淺議焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)及抗疲勞措施

王玉華 繆卓君

摘要：基于焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞分析，從焊接接頭形式與應(yīng)力集中、焊接熱影響區(qū)金屬性能的變化及應(yīng)力特征、焊接缺陷與環(huán)境介質(zhì)等角度分析了焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂的影響因素。結(jié)合已有的研究，從疲勞裂紋萌生機(jī)理與疲勞斷裂過(guò)程的主要階段分析了焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的機(jī)理與過(guò)程，焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的主要階段包括初始疲勞裂紋在應(yīng)力集中初的萌生、疲勞裂紋的亞臨界或穩(wěn)定擴(kuò)展、疲勞裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展直至結(jié)構(gòu)斷裂三個(gè)階段?；跀嗔蚜W(xué)理論，介紹了焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法，并從抗疲勞設(shè)計(jì)、控制焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、焊接位置或母材的表面處理等角度介紹了常見(jiàn)的焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞措施。本研究對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究及抗疲勞設(shè)計(jì)，具有一定的參考與借鑒意義。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)工程；焊接；疲勞壽命；抗疲勞措施

中圖分類號(hào)：TU391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與連接中，焊接連接方式是最主要的連接方式之一[1，3]，其具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工便捷、連接性能優(yōu)異、用料節(jié)省、適合工業(yè)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于房建結(jié)構(gòu)、航空航天、海洋平臺(tái)等領(lǐng)域[2～5]。然而，絕大多數(shù)的焊接結(jié)構(gòu)都在交變應(yīng)力作用下工作，長(zhǎng)期的循環(huán)交變應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞[1，2，5]，加之焊接結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，焊縫區(qū)與母材由于加工過(guò)程及本身的力學(xué)特點(diǎn)，在焊接接頭位置出現(xiàn)二者的力學(xué)性能不匹配，疲勞作用下極易在接頭位置產(chǎn)生裂紋及其他缺陷，極大地降低了焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能及服役性能[3，5，6]。

大量統(tǒng)計(jì)表明，金屬結(jié)構(gòu)由于疲勞導(dǎo)致的失效，占總失效形式的70%以上。鋼結(jié)構(gòu)在發(fā)生疲勞破壞之前，并不會(huì)出現(xiàn)明顯的塑性變形，是一種突然發(fā)生斷裂的破壞形式[5～9]，一般的疲勞破壞斷面成斷口平直的形式，因此，疲勞破壞是一種反復(fù)應(yīng)力或荷載作用下的脆性破壞形式。焊接構(gòu)件在加工過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)不同程度的焊渣侵入焊縫趾部、焊縫內(nèi)存在氣孔、焊接出現(xiàn)欠焊等現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)焊縫存在咬邊、未焊透等焊接缺陷及施工誤差，加之焊接結(jié)構(gòu)由于其自身會(huì)在整體幾何形狀不連續(xù)處引入焊接連接方式，進(jìn)一步導(dǎo)致焊縫部位在荷載作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象[7～13]。此外，鋼材本身的性能缺陷諸如化學(xué)成分的偏析與非金屬雜質(zhì)，以及鋼材加工過(guò)程中的缺陷如非焊接結(jié)構(gòu)與構(gòu)件表面上的刻痕、軋鋼皮時(shí)產(chǎn)生的凹凸不平、鋼材加工過(guò)程中的沖孔、剪邊、火焰切割等工藝帶來(lái)的結(jié)構(gòu)與構(gòu)件自身的毛邊和裂紋等[5～14]，也會(huì)進(jìn)一步加劇焊接結(jié)構(gòu)在疲勞應(yīng)力作用下的性能劣化過(guò)程及程度。因此，進(jìn)一步研究焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能與抗疲勞措施，對(duì)于延長(zhǎng)焊接結(jié)構(gòu)使用壽命，提高結(jié)構(gòu)服役性能，具有重要意義。

1焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂影響因素及斷裂機(jī)理

1.1焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂影響因素

鋼結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中，對(duì)鋼材基體疲勞性能產(chǎn)生影響的因素包括應(yīng)力集中、構(gòu)件截面形式及尺寸、材料表面的狀態(tài)、荷載特征、環(huán)境介質(zhì)等。焊接接頭本身的特殊性，如接頭材料性能與接頭形式、焊接缺陷及殘余應(yīng)力等，也會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能產(chǎn)生一定影響。

首先，焊接接頭的形式及應(yīng)力集中對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能有顯著影響，如圖1所示，為結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中不同的接頭形式。不同的焊接接頭會(huì)導(dǎo)致焊縫位置出現(xiàn)不同形式的應(yīng)力集中現(xiàn)象，一般情況下，對(duì)接接頭的應(yīng)力集中最小，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度最高，對(duì)接接頭的具體形式如圖1（a）所示。采用對(duì)接形式焊接后，對(duì)焊縫表面進(jìn)行加工處理，使焊縫與母材表面平齊，或在二者交界位置采用大圓弧半徑過(guò)渡，可有效降低應(yīng)力集中，未經(jīng)加工的焊接接頭，其焊縫余高e以及過(guò)渡角θ越小，疲勞強(qiáng)度越高。

相對(duì)而言，采用搭接接頭和加蓋接頭焊接的結(jié)構(gòu)，如圖1（b）與1（c）所示，其疲勞強(qiáng)度要低于同等情況下對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度。帶有端面角焊縫的焊接接頭，其疲勞強(qiáng)度與焊縫的形狀有關(guān)。承受疲勞應(yīng)力且未開(kāi)坡口又無(wú)熔深的十字接頭，其疲勞斷裂發(fā)生的位置與焊腳和板厚的比值kδ有關(guān)。根據(jù)以往的研究，在軸向力作用下，當(dāng)k/δ<（0.9～1.0）時(shí)，斷裂一般發(fā)生在焊縫位置；當(dāng)k/δ>（0.9～1.0）時(shí)，斷裂一般會(huì)發(fā)生在焊趾趾端與母材的交界位置；當(dāng)k/δ<（0.9～1.0）時(shí)，疲勞斷裂一般發(fā)生在焊縫位置；焊接結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，承受矩作用下，當(dāng)k/δ<（0.4～0.5）時(shí)，斷裂一般會(huì)發(fā)生在焊縫位置；當(dāng)k/δ>（0.4～0.5）時(shí)，斷裂一般會(huì)發(fā)生在焊縫位置。對(duì)于承受疲勞應(yīng)力且?guī)в衅驴诨蚓哂幸欢ㄈ凵畹氖纸宇^，焊腳和板厚比值kδ的臨界值隨著焊縫熔深的增長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

其次，焊接熱影響區(qū)金屬性能的變化以及應(yīng)力特征對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能有一定程度的影響。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)而言，焊接位置的熱影響區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)材料組織和性能分布最不均勻的位置，焊接母材的原始成分與性能、焊接工藝參數(shù)、材料加工技術(shù)等因素均對(duì)該位置的焊接性能有顯著影響。一般而言，大多數(shù)金屬的疲勞壽命在低周疲勞循環(huán)下與金屬內(nèi)部晶粒的關(guān)系不大，但金屬的疲勞壽命與疲勞強(qiáng)度在高周疲勞下會(huì)因?yàn)榻饘賰?nèi)部晶粒的尺寸增大而減小，因此，在材料的焊接與熱處理過(guò)程中減小工藝因素對(duì)金屬晶粒的影響，對(duì)提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命意義較大。普通低碳鋼的疲勞壽命與金屬內(nèi)部含碳量有關(guān)，但是焊接過(guò)程中熱影響區(qū)的材料組織性能對(duì)不同含碳量的鋼材焊接接頭疲勞強(qiáng)度影響不明顯。焊接結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，其表面的應(yīng)力水平較高，所以疲勞裂紋首先會(huì)在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生，根據(jù)以往的研究結(jié)果，增大結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中的拉應(yīng)力水平會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，而增加壓應(yīng)力水平則會(huì)提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。焊接參與應(yīng)力也對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能有顯著的不利影響，會(huì)降低接頭位置的疲勞強(qiáng)度，焊接結(jié)構(gòu)存在一定水平的焊接殘余應(yīng)力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)建的平均應(yīng)力水平有不同程度的提高，進(jìn)而致使構(gòu)件服役過(guò)程中的應(yīng)力比增大，加速焊接位置的裂紋萌生與擴(kuò)展速率。

最后，焊接缺陷與環(huán)境介質(zhì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響不容忽視。焊接時(shí)產(chǎn)生的氣孔、夾渣、欠焊等焊接缺陷對(duì)焊接接頭的靜態(tài)塑性強(qiáng)度影響較小，但對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度影響較為嚴(yán)重，帶裂紋的焊接接頭存在上述缺陷時(shí)，結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度下降速率顯著增加。焊接工藝帶來(lái)的咬邊現(xiàn)象也會(huì)影響焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能，已有的研究表明，焊接接頭帶有咬邊時(shí)，其百萬(wàn)次的疲勞強(qiáng)度為致密接頭疲勞強(qiáng)度的40%左右。因此，焊接缺陷的種類、尺寸、位置、形式等對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有不同程度的影響。此外，焊接結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境及環(huán)境介質(zhì)對(duì)其疲勞強(qiáng)度存在一定程度的影響。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)在腐蝕介質(zhì)中工作時(shí)，疲勞應(yīng)力與腐蝕的耦合作用會(huì)降低結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，介質(zhì)的腐蝕會(huì)進(jìn)一步加速疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展進(jìn)程，進(jìn)而影響焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

1.2焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂機(jī)理

已有的研究表明，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂過(guò)程實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)在疲勞荷載作用下?lián)p傷的發(fā)展與累積過(guò)程，主要的階段包括初始疲勞裂紋在應(yīng)力集中初的萌生、疲勞裂紋的亞臨界或穩(wěn)定擴(kuò)展、疲勞裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展直至結(jié)構(gòu)斷裂三個(gè)階段。疲勞斷裂不同于常規(guī)的靜力破壞，而是在多次反復(fù)應(yīng)力作用下，經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間后疲勞裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致的破壞，受材料自身性能與構(gòu)件形狀、加工工藝、使用條件等的影響。如圖2所示，典型鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)疲勞斷裂的演化過(guò)程可以分為裂源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、以及瞬間斷裂區(qū)這三個(gè)過(guò)程。

疲勞斷裂發(fā)生之前，結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)明顯的征兆，其具有典型的突發(fā)特性，且具備一定程度的低應(yīng)力脆斷特征，即便結(jié)構(gòu)不含初始缺陷，在反復(fù)循環(huán)加載過(guò)程中也會(huì)萌生裂紋，直至裂紋擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)斷裂，因此結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂屬于典型的穿晶斷裂。

對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)而言，焊接接頭相對(duì)和母材的整體性與均勻性較差，屬于結(jié)構(gòu)的薄弱位置，因此焊接結(jié)構(gòu)的疲勞首先是從焊接接頭位置開(kāi)始發(fā)展，裂紋的孕育和萌生也比母材早，即焊接接頭位置產(chǎn)生疲勞缺陷所需的荷載循環(huán)次數(shù)比結(jié)構(gòu)整體疲勞所需的次數(shù)少，縮短了疲勞裂紋孕育及發(fā)展的進(jìn)程。如圖3所示，為疲勞裂紋的萌生機(jī)理示意圖。

如圖3所示，焊接結(jié)構(gòu)由于焊縫位置材料的不均勻性與焊接過(guò)程自帶的缺陷，焊縫位置會(huì)產(chǎn)生較高水平的應(yīng)力集中現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)比剛才屈服強(qiáng)度高的應(yīng)力水平，導(dǎo)致該位置出現(xiàn)不同程度的位錯(cuò)和塑性變形，進(jìn)而致使焊接位置的局部在最大剪應(yīng)力方向發(fā)生滑移。在反復(fù)循環(huán)荷載作用下，焊縫位置所產(chǎn)生的不同方向的滑移，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件表明產(chǎn)生不同程度的凹入與凸出，疲勞應(yīng)力導(dǎo)致的多次反復(fù)凹凸變形，造成對(duì)應(yīng)位置孕育并萌生疲勞裂紋，裂紋的逐漸擴(kuò)展最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和斷裂。

2焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估及抗疲勞措施

2.1焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法

在斷裂力學(xué)中，一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)及材料的內(nèi)部存在不同程度的微缺陷，通過(guò)建立材料的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)與裂紋幾何尺寸、荷載三者之前的定量關(guān)系，來(lái)描述結(jié)構(gòu)在疲勞荷載作用下的裂紋擴(kuò)展速率da/dN，進(jìn)而構(gòu)建疲勞裂紋的擴(kuò)展公式。根據(jù)Paris等人的研究，將獲得的裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK之間的關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中進(jìn)行描繪，即可得到反映疲勞裂紋擴(kuò)展三個(gè)階段的一條反S型曲線，如圖4所示。

如圖4所示，Ⅰ區(qū)對(duì)應(yīng)1.2所述的疲勞裂紋在應(yīng)力集中處的孕育和萌生階段，此時(shí)da/dN與ΔK的關(guān)系曲線較為陡峭，曲線初始延伸階段對(duì)應(yīng)某一臨界值，一般稱該臨界值為界限應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔKth，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK小于該臨界值時(shí)，認(rèn)為疲勞裂紋處于孕育和萌生階段，不發(fā)生裂紋的擴(kuò)展。Ⅱ區(qū)對(duì)應(yīng)疲勞裂紋的亞臨界或穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK達(dá)到了臨界值ΔKth并繼續(xù)發(fā)展，此時(shí)認(rèn)為焊接結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋開(kāi)始擴(kuò)展。在圖4所示的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中l(wèi)g（da/dN）與lg（ΔK）整體上為線性關(guān)系，根據(jù)以往的研究，可用da/dN與ΔK之間的函數(shù)關(guān)系反映該階段對(duì)應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，即：

依據(jù)實(shí)測(cè)得到的初始裂紋長(zhǎng)度、等效應(yīng)力幅、構(gòu)件的幾何形狀系數(shù)等參數(shù)，即可利用（6）式實(shí)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計(jì)算與預(yù)測(cè)。

2.2焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞措施

基于焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂的影響因素與疲勞斷裂機(jī)理，焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞措施可從抗疲勞設(shè)計(jì)、減小焊接殘余應(yīng)力、表面強(qiáng)化處理、合理布置焊縫、焊縫位置采用涂層保護(hù)及表面處理、及時(shí)消除缺陷等方面入手。

一方面，抗疲勞設(shè)計(jì)的核心思想是通過(guò)降低應(yīng)力集中來(lái)提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。具體的設(shè)計(jì)措施如合理設(shè)計(jì)構(gòu)件形式，從構(gòu)造上降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中；選擇應(yīng)力集中系數(shù)較小的接頭進(jìn)行焊接，搭接接頭盡量用應(yīng)力集中系數(shù)小的對(duì)接接頭代替。焊接過(guò)程中無(wú)法避免使用角焊縫時(shí)，必須采取綜合性措施，保證角接板形狀合理，焊縫根部熔透，進(jìn)而降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)消除殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的不利影響，從根本上提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件采用表面機(jī)械加工的方法，可有效消除結(jié)構(gòu)焊縫附近的缺口和刻槽等缺陷，從而實(shí)現(xiàn)降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，提高構(gòu)件疲勞壽命的目的。

另一方面，控制焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，減小甚至消除焊接接頭位置應(yīng)力集中處的殘余拉應(yīng)力，或者通過(guò)構(gòu)造措施使該處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力等，均可以提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度?？刂坪附託堄鄳?yīng)力的方法包括：施工中適當(dāng)調(diào)整焊接方法、工藝參數(shù)、接頭形式、焊接順序等；采用焊后退火熱處理的方式可降低殘余應(yīng)力的峰值，使應(yīng)力分布更為均勻和平穩(wěn)；對(duì)于質(zhì)量較好、韌性優(yōu)異的結(jié)構(gòu)，在正式投入使用之前，可以通過(guò)多次超載預(yù)壓-卸壓的方式消除殘余應(yīng)力；焊接接頭和局部位置可以采用加熱、碾壓、局部爆炸等方式來(lái)處理殘余應(yīng)力，調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)而提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。

此外，對(duì)焊接位置或母材局部位置進(jìn)行表面處理，也可在一定程度上提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。例如，通過(guò)噴丸、滾壓等方式對(duì)材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，直接提高材料表面層的強(qiáng)度，表面層的抗疲勞強(qiáng)度也隨之提高。在結(jié)構(gòu)和焊縫表面噴涂保護(hù)涂層，降低環(huán)境及腐蝕介質(zhì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響。對(duì)焊縫表面進(jìn)行打磨、拋光等處理，相當(dāng)于減少了結(jié)構(gòu)表面的初始缺陷，也會(huì)降低焊縫表面因凹凸不平或截面突變?cè)斐傻膽?yīng)力集中，從而提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

3小結(jié)

焊接連接方式具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工便捷、連接性能優(yōu)異、用料節(jié)省、適合工業(yè)化生產(chǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，是鋼結(jié)構(gòu)使用中最主要的連接方式之一，焊接結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的反復(fù)循環(huán)荷載作用下會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，在接頭位置產(chǎn)生疲勞裂紋及其他缺陷，極大地降低了焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能及服役性能。本論述基于常見(jiàn)的焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞，分析了焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂的影響因素，其中焊接接頭的形式及應(yīng)力集中對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能有顯著影響，對(duì)接接頭的應(yīng)力集中最小，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度最高。焊接熱影響區(qū)金屬性能的變化以及應(yīng)力特征、焊接缺陷與環(huán)境介質(zhì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能也有不同程度的影響。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂主要階段包括初始疲勞裂紋在應(yīng)力集中初的萌生、疲勞裂紋的亞臨界或穩(wěn)定擴(kuò)展、疲勞裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展直至結(jié)構(gòu)斷裂三個(gè)階段。介紹了基于斷裂力學(xué)理論的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，并從抗疲勞設(shè)計(jì)、控制焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、焊接位置或母材的表面處理等角度介紹了常見(jiàn)的焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞措施。

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