T 型單邊焊接接頭彎曲疲勞裂紋位置研究

駱波，邵力，張洵浩，盧曦

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

T 型焊接接頭廣泛應用于機械結構中，而交變載荷是其服役過程中常見載荷種類之一，且疲勞裂紋往往出現在焊接接頭附近，因此，對于承受交變載荷機械結構，在設計過程中必須要考慮到焊接件疲勞強度和疲勞壽命。通常，通過對焊接接頭進行疲勞試驗，測定焊接接頭在交變載荷作用下的疲勞壽命[1]，以及確定焊接接頭的疲勞強度[2]。目前，有一些文獻表明焊接接頭的疲勞斷裂位置出現在焊趾處[3]，但并未充分分析其內在原因。本文將以Q345 鋼T 型單邊焊接接頭為研究對象，對其進行彎曲疲勞試驗，并用理論和仿真的方法對焊接結構的應力狀態進行分析，進一步探究初始疲勞裂紋產生原因。

1 材料和方法

1.1 材料

研究所用試樣為T 型焊接試樣，焊接試樣以Q345 鋼為母材，采用單邊焊接，熔透焊。查文獻[4]可知，Q345 鋼屈服強度[4]為345 MPa，抗拉強度為531 MPa，材料化學成分如表1 所示。

表1 焊接母材的化學成分含量Tab.1 Chemical composition content of welding base meta

試樣底端總長為150 mm，寬度為30 mm，高度為25 mm，底座兩端各有直徑為22 mm 的中心圓，中心距為102 mm。上端長度為25 mm，寬度為16 mm，最上端距底端距離為100 mm。T 型模型如圖1 所示。

1.2 方法

（1）根據GBT 232-2010《金屬材料 彎曲試驗方法》[5]對T 型單邊焊接試件做疲勞試驗，實驗裝置圖如圖2 所示。

圖1 T 型模型圖Fig.1 T-shaped model

圖2 帶試樣的實驗裝置圖Fig.2 Diagram of experimental device with sample

實驗中，將試件簡化為受彎曲交變應力的懸臂梁結構，對T 型尾端進行彎曲疲勞加載。通過靜載荷和動載荷的疊加實現加載。先施加靜載荷，然后通過共振疲勞實驗機與試件的共振加載動載荷。加載位置在離焊根55 mm 處，實驗采用應力比為0.1。實驗開始時，先 選 定160，180，200，220 MPa四個應力等級，進行一定的實驗后，根據4 個應力等級的實驗結果，再對實驗等級進行補充或者刪減，最后確定最大應力等級共分為7 個，分別為 160，180，200，220，230，240，250 MPa。

（2）實驗停止后，用肉眼對疲勞裂紋進行觀測，并記錄實驗裂紋位置。

（3）對焊接件受力狀態進行理論和仿真分析，得到理論最大應力處和實際最大應力處，并分析裂紋處產生的原因。

實驗采用Rumul 100 kN 共振疲勞試驗機，實驗頻率為60 Hz，試件的疲勞壽命為失效時的循環次數。實驗失效形式為：（1）當試件發生斷裂時，試件失效，試驗機停止工作；（2）實驗頻率降低10%時，試件與試驗機不能共振，試驗機停止加載。

2 研究結果和分析

2.1 實驗結果

實驗結果中，有21 個試件出現疲勞裂紋，有17 個加載失敗，16 個沒有出現裂紋。200 MPa應力等級下，3 個試樣出現明顯裂紋，裂紋位置為47.44，47.80，48.50 mm；220 MPa 應力等級下，5 個試樣出現裂紋，裂紋位置為40.96，41.10，43.40，49.60，47.00 mm；230 MPa 應 力等級下，5 個試樣出現明顯裂紋，裂紋位置為45.50，45.40，41.50，46.30，46.80 mm；240 MPa應力等級下，5 個試樣出現明顯裂紋，裂紋位置為46.20，47.30，42.00，40.40，45.80 mm；250 MPa應力等級下，共有3 個試件，均出現裂紋，裂紋位置為38.5，41.9，47.9 mm。

實驗有7 個應力等級，共54 個實驗，按照實驗的先后順序，對實驗結果進行記錄。產生裂紋的所有試樣如圖3 所示，詳細實驗結果如表2所示。

圖3 所有產生裂紋的試件圖Fig.3 Diagram of all cracked specimens

表2 所有實驗結果Tab.2 All experimental results

2.2 裂紋位置

由圖3 知，裂紋位置主要出現在焊趾處，從實驗結果中選取應力幅為220 MPa的C07號試件，其放大的裂紋形貌如圖4 所示。

2.3 實驗結果分析

根據表2 可知，C07 幾何尺寸和具體斷裂位置，其受到最大應力幅為220 MPa，厚度為16.05 mm，寬度為30.12 mm的試件為例進行分析。如果使用懸臂梁名義應力計算，加載以及支撐方式可用圖5 進行代替。

圖4 典型裂紋位置圖Fig.4 Typical crack location

圖5 未考慮截面變化的懸臂梁Fig.5 Cantilever beam without considering section change

AFBC 是未考慮截面變化的懸臂梁結果。其中，AFB 為固定邊，CF 的長度為裂紋出現處，即55 mm。F 的大小為6.32 kN。

引入應力公式

由式（1）得最大應力為259.5 MPa。最大應力在F 處，但是實際疲勞出現在D 處，與名義最大應力處不符。

但是名義應力的計算并沒有考慮到懸臂梁的截面變化，因此計算結果并不準確。實際實驗中的試件加載和支撐方式如圖6 所示。

圖6 考慮截面變化的懸臂梁Fig.6 Cantilever beam with considering section change

AEFBDNCM 是考慮截面變化的懸臂梁結果[6]。其中，DE 為焊接增厚邊，DN 的長度為裂紋出現處，即43.4 mm。AEFB 為固定邊，CN 處承受載荷均值為6.32 kN。

由式（1）求得D 處（L=43.4mm）的應力為212.1 MPa。DEF 段可簡化為楔形梁結構。

式中：ε——h2處的慣性矩，。

當x=0，y=12 時，求得E 處的應力值大小為120.3 MPa。

為了進一步驗證理論解的準確性，本文進行了有限元仿真，采用ANSYS 軟件，用solid 8node183 單元對試件進行仿真。材料屈服強度為345 MPa，泊松比為0.3。在網格劃分時，采用每條邊被分為40 份時的立方體單元進行劃分。在處理邊界時，AEFB x 方向、y 方向、z 方向的位移為0，對AEFB 進行固定約束，在CN 平面內施加作用于node 上的沿CN 方向的6.32 kN 的作用力。其他邊界為自然邊界，不做約束。做 plot results von mises stress 。仿真結果如圖7 所示。

圖7 仿真結果圖Fig.7 Simulation result

由理論求得D 處的應力為212.1 MPa，而仿真所得的D 處的實際應力為298 MPa，由此可知，理論應力與實際應力相差86 MPa，因為理論計算不如仿真所得準確，所以采用仿真所得數據。

通過變截面梁理論計算和有限元仿真結果可知，試件實際最大應力處在43.4 mm，與裂紋出現位置相符，因此，本文推測裂紋的出現是此處發生應力集中導致，而實驗中通常采取的名義應力計算方法是有一定誤差的，并不能準確反映T型焊接接頭的實際應力分布。

3 結論

本文按照焊接接頭彎曲疲勞實驗國家標準做彎曲疲勞實驗，記錄并觀察了試件的彎曲疲勞裂紋位置，又對裂紋位置在焊址處的原因進行了適當分析，得出以下結論：（1）疲勞試驗結果中，沒有產生斷裂的情況，只有一部分試件未加載成功。剩下的試件一部分發生疲勞破壞，產生疲勞裂紋，另一部分沒有發生疲勞破壞。應力幅越大，越容易發生疲勞失效，產生疲勞裂紋；（2）對于失效的試件，試件裂紋處在實際最大應力處。

本文對T 型焊接結構件的應力分布和裂紋位置進行了研究，結果表明，實驗中的名義應力計算方法并不能準確得到T 型焊接結構件的最大應力處，而通過變截面梁的理論計算和有限元計算能較準確地找出實際應力最大處，以此推測疲勞裂紋的出現原因是此處應力最大，超過了材料的疲勞強度，從而導致結構失效。