焊接結構在不同焊接疲勞標準下的研究

楊 浩

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林 132000）

從結構制造特點的角度看，由于焊接結構具有結合強度高、重量輕、可局部修換、靈活性好、便于采用自動化生產等優點，在長期承受靜態或動態載荷的各個領域得到了廣泛應用，特別是焊接工藝技術的不斷推陳出新，更是顯著地提升了焊接結構的實際應用地位。這是焊接結構的諸多優勢，而事實上它還有不足的一面：焊接結構會承受不斷變化的動態載荷，焊接結構本身的幾何不連續性會導致的應力集中使其成為產品結構可靠性的薄弱環節之一[1]。

目前，在國際軌道交通行業上廣泛應用的疲勞評估標準主要有以下幾種：英國BS7608 標準、德國DVS1612 標準、日本JIS 標準、國際焊接學會IIW 標準、EN1993 標準、標準美國ASME/AWS 標準等。這些標準大多都給出了一批基于實驗測試的焊接接頭S-N 曲線疲勞特性參數，因此深入研究上述幾種標準體系，對工業、機械、電子領域焊接結構疲勞壽命預測極為重要。

1 現有焊接方法的研究

焊接就是一種借助外界能量實現加熱、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。而焊接結構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因，外因則是焊接結構受到多大的交變載荷，由于輕量化的需求，焊接結構承受的交變載荷越來越大，這就導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，按其工藝過程的特點分有熔焊、壓焊和釬焊三大類。

1.1 熔焊工藝

即熔化焊，在焊接過程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態，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。電弧焊應用最為廣泛，熔化焊的缺點則是溫度較高，需要氣體的保護，熱影響區成分復雜，焊后殘余應力較大等。

1.2 壓焊工藝

即在焊接過程中，必須對焊件施加壓力（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（對焊、點焊、縫焊）、摩擦焊、旋轉電弧焊、冷壓焊、感應焊、超聲波焊擴散焊等。適用于不可以使用熔化焊的接頭。

1.3 釬焊工藝

焊接過程中，采用比母材熔點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，借助毛細管作用將其吸入到固態間歇內，使釬料與固態工作表面發生原子的相互擴散、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、感應加熱、爐內加熱、鹽浴加熱等。釬焊有焊件變形小，外形美觀的優點。但實際生產中很容易產生氣泡，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，近年來，隨著新技術的發展，針對上述焊接工藝的不足涌現出幾種優質高效的焊接方法：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復雜、焊接缺陷多、需要保護氣體等弊端。成為未來焊接方法的主流。

2 幾種國際疲勞標準的研究

2.1 基于BS 標準的疲勞壽命預測

BS7608 標準，是英國鋼結構疲勞設計與評估使用標準，它對焊接結構的疲勞評估規定詳細，應用廣泛。BS 標準的抗疲勞設計方法是基于名義應力的有限壽命設計；BS 標準的S-N 曲線是用應力范圍△σ 和循環數表示的，且為雙斜率曲線，該標準還考慮了低于疲勞極限的小載荷應力范圍對累積損傷的貢獻，沒有截止線（如圖1）；并以Miner 線性損傷累積理論為基礎，對疲勞壽命進行預測。

圖1 BS7608：2015 標準的 S-N 曲線

2.2 基于IIW 標準的疲勞壽命預測

IIW 標準是來自13 個國家的焊接機構和科學家于1948 年共同建立的。全稱為《IIW 焊接接頭與部件的疲勞設計標準》。IIW 標準的抗疲勞設計方法是基于名義應力的有限壽命設計；IIW 標準疲勞評估與BS 標準疲勞評估類似，也是用應力范圍△σ來度量，因此，它的S-N 曲線是以應力范圍和循環數表示的，為雙斜率曲線，（如圖2）。

圖2 IIW 標準的S-N 曲線（結構鋼）

2.3 基于AWS 標準的疲勞壽命預測

AWS 標準：《美國國家標準—鋼結構焊接規范》，它的主要內容包括焊縫設計、WPS 免除規定、焊接疲勞評估、焊接工藝、焊接質量檢測。AWS 標準的S-N 曲線是用應力范圍△σ 和循環數表示的，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，對疲勞壽命進行預測。

圖3 AWS 標準的S-N 曲線

2.4 基于EN1993 標準的疲勞壽命預測

EN1993-1-9：2005 標準，全稱為《鋼結構設計準則》。EN1993 標準采用應力范圍來描述S-N 曲線。圖4 所示的EN1993 標準的S-N 曲線是以應力范圍和循環數表示的，且為雙斜率曲線，N=2×106循環次數對應的疲勞強度值即為疲勞等級值。所以該標準也是基于名義應力，利用Miner 線性損傷累積理論預測鋼結構的疲勞壽命。

圖4 EN1993 標準的S-N 曲線

2.5 基于結構應力法的壽命計算

ASME-2007：美國機械工程師協會標準。該方法采用基于結構應力的網格不敏感結構應力計算方法（Mesh-insensitive Structural Stress Method）及一條主S-N 曲線預測焊接疲勞強度（見圖5）。并依據Miner 線性損傷累積理論為基礎，對疲勞壽命進行預測。是當今最為有效評估疲勞壽命的標準[3]。

圖1.5 主S-N 曲線試驗數據

3 結 語

文章介紹了國際上廣泛應用的焊接方法及各種疲勞標準，通過對比分析可以得出：焊接結構的疲勞壽命都是基于大量疲勞試驗數據得出的，這些數據總結出與焊接接頭相關的S-N 曲線，都具有固定的斜率。不管是采用名義應力還是結構應力評估疲勞壽命都要以Miner 線性損傷累積理論為基礎。在實際生產中，基于結構應力的主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，使疲勞壽命的評估更加標準化、簡易化，并越來越廣泛地應用到實際生產中。