基于焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)的研究

盧 威 ，薛海華，萬(wàn)珍珍

(1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空維修工程系，湖南 張家界 427000；2.江西省科學(xué)院 應(yīng)用物理研究所，江西 南昌 330090)

隨著中國(guó)現(xiàn)代化制造技術(shù)水平的不斷提高，焊接已經(jīng)成為工業(yè)制造中最主要的連接方法之一。而焊接結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)的最適合用焊接方法制造的金屬結(jié)構(gòu)，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整體性好、不受外形尺寸限制、強(qiáng)度剛度較大和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于造船、汽車(chē)、鐵路、航空航天和建筑工程等領(lǐng)域。但同時(shí)也存在一些問(wèn)題，例如在工程生產(chǎn)中，焊接結(jié)構(gòu)已占到鋼鐵總產(chǎn)量的一半以上，但焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象引發(fā)安全生產(chǎn)事故，通過(guò)研究和分析發(fā)現(xiàn)90%是由于疲勞失效而引起的。在機(jī)械制造領(lǐng)域的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于對(duì)疲勞認(rèn)識(shí)不足，在設(shè)計(jì)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)，僅僅只是生搬硬套其他焊接結(jié)構(gòu)形式和疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[1-2]，以至于出現(xiàn)一些設(shè)計(jì)不合理的焊接接頭，在復(fù)雜的工況條件下，造成疲勞損傷加快從而導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)因疲勞而過(guò)早失效的事故頻繁發(fā)生。本文對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

1 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素

應(yīng)力集中是影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要原因，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的因素主要有焊接接頭、焊縫形狀和焊接缺陷。

1.1 焊接接頭

焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中常見(jiàn)的接頭形式主要有以下幾種：對(duì)接接頭、搭接接頭、T形接頭和十字接頭等。研究表明，焊接接頭由于傳力線(xiàn)受到干擾，很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，不同類(lèi)型的接頭影響程度不同，如圖1所示。對(duì)接接頭結(jié)合強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度明顯優(yōu)于其他接頭，是由于對(duì)接接頭受力線(xiàn)干擾最小，所以應(yīng)力集中系數(shù)也較小。T形接頭和十字接頭其結(jié)合強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度低于對(duì)接接頭，是因?yàn)楹附雍笤诤缚p組織和母材過(guò)渡處橫截面產(chǎn)生了明顯突變，造成局部應(yīng)力集中，降低了接頭強(qiáng)度。搭接接頭由于力線(xiàn)收到了嚴(yán)重的扭曲，其應(yīng)力集中系數(shù)最大，疲勞強(qiáng)度最低。因此，設(shè)計(jì)承受動(dòng)載的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用對(duì)接接頭的形式，盡量少用甚至不用搭接接頭[3-4]。

圖1 各種接頭形式應(yīng)力集中程度示意圖Fig.1 Schematic diagram of stress concentration in various joint forms

1.2 焊縫形狀

在焊接生產(chǎn)中，對(duì)于常見(jiàn)的對(duì)接焊縫和角焊縫，也存在類(lèi)似情況。

1)對(duì)接焊縫的影響。Yamaguchi等在對(duì)焊接過(guò)渡角對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響的研究中證實(shí)：焊接接頭疲勞強(qiáng)度與母材金屬與焊縫金屬之間過(guò)渡角a存在一定關(guān)聯(lián)，如圖2所示。

圖2 對(duì)接接頭Fig.2 Butt joint

對(duì)接接頭焊縫寬度W和高度h產(chǎn)生變化后，若h/W比值不變，即夾角a保持不變，則疲勞強(qiáng)度也保持不變；若h/W比值增大，即夾角a變小，則接頭疲勞強(qiáng)度降低。此外，聶樹(shù)林等[5]在對(duì)焊縫過(guò)渡半徑對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響的研究中也證明了：當(dāng)過(guò)渡角保持不變，焊縫過(guò)渡半徑增加，則疲勞強(qiáng)度也會(huì)增加。

2)焊縫形狀的影響。焊縫形狀對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響，本文主要討論角焊縫的情況。據(jù)國(guó)內(nèi)外研究表明：當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)算厚度a與母材厚度B的比值a/B<0.6～0.7時(shí)，斷裂情況一般產(chǎn)生于焊縫；當(dāng)比值a/B>0.7時(shí)，則斷裂情況一般產(chǎn)生于母材金屬。但是增加焊縫尺寸對(duì)于提高接頭的疲勞強(qiáng)度僅僅只是在一定范圍內(nèi)有效[6]。因?yàn)樵黾拥暮缚p尺寸對(duì)于改善焊趾端處(截面薄弱處)母材金屬的強(qiáng)度作用不明顯，即便能達(dá)到最大的強(qiáng)化效果，也無(wú)法超過(guò)該焊趾端處的疲勞強(qiáng)度。

1.3 焊接缺陷

焊接過(guò)程中產(chǎn)生不同類(lèi)型的焊接缺陷也是造成應(yīng)力集中的主要原因。由于這些不同類(lèi)型的缺陷大量存在于焊接接頭焊趾部位，極易造成焊縫開(kāi)裂、焊件變形等，從而導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度急劇下降，母材抗疲勞強(qiáng)度大大降低。常見(jiàn)的焊接缺陷主要有：裂紋、未熔合、未焊透、咬邊等，通常稱(chēng)之為面狀缺陷；另外還有氣孔、夾渣等，這類(lèi)缺陷被稱(chēng)為體積型缺陷。其中對(duì)焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響最大的缺陷是裂紋和未焊透[7]。裂紋會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，研究表明，如果產(chǎn)生占橫截面積10%的裂紋，其2×106循環(huán)壽命的疲勞強(qiáng)度就降低了大約55%～65%[8]。未焊透的影響主要因截面積產(chǎn)生突變而引起應(yīng)力集中，通過(guò)與未含有該類(lèi)缺陷的接頭做疲勞壽命對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)截面積減少10%時(shí)，焊接接頭的疲勞強(qiáng)度下降約25%。由此可見(jiàn)，焊接缺陷對(duì)焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的危害極大，應(yīng)做好預(yù)防措施。

2 焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)的焊接接頭與部件疲勞設(shè)計(jì)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，基于Miner累計(jì)損傷理論，以預(yù)測(cè)各類(lèi)型焊接接頭累積損傷為約束方式來(lái)進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)[9]，既虛擬疲勞試驗(yàn)技術(shù)。該測(cè)試技術(shù)是基于焊接結(jié)構(gòu)的使用壽命取決于各類(lèi)型焊接接頭的抗疲勞強(qiáng)度，而焊接接頭抗疲勞強(qiáng)度又由外部所施加的載荷幅度和接頭類(lèi)型的應(yīng)力集中情況決定。該標(biāo)準(zhǔn)適用于強(qiáng)度低于700 MPa的碳鋼、碳錳鋼等金屬材料的焊接接頭。疲勞強(qiáng)度評(píng)定程序如圖3所示。

圖3 IIW疲勞強(qiáng)度評(píng)定程序Fig.3 IIW fatigue strength assessment procedure

焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的評(píng)定程序，首先應(yīng)根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)應(yīng)力情況和所施加的載荷歷程來(lái)編制各焊接接頭的工作狀態(tài)應(yīng)力譜；其次依據(jù)Miner累計(jì)損傷理論計(jì)算等效等幅應(yīng)力，并結(jié)合各焊接接頭類(lèi)型的相關(guān)S-N疲勞強(qiáng)度曲線(xiàn)[10]。綜合以上相關(guān)影響因素來(lái)預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)的使用壽命，若預(yù)測(cè)結(jié)果高于實(shí)際所需，則證明該接頭類(lèi)型符合生產(chǎn)要求，可以采用；反之則應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和采取必要安全措施進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到實(shí)際需求所需使用壽命。

本試驗(yàn)根據(jù)焊接試樣常幅疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)建立S-N疲勞強(qiáng)度曲線(xiàn)。計(jì)算表達(dá)式為：N=c·△σm，各曲線(xiàn)位置取決于式中c值的大小。同時(shí)，在計(jì)算過(guò)程中還應(yīng)該充分考慮焊縫附近的孔洞和拐角應(yīng)力集中等因素。

3 結(jié)論

在進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)對(duì)于承受彎矩、扭矩、拉伸或壓縮的焊件，應(yīng)盡量減少或防止焊件的截面產(chǎn)生突變，盡量使焊件橫截面能夠平滑過(guò)渡，以避免造成應(yīng)力源集中；

2)在設(shè)計(jì)焊接接頭時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用對(duì)接接頭，少采用角接接頭；

3)在采用搭接接頭時(shí)，由于形成了角焊縫，在焊縫根部和焊趾處不僅存在偏心彎矩的作用，還有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊件抗疲勞強(qiáng)度大幅降低，應(yīng)盡量避免采用搭接這種接頭形式；

4)對(duì)于焊件中承受載荷的角焊縫，焊縫根部或焊趾處容易成為疲勞失效的危險(xiǎn)點(diǎn)，為了降低這些部位的應(yīng)力集中，可采取下列措施進(jìn)行優(yōu)化：①對(duì)焊件進(jìn)行開(kāi)坡口增加焊縫熔深，可大幅降低焊縫根部的應(yīng)力集中；②對(duì)焊件焊趾處外形進(jìn)行焊前預(yù)加工，盡量避免出現(xiàn)截面突變，可采用圓弧或倒角等過(guò)渡形狀以減少該部位的應(yīng)力集中。

5)處于拉應(yīng)力場(chǎng)中的焊趾、焊縫端部或其他應(yīng)力集中情況嚴(yán)重的地方(如裂紋)，應(yīng)增加緩和槽或孔的設(shè)計(jì)來(lái)盡量消除或降低應(yīng)力集中所帶來(lái)的負(fù)面影響。