水工金屬結構焊接接頭疲勞強度的分析

孔小青

中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 450000

水利水電工程的金屬結構包括壓力鋼管、鋼閘門和各種設備的啟閉設備。根據大量的統計資料表明，由于疲勞而失效的金屬結構，約占失效結構的90%，如弧形鋼閘門支臂運行時的斷裂，平板鋼閘門吊耳板的疲勞斷裂以及壓力鋼管的疲勞爆裂等事故。因此，提高焊接質量，消除焊接缺陷對減少水工金屬結構疲勞事故的發生有著非常重要的意義。

1 疲勞裂紋源分類

疲勞裂紋源區大致分一下幾個方面：1）有缺陷的材料表面或次表面；2）材料冶金質量或焊接弧坑冶金質量，如非金屬夾渣、氣孔、弧坑裂紋等；3）電弧劃痕；4）內部空洞；5）刀痕，如加工傷等。

2 疲勞斷裂的過程

在水工金屬結構中焊接接頭中，不僅有應力集中，而且這些接頭更容易產生焊接缺陷，同時焊后的焊道殘余應力以及弧坑所形成的冷熱和延遲裂紋也比較高在交變載荷的作用下，構件或接頭從疲勞裂紋源處都可出現宏觀或者微觀的上的塑性變形，在交變應力的作用下會在某些部位的局部地區產生微觀和宏觀裂紋，這些裂紋裂紋進一步擴展到最后的斷裂區域。就會引起破斷，由此可見疲勞斷裂過程一般有3個階段所組成。

1）疲勞裂紋源的激活：在疲勞裂紋源處由于外載荷的影響起到了導火索的作用，從而在應力集中產生初始疲勞裂紋源；

2）疲勞裂紋的穩定擴展階段：疲勞裂紋的穩定擴展過程，在這個過程中在交變載荷的繼續作用下，每一次的應力作用都將加深裂紋的擴展；

3）疲勞斷裂階段：疲勞裂紋在循環載荷的不斷作用下，不斷向前擴展，當進一步擴展到最后斷裂區域后，就可造成構件斷裂。

因此疲勞斷裂的特征是：1）需要多次加載；2）疲勞裂紋擴展緩慢，具有一定的隱蔽性，有時需長達數年或數10年，在此方面尤其應該引起注意；3）疲勞斷裂一般從應力集中處開始，在焊接接頭處斷裂。

3 影響焊接接頭疲勞強度的因素

在水工金屬結構的實際應用中，如果交變載荷的數值和方向變化頻繁時，即使載荷的數值比凈載強度極限小的多，甚至比材料的屈服極限低的多，構件仍然可能遭到破壞。由此可見焊接接頭的疲勞破壞的范圍廣，破壞性大。

1）應力集中的影響

焊接結構中不同的焊接接頭形式和形狀，由于在接頭部位具有不同的應力集中，就可能對接頭的疲勞強度發生程度不同的不利影響。

（1）搭接接頭的的疲勞強度是很低的，因為它相對于疲勞強度較高的對接接頭來說，強度被大大削弱，只有其一半。

（2）丁字和十字接頭，由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，其應力集中系數比對接接頭的高，因此其疲勞強度遠低于對接接頭，未開坡口的角焊縫的十字接頭，當焊縫傳遞工作應力時，其疲勞斷裂發生母材與焊縫趾端交界處和焊縫上的薄弱環節上。

（3）對接接頭由于形狀變化不大，因此應力集中比其他接頭形式要小，只是焊縫加強高和過渡角處會使接頭疲勞強度下降。

2）截面尺寸、表面狀態的影響

（1）當截面的形狀不規則或截面不是平滑過渡時，經過應力循環后尖銳過渡處經歷一次銳化，再鈍化，然后再銳化的循環過程。裂紋在交變載荷的作用下，不斷向前擴展到一定程度后，結構即進入斷裂階段。

（2） 若對焊縫表面進行機械加工，應力集中程度將大大減小，對接接頭的疲勞強度也相應提高。

3）增加載荷的情況

通常情況下對焊接接頭在設計制造過程中遵循一定的載荷分析和安全系數。當交變載荷無論是力的增加或者載荷方向的增加或改變，都將改變焊接接頭疲勞強度的大小。

4）周圍介質的影響

（1）焊接結構件只要處于周圍的環境中，不免都要受到酷暑嚴寒、風吹雨淋以及腐蝕介質影響。但最終的微觀作用歸結為化學應力腐蝕(Stress Corrosion Cracking)簡稱SCC，這是目前非常普遍而又十分復雜的問題。它涉及到力學、電化學、金屬物理、焊接性能等多方面的學科。

（2）金屬材料并不是任何腐蝕介質中都產生應力腐蝕裂紋，材質與介質有一定的匹配性，也就是某種材料只有在某種介質中才產生SCC。對于純金屬一般不產生SCC，只有合金(即使含有微量的合金元素)在某種介質環境下才產生。此外介質的溫度、濃度、腐蝕性強弱等，對SCC的產生與擴展也有影響。

（3）電化學應力腐蝕加交變載荷后開裂機理

①陽極腐蝕開裂，它的腐蝕在應力作用下，陽極發生M+-溶解，即金屬以離子狀態溶入介質：

M → M+-+e

②陰極氫脆開裂，與陽極腐蝕開裂同時發生，電子e在金屬內部直接從陽極流向陰極(即金屬表面)。如果金屬表面存在介質中的H+-，那么電子e與H+-結合成氫原子H，即：

H+-+ e → H

根據化學原理，在此系統中必然有電流導通，同時在交變載荷的作用下，腐蝕應力和外載應力同時作用，這樣就形成了:源裂紋 → 應力裂紋 → 腐蝕裂紋 → 應力裂紋的循環過程，這就更加改變焊接接頭疲勞強度的大小。

5）接頭部位近焊縫區性能的改變

（1）焊接過程中近縫區金屬性能的變化對接頭疲勞強度的影響也是很大的。焊接熱影響區的組織分布是不均勻的，這是由于在焊接線能量的影響下距離線能量中心的遠近造成了熱影響區組織分布的不同。

（2）從焊縫中心（線能量中心區域）到母材劃分以下幾個區域：焊縫金屬 → 熔合區 → 粗晶粒區（過熱區） → 晶粒區（相變重結晶區）→ 不完全重結晶區 →時效脆化區 → 母材。

焊縫熱影響區的組織分布特征及性能

（3）不同熱影響區的硬度變化，實際是不同部位不同金相組織性能的反映。因此這與焊接材料和母材的成分以及焊前、焊中、焊后的溫度條件有很大的關系。

6）焊接殘余應力及缺陷的影響

焊接殘余應力對焊接接頭疲勞強度的降低起到了內因激化作用。同時焊接缺陷的影響也是不可低估的。

（1）表面缺陷比內部缺陷影響大；

（2）未焊透、未熔合、裂縫比圓形缺陷（如氣孔）影響大；

（3）缺陷受力方向與作用力垂直的影響比其他方向大；

（4）位于殘余拉應力內的缺陷比位于殘余拉壓力內的缺陷影響大；

（5）位于應力集中區內的缺陷比在均勻應力場中的同樣缺陷影響大；

（6）當缺陷對材料的敏感度高時，那么它的影響高于其他缺陷。

4 提高焊接接頭疲勞強度的措施

4.1 焊接接頭的設計(結構設計)

不合理的結構設計不但難于制造，而且提高生產成本，同時也可能降低焊接接頭的承載能力和使用壽命。

4.2 母材及焊接材料的選擇

選擇材料必須根據結構接頭的使用要求，如強度、耐腐蝕、耐高溫等。選擇對各種缺陷綜合敏感度較小的材料（即材料的可焊性），如果選用的母材及焊接材料不當，同樣會導致接頭的早期破壞。

4.3 從焊接接頭的工藝措施上考慮

焊接接頭的施工工藝措施主要是為了減少應力集中和盡量消除焊接過程層間的殘余應力，從而提高疲勞強度。從幾方面來注意：焊縫形狀平滑過渡，采用連續焊比斷續焊縫有利；盡量少采用角焊縫，當不得已采用時必須采取綜合措施，如角接板的形狀和機械加工端部；制定合理的工藝規程，如焊前加熱、焊接線能量、焊接順序和焊中與焊后的消應力捶擊處理等。

4.4 機械加工和表面強化處理

用表面機械加工的方法，消除焊縫及其附近的刻槽，可以降低構件的應力集中程度。在焊接接頭處用風錘敲擊、用小輪擠壓或噴丸處理。這樣處理后不但材料表面形成壓應力，而且材料局部加工硬化，可很大提高焊接接頭的疲勞強度。

4.5 焊后熱處理

焊后熱處理不僅可以提高焊接接頭的疲勞強度，而且可以降低冷裂、脆斷傾向，同時也可以降低腐蝕裂紋的傾向和改善接頭的組織。局部熱處理可以采用火焰、紅外、電阻、感應等加熱方式。

4.6 焊后表面處理

通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分和應力狀態，以獲得所需表面性能的系統工程。

l）在噴涂前必須嚴格基體金屬表面的處理，進行脫脂凈化和噴射處理，達到規范規定的清潔度和粗糙度；

2）經表面處理，并進行檢查合格后進行金屬熱噴涂處理；

3）最終根據設計需要在結構表面涂刷保護漆。水工金屬結構涂料涂裝常用涂刷、滾涂、壓縮空氣噴涂和高壓無氣噴涂四種施工方法。

5 結論

隨著國內水電事業的不斷發展， 近年來水工金屬結構疲勞斷裂事故，仍然不斷發生，而且隨著各種水電站的大量投入還有所增加。因此，從安全角度出發，我們更應對它投入大量的人力、財力、物力去重視、去研究。