國內外規范中鋁合金焊縫形式對強度及疲勞的影響分析＊

同濟大學機械與能源工程學院 上海 201804

0 引言

鋁合金是工業中應用最廣泛的有色金屬結構材料，世界年產量僅次于鋼，在現代工程技術中有舉足輕重的地位。相比于鋼材，鋁合金強度不低，且密度小，質量輕，沖擊韌性良好，加工性能良好，可根據需要進行擠壓成型，耐腐蝕性強，基本不需要進行特別維護，廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶、橋梁等領域。在起重機械領域上，鋁合金主要運用在一些輕小型設備，如電動葫蘆，小型鋁合金龍門架，懸臂吊和吊籃等，在某些特殊大型設備如登船棧橋等也開始有重要應用。圖1為外伸距達46 m的可伸縮式鋁合金登船棧橋[1]。

圖1 46 m可伸縮式登船棧橋

從設計輕量化考慮，桁架結構相比箱型結構要輕約20%左右，特別是對于大跨度的結構而言，桁架結構在輕量化方面的優勢較為明顯，同時由于風力系數小所受風載會相對較小。但對于桁架結構而言，桁架之間的焊接接頭需要處理得當。工程機械中大量數據表明，焊接結構的強度疲勞破壞往往是從焊接接頭處產生，尤其是經常處于滿載工作狀態的起重機設備，對此需要著重設計結構的焊接接頭。鋁合金化學活性較強，焊接時不易熔合，結構焊接過程中，必須考慮由熱影響區軟化作用帶來的不利影響[2]。同時不同焊縫形式下的焊接熱影響區帶來的不利影響也不盡相同。國內外規范都對各焊縫形式的焊縫高度及焊縫有效面積，對應的熱影響區帶來的強度減弱計算，以及相應的疲勞強度計算方法都進行了詳細的描述，但各國規范，主要以我國現行GB50429—2007《鋁合金設計規范》（以下簡稱GB50429）[3]，EN 1999－1－2007《歐洲鋁合金規范》（以下簡稱 EN1999）[4，5]和ADM 2015《美國鋁合金規范》（以下簡稱ADM2015）[6]為例，它們雖有相似之處但不盡相同。其中GB50429對EN1999，英規和ADM2015均有一定參考，并結合相關試驗結果而來。

本文基于國內外主要的鋁合金設計規范，針對典型焊縫的設計計算進行分析比較，從焊縫形式出發，針對焊縫及熱影響區的計算包括強度折減、疲勞強度分析，說明不同規范對于鋁合金結構焊縫形式設計計算的要點和區別，并以鋁合金棧橋的設計為例進行說明。

1 焊縫形式

焊縫將兩個焊件連接形成整體，根據焊接金屬的形狀和焊件的相互位置的不同，可將焊縫分為對接焊縫，角焊縫，塞焊縫和電鉚焊。對接焊縫常用于板件與板件或板件與型材之間的拼接；角焊縫常用于搭接連接；塞焊縫和電鉚焊應用較少，其主要為了減少焊縫長度。

由于對接焊縫和角焊縫最為常見，三種規范中對其描述也更為詳細，此外塞焊縫和電鉚焊在ADM2015中也進行了簡單闡述。故本文主要針對對接焊縫和角焊縫進行展開。

1.1 對接焊縫

對接焊縫是指在焊件的坡口面間或一焊件的坡口面與另一焊件端面間焊接形成的焊縫，其中焊縫截面常加工成各種形狀的坡口，如V形、U形、X形等，故又稱為坡口焊縫。以V形焊縫為例，如圖2所示。有焊縫面積AW=LWSW，Sw為對接焊縫的有效厚度，一般為對接焊縫平行于構件厚度方向的最小距離；Lw為焊縫的有效長度，對于拉壓應力或剪應力，其為垂直于應力方向上的焊縫長度。

圖2 對接焊縫

在GB50429中規定對于不采用引弧板時，取焊縫有效長度為Lw,eff=Lw-2Sw。

1.2 角焊縫

角焊縫是指沿兩直交或斜交構件的交線所焊接的焊縫。根據焊縫的截面形狀，焊縫可以有凹面，平面及凸面。

以直角焊縫為例，如3圖所示。有效焊縫面積Aw=Lw,eff·Sw,eff，Sw為角焊縫的直角邊高度，即焊腳尺寸，而Sw,eff為構件交線即焊腳交點到焊縫斜面的垂直距離，一般也是整個焊縫截面的最小高度，Lw為焊縫長度，對于拉壓應力或剪應力，其為垂直于應力方向上的焊縫長度；Lw,eff為焊縫的有效長度。

圖3 角焊縫

在GB50429中，一般對于直角角焊縫，取Sw,eff=0.7Sw，Lw,eff=Lw-2Sw。在EN1999中，對于Lw≥100Sw,eff時，有效焊縫長度的取值會進行縮減，Lw,eff=Lw（1.2-0.2Lw/100a）。

而在ADM2015中規定，當Lw≥4Sw時，Sw,eff=Lw,eff/4，且需滿足40≤Lw,eff≤100Sw。

三種規范中主要討論的是直角角焊縫，對于斜角角焊縫的計算由于缺乏相關的實驗數據和統計資料并未列出。

由于構件受力一般為垂直或平行于構件表面，而角焊縫的有效面為斜向于構件表面，相對于角焊縫，其受力形式會相對的更加復雜。

2 強度計算

2.1 焊接熱影響區

焊接熱影響區HAZ（Heat Affected Zone）是指在焊接熱循環作用下，焊縫兩側處于固態的母材發生明顯的組織和性能變化的區域。焊接接頭由焊縫、熔合區和熱影響區三個部分組成，焊接時要保證焊接接頭的質量，就必須使焊縫和熱影響區的組織與性能同時都達到要求。對于一般焊接結構而言，主要考慮熱影響區的硬化、脆化、韌化、軟化，以及綜合的力學性能、耐蝕性能和疲勞性能等，這要根據焊接結構的具體使用要求來決定。

焊接熱影響區的軟化作用表現為冷作強化或熱處理強化的金屬或合金在焊接熱影響區出現的不同程度的失強現象，其中最典型的為調質高強鋼或熱處理的強化合金如鋁合金，在熱影響區內都會存在強度減小的現象。前者鋼結構的焊接熱影響區寬度相對于鋁合金較小，根據焊接方式等不同其取值也不同，一般采用電弧焊寬度為5～10 mm，氣焊寬度為25～30 mm[7，8]。后者鋁合金結構對焊接熱影響的軟化作用更為敏感，位于焊接熱影響區母材的力學性能會發生顯著地弱化。因此，對鋁合金焊縫及鋁合金構件的承載力計算時，必須考慮焊接熱影響區引起的連接處力學性能的弱化。

在GB50429和EN1999中，對于考慮焊接熱影響區因素的焊接鋁合金結構，對于焊縫局部分析，一般其靜強度計算采用對抗拉強度σb和屈服強度σs折減，而對于整體結構計算而言，其構件熱影響區處對強度不進行折減，但需要對截面進行折減；而在ADM2015中對構件承載力計算也需要對截面進行折減，但對于焊接金屬計算并未直接對其強度進行折減，而是對應地直接列出了焊縫金屬與構件材料的最小許用抗拉強度和抗剪強度，兩者的計算皆可直接利用計算強度與其進行比較。對于有效截面的計算均采用了有效厚度法，將在熱影響區內的構件厚度乘以相應的折減系數達到厚度上的折減，從而對截面進行折減，此時構件的強度設計值不進行折減，而對應的強度計算值會由于截面的折減而增大，進而將兩者進行比較。

三種規范對于焊接金屬和構件材料的強度計算大同小異，在對于不同金屬材料折減系數ρhaz和熱影響區寬度bhaz會略有不同，最終會體現在不同焊接形式的強度折減和截面折減。圖4為不同焊接接頭形式下的熱影響區范圍bhaz。

圖4 不同焊接接頭形式下的熱影響區范圍bhaz

GB50429中指出對于熔化極惰性氣體電弧焊（MIG焊）和鎢極惰性氣體保護電弧焊（TIG焊）連接的5系冷加工合金和6系熱處理合金，熱影響區范圍計算應按照表1規定。

表1 GB50429—2007焊接熱影響區寬度

表1中，t為焊接件平均厚度。T1<60℃時，a=1；60℃

而EN1999規定對于MIG焊接的3、5系列冷加工合金和6、7系列鋁合金其對應的熱影響區范圍如表2所示。而由于TIG焊接能量相對更高其焊接熱影響區也會對應增大，如t<6時，bhaz=30 mm。

表2 EN 1999-1-1—2007焊接熱影響區范圍

表2中，T1<60℃時，a=1；60℃

而對于ADM2015，其與GB50429和EN1999不同的是將任意型號鋁合金的熱影響區范圍均取為25 mm。

對于熱折減系數，其表現為折減后的熱影響區的抗拉強度fu.haz和屈服強度fo.haz，即強度設計值，將其與強度計算值進行個比較，其計算為

幾種常見的鋁合金材料熱影響區折減系數如表3所示，其中GB50429中對于抗拉強度和屈服強度都取相同值，ADM2015中并未展現出具體折減系數的大小，其根據焊接熱影響區下材料的最小抗拉強度和屈服強度與對應名義強度比值而得。

表3 部分鋁合金材料熱影響區折減系數

2.2 焊縫連接強度計算

鋁合金結構焊接連接設計時，應計算焊縫的強度以及鄰近焊縫的鋁合金構件點熱影響區的強度，且焊縫的強度設計值宜大于鋁合金構件熱影響區的強度設計值。三種規范中對于焊縫金屬的計算主要討論了對接焊縫和直角角焊縫，其他接頭如T形接頭可由其進行衍生。

2.2.1 對接焊縫強度

對接焊縫受載情況如圖5所示，對于對接焊縫而言

圖5 對接焊縫受載情況

正應力作用時

剪應力作用時

組合作用時，正應力和剪應力需要分別驗算，同時需要進行組合驗算

2.2.2 角焊縫強度

如圖6所示，對于直角角焊縫而言，陰影部分為焊縫有效截面，F為平行于板件的拉力。

在圖6中，σ⊥為垂直于焊縫有效截面的正應力，σ//為平行于焊縫有效截面的正應力，τ⊥為有效截面上垂直于焊縫長度方向的剪應力，τ//為有效截面上平行于焊縫長度方向的剪應力。

圖6 對接焊縫受載情況

對于GB1999和EN50429，強度計算公式實質同鋼結構一致，計算公式為

此外，在GB50429中，焊縫在受通過焊縫形心的載荷時，如圖7為T形雙邊角焊縫受載情況，分別為正面角焊縫和側面角焊縫。

圖7 T形雙邊角焊縫受載情況

受拉壓力，剪力和綜合作用可分別計算為

對于上述情況，在EN1999中對于T形雙邊角焊縫只需對受拉壓和受剪分別計算即可，且對應的βf1=1/0.7，βf2=1/0.85。

而對于ADM2015，角焊縫下不論接頭形式如何，只需計算對應的剪應力即可，計算公式同對接焊縫τ=F/Lw,effSw,eff≤ Fsuw/nu。

2.3 構件焊接熱影區強度

由于熱影響區的軟化作用影響，在熱影響區寬度bhaz范圍內的焊接結構件也需要進行校核計算。在三種規范中，對于考慮焊接熱影響區因素的焊接鋁合金結構構件的承載力計算，都需要對截面進行折減，有效截面的計算采用有效厚度法，即在熱影響區范圍內的構件厚度需要乘以相應的折減系數，即teff=ρu.hazt或teff=ρo.hazt。

對于軸心拉壓力，受力垂直于焊縫熱影響區的臨界失效面，有

對于焊縫受剪切力

而對于軸心拉壓與剪力組合情況

式中：σhaz和τhaz分別為垂直和平行于焊縫長度方向的計算正應力與剪應力，由對應方向上的載荷除以構件折減后的有效面積計算所得；fu,haz和fv,haz分別為構件材料焊接熱影響區的抗拉壓強度和抗剪強度設計值。

對于GB50429，fu,haz和fv,haz皆可根據對應材料查表可得，且n=1。

對于ADM2015，其計算與焊縫強度計算相同，fu,haz和fv,haz均查表可得，n=1.95。

3 疲勞強度

鋁合金雖然質量輕，強度高，加工性能良好，但鋁合金相比常規Q235，Q355等普通結構鋼韌性較差，容易出現應力集中和裂紋，產生裂紋后容易進入快速斷裂區域從而發生危險，抗疲勞特性較差，故對鋁合金疲勞強度需要嚴格控制，以保證結構安全。

一般情況下，零件或構件受交變載荷的反復作用下，會在其局部位置產生疲勞裂紋并擴展，最終斷裂產生疲勞破壞。構件受交變疲勞載荷作用下引起的應力也稱為交變應力，其循環應力隨時間周期變化，一個周期應力變化過程為一個應力循環，其特點用最大應力σmax，最小應力σmin和周期T來描述。而在疲勞載荷中一般引入應力幅σa和應力范圍。

其反映了交變應力在一個應力循環中的變化大小程度，為動載分量，是金屬構件發生疲勞破壞的根本原因。

當受不對稱循環交變載荷時，除了動載分量還有靜載分量，這種不對稱可用應力比R表示，靜載分量用平均應力σm表示。

對于給定的循環應力水平，一般需要知道應力幅σa和應力比R，或最大應力σmax和平均應力σm。

一般情況下，材料所受循環應力幅越小，到發生疲勞斷裂所經歷的應力循環次數越長，S-N曲線就是材料所承受應力幅水平與該應力幅下發生疲勞破壞時所經歷的應力循環次數的關系曲線。三種規范中的S-N曲線在無缺口標準試樣的實驗結果，實際零部件的形狀，尺寸，表面狀態，載荷情況等都會對疲勞強度產生一定影響。如受不對稱循環載荷時，雖然產生疲勞破壞的根本原因為動應力分量即應力幅，但靜應力分量即平均應力也會有一定影響。如圖8所示，為EN1999中規定的鋁合金疲勞曲線log△σ- logN，標準中給出的相關曲線數據為在高拉伸應力（即平均應力水平較高）試驗下的相關疲勞強度數據，包括△σc、△m1，對于低拉伸應力和壓縮應力，可根據應力比大小對其進行適當調整，其壽命可相對加長，故本節中計算相對更加保守。

圖8 鋁合金疲勞曲線(log△σ- logN)

圖中:△σD為等幅疲勞極限，一般定義在ND=5 106處，當N > ND時，需要考慮高周疲勞應力帶來的影響，而當N < ND時，由于裂紋擴展等特性也需要考慮其低周疲勞影響，其斜率會相對更大；△σc為在NC=2 106

當105≤N≤5 106時，有

當5106≤N≤108時，有

式中：Ni為計算應力范圍△σi下疲勞之前所能達到的應力循環次數，γFf和γMf分別為載荷和材料不確定性的分項系數，一般γMf=1.0，γFf根據受力情況進行選取。m1和m2分別為上圖中直線斜率的倒數，且一般m2=m1+2。故當求得計算應力范圍△σi后可計算出對應的預測應力循環次數，再將其與許用次數進行比較可校核其疲勞強度，另外也可利用許用次數求對應的許用應力范圍進而和實際計算應力范圍進行比較。

GB50429中并未對鋁合金疲勞進行闡述，一般是根據歐洲規范或者利用鋼結構規范[9，10]對鋁合金疲勞強度進行計算。

而ADM2015中僅介紹了N在105≤N≤5 106內下的疲勞強度的計算。且對于等幅載荷作用下，需滿足

式中：Sra為計算應力范圍，Srd為許用應力范圍，N為疲勞破壞載荷循環次數，Cf和 m為常數，查表可得，不同焊接形式下取值不同。對于變幅載荷作用，需要將其轉化為等效應力范圍進行計算。

4 鋁合金登船棧橋算例

以某鋁合金可伸縮式登船棧橋為例，如圖9所示為利用SAP2000建立的該棧橋的固定桁架和伸縮桁架模型，其中不同顏色表示不同截面的桁架。該棧橋桁架材料為Al 6082 T6，焊縫材料為Al 5083 H321，均采用MIG焊且退火溫度為常溫。

圖9 鋁合金登船棧橋模型

4.1 對接焊縫

如圖10所示，以鋁合金桁架之間的對接焊縫連接為例，分析各國規范對該處焊縫和熱影響區的強度及疲勞，此處鋁合金桁架節點根據較為惡劣工況下模型計算得對應的正拉力為141 589 N。

圖10 桁架對接焊縫連接及截面形式

其中右側截面為兩個正方形箱形截面兩側上下對接焊縫連接組合而成，陰影部分為對接焊縫截面，采用全熔透形式，焊縫厚度為12 mm，由于焊縫采用閉合方形，故計算焊縫面積可直接使用陰影部分面積進行計算。表4中的強度設計值已經考慮了對應的分項系數，疲勞計算校核為許用應力循環次數在5 106下為標準進行校核。

表4 該處鋁合金對接焊縫計算

本例中焊縫和構件的強度設計值為受拉壓時的設計值，焊縫長度由于偏短各國規范并未進行折減，且有效焊縫厚度均相等，導致焊縫的計算強度是一致的。而對于構件的熱影響區強度，由于熱折減的厚度不同會導致折減面積不同從而熱影響區計算強度會有所差別，其中熱影響區厚度GB50429最大，ADM2015最小，而熱影響區強度設計值則GB50429最小，而ADM2015最大，可見GB50429鋁合金設計相比于EN1999和ADM2015會相對保守。而疲勞校核由于GB50429一般參考EN1999或依照鋼結構設計規范進行求取故未單獨列出，此外EN1999和ADM2015的疲勞應力范圍設計值相差不大，而計算應力范圍由于對應的相關系數不同會有一定差距。經過計算，可見該處鋁合金對接焊縫的強度及疲勞滿足設計要求。

4.2 角焊縫

如圖11所示，以棧橋根部下端焊接耳板Part II水平角焊縫為例，其焊接形式為直角角焊縫，焊角高度為20 mm，焊縫受水平力F1=2 425 904 N，此時焊縫主要受剪力。

圖11 桁架根部耳板角焊縫連接

其中對應的焊縫強度和疲勞計算如表5所示，對應的強度設計值為受剪設計值，由于該處本身就是對桁架截面部分的加強，故不需另外校核焊接熱影響區，主要考慮焊縫的強度和疲勞計算。

表5 耳板鋁合金角焊縫計算

5 結語

本文以各國規范中對對接焊縫和角焊縫的結構形式進行展開，并依次介紹了相應的焊縫和熱影響區的強度和疲勞計算，并最后以鋁合金可伸縮登船棧橋為例，利用三種規范對兩種焊縫進行計算校核。

在各國鋁合金規范中，GB50429主要從EN1999中參考而來，對接焊縫和角焊縫的計算，構件的熱影響區截面折減及強度計算等參考計算公式基本一致，僅表現在相關系數的差別，且相應的熱影響區厚度、應力分項系數等相比于EN1999更大。而ADM2015中采用的焊縫計算公式相對單一，并未考慮復雜焊接形式如T形焊縫等及復合受力下的計算，此外其使用相同的焊縫熱影響區寬度，而并未考慮各種材料和熱處理方式帶來的影響，但與此同時其分項系數會相對偏大使得強度設計值會相對更大。