動(dòng)態(tài)載荷，焊接結(jié)構(gòu)本身的幾何不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致的應(yīng)力集中使其成為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)之一[1]。

目前，在國(guó)際軌道交通行業(yè)上廣泛應(yīng)用的疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾種：英國(guó)BS7608 標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)DVS1612 標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS 標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際焊接學(xué)會(huì)IIW 標(biāo)準(zhǔn)、EN1993 標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)ASME/AWS 標(biāo)準(zhǔn)等。這些標(biāo)準(zhǔn)大多都給出了一批基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的焊接接頭S-N 曲線疲勞特性參數(shù)，因此深入研究上述幾種標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)工業(yè)、機(jī)械、電子領(lǐng)域焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)極為重要。

1 現(xiàn)有焊接方法的研究

焊接就是一種借助外界能量實(shí)現(xiàn)加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的方法。這些能量包括氣體焰、電弧、激光、電子束、摩擦和超聲波等。而焊接結(jié)構(gòu)是否耐用的因素主要取決于焊接方法的選擇以及焊接工人的操作水平。這是焊接疲勞破壞的內(nèi)因，外因則是焊接結(jié)構(gòu)受到多大的交變載荷，由于輕量化的需求，焊接結(jié)構(gòu)承受的交變載荷越來(lái)越大，這就導(dǎo)致合理的焊接工藝和高超的焊接水平顯得尤為重要。金屬的焊接，按其工藝過(guò)程的特點(diǎn)分有熔焊、壓焊和釬焊三大類。

1.1 熔焊工藝

即熔化焊，在焊接過(guò)程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法稱為熔焊。常用的熔焊方法有電弧焊、氣焊、電渣焊、激光焊等。電弧焊應(yīng)用最為廣泛，熔化焊的缺點(diǎn)則是溫度較高，需要?dú)怏w的保護(hù)，熱影響區(qū)成分復(fù)雜，焊后殘余應(yīng)力較大等。

1.2 壓焊工藝

即在焊接過(guò)程中，必須對(duì)焊件施加壓力（加熱或不加熱），以完成焊接的方法稱為壓焊。常用的壓焊方法有電阻焊（對(duì)焊、點(diǎn)焊、縫焊）、摩擦焊、旋轉(zhuǎn)電弧焊、冷壓焊、感應(yīng)焊、超聲波焊擴(kuò)散焊等。適用于不可以使用熔化焊的接頭。

1.3 釬焊工藝

焊接過(guò)程中，采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將釬料與工件一起加熱到釬料熔化狀態(tài)，借助毛細(xì)管作用將其吸入到固態(tài)間歇內(nèi)，使釬料與固態(tài)工作表面發(fā)生原子的相互擴(kuò)散、溶解和化合而連成整體的焊接方法。常用的釬焊加熱方式有：火焰加熱、電阻加熱、感應(yīng)加熱、爐內(nèi)加熱、鹽浴加熱等。釬焊有焊件變形小，外形美觀的優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)際生產(chǎn)中很容易產(chǎn)生氣泡，且加工成本較高[2]。

1.4 新型焊接工藝

以上三類焊接方法都有或多或少的缺點(diǎn)，近年來(lái)，隨著新技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)上述焊接工藝的不足涌現(xiàn)出幾種優(yōu)質(zhì)高效的焊接方法：如攪拌摩擦焊、等離子弧焊、柔性激光焊等。這些方法解決了焊縫熱影響區(qū)復(fù)雜、焊接缺陷多、需要保護(hù)氣體等弊端。成為未來(lái)焊接方法的主流。

2 幾種國(guó)際疲勞標(biāo)準(zhǔn)的研究

2.1 基于BS 標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)

BS7608 標(biāo)準(zhǔn)，是英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評(píng)估使用標(biāo)準(zhǔn)，它對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估規(guī)定詳細(xì)，應(yīng)用廣泛。BS 標(biāo)準(zhǔn)的抗疲勞設(shè)計(jì)方法是基于名義應(yīng)力的有限壽命設(shè)計(jì)；BS 標(biāo)準(zhǔn)的S-N 曲線是用應(yīng)力范圍△σ 和循環(huán)數(shù)表示的，且為雙斜率曲線，該標(biāo)準(zhǔn)還考慮了低于疲勞極限的小載荷應(yīng)力范圍對(duì)累積損傷的貢獻(xiàn)，沒(méi)有截止線（如圖1）；并以Miner 線性損傷累積理論為基礎(chǔ)，對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖1 BS7608：2015 標(biāo)準(zhǔn)的 S-N 曲線

2.2 基于IIW 標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)

IIW 標(biāo)準(zhǔn)是來(lái)自13 個(gè)國(guó)家的焊接機(jī)構(gòu)和科學(xué)家于1948 年共同建立的。全稱為《IIW 焊接接頭與部件的疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。IIW 標(biāo)準(zhǔn)的抗疲勞設(shè)計(jì)方法是基于名義應(yīng)力的有限壽命設(shè)計(jì)；IIW 標(biāo)準(zhǔn)疲勞評(píng)估與BS 標(biāo)準(zhǔn)疲勞評(píng)估類似，也是用應(yīng)力范圍△σ來(lái)度量，因此，它的S-N 曲線是以應(yīng)力范圍和循環(huán)數(shù)表示的，為雙斜率曲線，（如圖2）。

圖2 IIW 標(biāo)準(zhǔn)的S-N 曲線（結(jié)構(gòu)鋼）

2.3 基于AWS 標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)

AWS 標(biāo)準(zhǔn)：《美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)—鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》，它的主要內(nèi)容包括焊縫設(shè)計(jì)、WPS 免除規(guī)定、焊接疲勞評(píng)估、焊接工藝、焊接質(zhì)量檢測(cè)。AWS 標(biāo)準(zhǔn)的S-N 曲線是用應(yīng)力范圍△σ 和循環(huán)數(shù)表示的，同樣為雙斜率曲線，（如圖3）；同樣以Miner 線性損傷累積理論為基礎(chǔ)，對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖3 AWS 標(biāo)準(zhǔn)的S-N 曲線

2.4 基于EN1993 標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)

EN1993-1-9：2005 標(biāo)準(zhǔn)，全稱為《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》。EN1993 標(biāo)準(zhǔn)采用應(yīng)力范圍來(lái)描述S-N 曲線。圖4 所示的EN1993 標(biāo)準(zhǔn)的S-N 曲線是以應(yīng)力范圍和循環(huán)數(shù)表示的，且為雙斜率曲線，N=2×106循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度值即為疲勞等級(jí)值。所以該標(biāo)準(zhǔn)也是基于名義應(yīng)力，利用Miner 線性損傷累積理論預(yù)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

圖4 EN1993 標(biāo)準(zhǔn)的S-N 曲線

2.5 基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的壽命計(jì)算

ASME-2007：美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。該方法采用基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法（Mesh-insensitive Structural Stress Method）及一條主S-N 曲線預(yù)測(cè)焊接疲勞強(qiáng)度（見(jiàn)圖5）。并依據(jù)Miner 線性損傷累積理論為基礎(chǔ)，對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。是當(dāng)今最為有效評(píng)估疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

圖1.5 主S-N 曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語(yǔ)

文章介紹了國(guó)際上廣泛應(yīng)用的焊接方法及各種疲勞標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)比分析可以得出：焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命都是基于大量疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的，這些數(shù)據(jù)總結(jié)出與焊接接頭相關(guān)的S-N 曲線，都具有固定的斜率。不管是采用名義應(yīng)力還是結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)估疲勞壽命都要以Miner 線性損傷累積理論為基礎(chǔ)。在實(shí)際生產(chǎn)中，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N 曲線法由于將不同類型的焊接接頭的S-N 曲線整合到一條曲線上，使疲勞壽命的評(píng)估更加標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)易化，并越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。