基于焊接結構抗疲勞設計的研究

盧 威 ，薛海華，萬珍珍

(1.張家界航空工業職業技術學院 航空維修工程系，湖南 張家界 427000；2.江西省科學院 應用物理研究所，江西 南昌 330090)

隨著中國現代化制造技術水平的不斷提高，焊接已經成為工業制造中最主要的連接方法之一。而焊接結構是常見的最適合用焊接方法制造的金屬結構，因其具有結構簡單、整體性好、不受外形尺寸限制、強度剛度較大和可靠性高等優點，被廣泛應用于造船、汽車、鐵路、航空航天和建筑工程等領域。但同時也存在一些問題，例如在工程生產中，焊接結構已占到鋼鐵總產量的一半以上，但焊接結構經常出現斷裂現象引發安全生產事故，通過研究和分析發現90%是由于疲勞失效而引起的。在機械制造領域的焊接結構設計中，由于對疲勞認識不足，在設計規范中沒有規定進行抗疲勞設計，僅僅只是生搬硬套其他焊接結構形式和疲勞設計準則[1-2]，以至于出現一些設計不合理的焊接接頭，在復雜的工況條件下，造成疲勞損傷加快從而導致焊接結構因疲勞而過早失效的事故頻繁發生。本文對焊接結構的抗疲勞設計進行了探討。

1 影響焊接結構疲勞強度的因素

應力集中是影響焊接結構疲勞強度的主要原因，容易產生應力集中的因素主要有焊接接頭、焊縫形狀和焊接缺陷。

1.1 焊接接頭

焊接結構生產中常見的接頭形式主要有以下幾種：對接接頭、搭接接頭、T形接頭和十字接頭等。研究表明，焊接接頭由于傳力線受到干擾，很容易產生應力集中現象，不同類型的接頭影響程度不同，如圖1所示。對接接頭結合強度和抗疲勞強度明顯優于其他接頭，是由于對接接頭受力線干擾最小，所以應力集中系數也較小。T形接頭和十字接頭其結合強度和抗疲勞強度低于對接接頭，是因為焊接后在焊縫組織和母材過渡處橫截面產生了明顯突變，造成局部應力集中，降低了接頭強度。搭接接頭由于力線收到了嚴重的扭曲，其應力集中系數最大，疲勞強度最低。因此，設計承受動載的焊接結構時，應優先考慮采用對接接頭的形式，盡量少用甚至不用搭接接頭[3-4]。

圖1 各種接頭形式應力集中程度示意圖Fig.1 Schematic diagram of stress concentration in various joint forms

1.2 焊縫形狀

在焊接生產中，對于常見的對接焊縫和角焊縫，也存在類似情況。

1)對接焊縫的影響。Yamaguchi等在對焊接過渡角對接頭疲勞強度影響的研究中證實：焊接接頭疲勞強度與母材金屬與焊縫金屬之間過渡角a存在一定關聯，如圖2所示。

圖2 對接接頭Fig.2 Butt joint

對接接頭焊縫寬度W和高度h產生變化后，若h/W比值不變，即夾角a保持不變，則疲勞強度也保持不變；若h/W比值增大，即夾角a變小，則接頭疲勞強度降低。此外，聶樹林等[5]在對焊縫過渡半徑對接頭疲勞強度影響的研究中也證明了：當過渡角保持不變，焊縫過渡半徑增加，則疲勞強度也會增加。

2)焊縫形狀的影響。焊縫形狀對焊接接頭疲勞強度的影響，本文主要討論角焊縫的情況。據國內外研究表明：當單個焊縫的計算厚度a與母材厚度B的比值a/B<0.6～0.7時，斷裂情況一般產生于焊縫；當比值a/B>0.7時，則斷裂情況一般產生于母材金屬。但是增加焊縫尺寸對于提高接頭的疲勞強度僅僅只是在一定范圍內有效[6]。因為增加的焊縫尺寸對于改善焊趾端處(截面薄弱處)母材金屬的強度作用不明顯，即便能達到最大的強化效果，也無法超過該焊趾端處的疲勞強度。

1.3 焊接缺陷

焊接過程中產生不同類型的焊接缺陷也是造成應力集中的主要原因。由于這些不同類型的缺陷大量存在于焊接接頭焊趾部位，極易造成焊縫開裂、焊件變形等，從而導致焊接接頭強度急劇下降，母材抗疲勞強度大大降低。常見的焊接缺陷主要有：裂紋、未熔合、未焊透、咬邊等，通常稱之為面狀缺陷；另外還有氣孔、夾渣等，這類缺陷被稱為體積型缺陷。其中對焊接結構強度影響最大的缺陷是裂紋和未焊透[7]。裂紋會產生嚴重的應力集中，研究表明，如果產生占橫截面積10%的裂紋，其2×106循環壽命的疲勞強度就降低了大約55%～65%[8]。未焊透的影響主要因截面積產生突變而引起應力集中，通過與未含有該類缺陷的接頭做疲勞壽命對比試驗發現，當截面積減少10%時，焊接接頭的疲勞強度下降約25%。由此可見，焊接缺陷對焊接結構強度的危害極大，應做好預防措施。

2 焊接結構疲勞設計規范

根據國際焊接學會(IIW)的焊接接頭與部件疲勞設計評估標準，基于Miner累計損傷理論，以預測各類型焊接接頭累積損傷為約束方式來進行焊接結構的抗疲勞設計[9]，既虛擬疲勞試驗技術。該測試技術是基于焊接結構的使用壽命取決于各類型焊接接頭的抗疲勞強度，而焊接接頭抗疲勞強度又由外部所施加的載荷幅度和接頭類型的應力集中情況決定。該標準適用于強度低于700 MPa的碳鋼、碳錳鋼等金屬材料的焊接接頭。疲勞強度評定程序如圖3所示。

圖3 IIW疲勞強度評定程序Fig.3 IIW fatigue strength assessment procedure

焊接結構疲勞強度的評定程序，首先應根據焊接結構實測應力情況和所施加的載荷歷程來編制各焊接接頭的工作狀態應力譜；其次依據Miner累計損傷理論計算等效等幅應力，并結合各焊接接頭類型的相關S-N疲勞強度曲線[10]。綜合以上相關影響因素來預測焊接結構的使用壽命，若預測結果高于實際所需，則證明該接頭類型符合生產要求，可以采用；反之則應繼續改進設計方案和采取必要安全措施進行優化以達到實際需求所需使用壽命。

本試驗根據焊接試樣常幅疲勞試驗的數據建立S-N疲勞強度曲線。計算表達式為：N=c·△σm，各曲線位置取決于式中c值的大小。同時，在計算過程中還應該充分考慮焊縫附近的孔洞和拐角應力集中等因素。

3 結論

在進行焊接結構抗疲勞設計時應注意以下幾點：

1)對于承受彎矩、扭矩、拉伸或壓縮的焊件，應盡量減少或防止焊件的截面產生突變，盡量使焊件橫截面能夠平滑過渡，以避免造成應力源集中；

2)在設計焊接接頭時，應優先考慮采用對接接頭，少采用角接接頭；

3)在采用搭接接頭時，由于形成了角焊縫，在焊縫根部和焊趾處不僅存在偏心彎矩的作用，還有嚴重的應力集中，導致焊件抗疲勞強度大幅降低，應盡量避免采用搭接這種接頭形式；

4)對于焊件中承受載荷的角焊縫，焊縫根部或焊趾處容易成為疲勞失效的危險點，為了降低這些部位的應力集中，可采取下列措施進行優化：①對焊件進行開坡口增加焊縫熔深，可大幅降低焊縫根部的應力集中；②對焊件焊趾處外形進行焊前預加工，盡量避免出現截面突變，可采用圓弧或倒角等過渡形狀以減少該部位的應力集中。

5)處于拉應力場中的焊趾、焊縫端部或其他應力集中情況嚴重的地方(如裂紋)，應增加緩和槽或孔的設計來盡量消除或降低應力集中所帶來的負面影響。