焊接結構的疲勞破壞

作者：jql

一、疲勞的定義
疲勞定義為由重復應力所引起的裂紋起始和緩慢擴展而產生的結構部件的損傷，疲勞極限是指試樣受“無數次”應力循環而不發生疲勞破壞的最大應力值。在承受重復載荷結構的應力集中部位，當部件所受的公稱應力低于彈性極限時，就可能產生疲勞裂紋，由于疲勞裂紋發展的最后階段——失穩擴展（斷裂）是突然發生的，沒有預兆，沒有明顯的塑性變形，難以采取預防措施，所以疲勞裂紋對結構的安全性有很大危脅。
焊接結構在交變應力或應變作用下，也會由于裂紋引發（或）擴展而發生疲勞破壞。疲勞破壞一般從應力集中處開始，而焊接結構的疲勞破壞又往往從焊接接頭處產生。

二、影響焊接接頭疲勞性能的因素
焊接結構的疲勞強度,在很大程度上決定于構件中的應力集中情況,不合理的接頭形式和焊接過程中產生的各種缺陷(如未焊透、咬邊等)是產生應力集中的主要原因。除此之外，焊接結構自身的一些特點，如接頭性能的不均勻性，焊接殘余應力等，都對焊接結構疲勞強度有影響。

1．應力集中和表面狀態的影響
結構上幾何不連續的部位都會產生不同程度的應力集中，金屬材料表面的缺口和內部的缺陷也可造成應力集中。焊接接頭本身就是一個幾何不連續體，不同的接頭形式和不同的焊縫形狀，就有不同程度的應力集中，其中具有角焊縫的接頭應力集中較為嚴重。
構件上缺口愈尖銳，應力集中愈嚴重（即應力集中系數K愈大），疲勞強度降低也愈大。不同材料或同一材料因組織和強度不同，缺口的敏感性（或缺口效應）是不相同的。高強度鋼較低強度鋼對缺口敏感，即在具有同樣的缺口情況下，高強度鋼的疲勞強度比低強度鋼降低很多。焊接接頭中，承載焊縫的缺口效應比非承載焊縫強烈，而承載焊縫中又以垂直于焊縫軸線方向的載荷對缺口最敏感。
圖3-1是對三種強度不同結構鋼的軋制表面光滑試件、對接接頭和十字接頭（均未加工）的疲勞極限與應力比r的關系曲線（疲勞圖）。圖中說明，表面光滑（無應力集中）強度高的材料，其疲勞強度也高；對接接頭有了應力集中，這三種材料的疲勞強度都有降低。強度越高降低的幅度也越大；十字接頭因具有更嚴重的應力集中，這三種材料的疲勞強度都降低很多，且都在一個應力水平上。說明在疲勞載荷的作用下由于應力集中的存在使高強鋼失去了其靜載強度方面的優勢。

圖3-2為低碳鋼搭接接頭疲勞試驗結果比較。圖3-2 a是只有側面焊縫的搭接接頭，其疲勞強度只達到母材的34%。焊腳為1：1的正面焊縫的搭接接頭（圖3-2 b），其疲勞強度比只有側面焊縫的接頭略高一些，但仍然很低。正面焊縫焊腳比例為1：2的搭接接頭，應力集中獲得改善，疲勞強度有所提高，但效果不大。如果在焊縫向母材過渡區進行表面機械加工（見圖3-2d），也不能顯著地提高接頭的疲勞強度。只有當蓋板的厚度比按強度條件所要求的增加一倍，焊腳比例為1：38，并經機械加工使焊縫向母材平滑地過渡（圖3-2e），才可提高到與母材一樣的疲勞強度，但這樣的接頭成本太高，不宜采用。
圖3-2f是在對接接頭上加蓋板，這種接頭極不合理，把原來疲勞強度較高的對接接頭大大地削弱了。

表面狀態粗糙相當于存在很多微缺口，這些缺口的應力集中導致疲勞強度下降。表面越粗糙，疲勞極限降低就越嚴重。材料的強度水平越高，表面狀態的影響也越大。焊縫表面波紋過于粗糙，對接頭的疲勞強度是不利的。

2．焊接殘余應力的影響
焊接結構的殘余應力對疲勞強度是有影響的。焊接殘余應力的存在，改變了平均應力  σm的大小，而應力幅σa卻沒有改變。在殘余拉應力區使平均應力增大，其工作應力有可能達到或超出疲勞極限而破壞，故對疲勞強度有不利影響。反之，殘余壓應力對提高疲勞強度是有利的。對于塑性材料，當循環特征r﹤1時，材料是先屈服后才疲勞破壞，這時殘余應力已不發生影響。
由于焊接殘余應力在結構上是拉應力與壓應力同時存在。如果能調整到壓殘余應力位于材料表面或應力集中區則是十分有利的，如果材料表面或應力集中區存在的是殘余拉應力，則極為不利，應設法消除。

3．焊接缺陷的影響
焊接缺陷對疲勞強度影響的大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關。片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔等）影響大；表面缺陷比內部缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其他方向的大；位于殘余拉應力場內的缺陷，其影響比在殘余壓應力場內的大；同樣的缺陷，位于應力集中場內（如焊趾裂紋和根部裂紋）的影響比在均勻應力場中的影響大。

三、 提高焊接結構疲勞強度的措施
由上面討論知道，應力集中是降低焊接接頭和結構疲勞強度的主要原因，只有當焊接接頭和結構的構造合理，焊接工藝完善，焊縫金屬質量良好時，才能保證焊接接頭和結構具有較高的疲勞強度。提高焊接接頭的疲勞強度，一般采取下列措施：

1．降低應力集中
疲勞裂紋源于焊接接頭和結構上的應力集中點，消除或降低應力集中的一切手段，都可以提高結構的疲勞強度。
（1）采用合理的結構形式  ①優先選用對接接頭，盡量不用搭接接頭；重要結構最好把T形接頭或角接接頭改成對接接頭，讓焊縫避開拐角部位；必須采用T形接頭或角接接頭時，希望采用全熔透的對接焊縫。②盡量避免偏心受載的設計，使構件內力的傳遞暢、分布均勻，不引起附加應力。③減小斷面突變，當板厚或板寬相差懸殊而需對接時，應設計平緩的過渡區；結構上的尖角或拐角處應作成圓弧狀，其曲率半徑越大越好。④避免三向焊縫空間匯交，焊縫盡量不設置在應力集中區，盡量不在主要受拉構件上設置橫向焊縫；不可避免時，一定要保證該焊縫的內外質量，減小焊趾處的應力集中。⑤只能單面施焊的對接焊縫，在重要結構上不允許在背面放置永久性墊板；避免采用斷續焊縫，因為每段焊縫的始末端有較高的應力集中。
綜上所述，在常溫靜載下工作的焊接結構和在動載或低溫下工作的焊接結構，在構造設計上有著不同的要求，后者更要重視細部設計。表3-1列出兩種承載情況下構造設計上的差別。
（2）正確的焊縫形狀和良好的焊縫內外質量  ①對接接頭焊縫的余高應盡可能小，焊后最好能刨（或磨）平而不留余高；②T形接頭最好采用帶凹度表面的角焊縫，不用有凸度的角焊縫；③焊縫與母材表面交界處的焊趾應平滑過渡，必要時對焊趾進行磨削或氬弧重熔，以降低該處的應力集中。
任何焊接缺陷都有不同程度的應力集中，尤其是片狀焊接缺陷如裂紋、未焊透、未熔合和咬邊等對疲勞強度影響最大。因此，在結構設計上要保證每條焊縫易于施焊、以減少焊接缺陷，同時發現超標的缺陷必須清除。

2．調整殘余應力
殘余壓應力可提高疲勞強度，而拉應力降低疲勞強度。因此，若能調整構件表面或應力集中處存在殘余壓應力，就能提高疲勞強度。例如，通過調整施焊順序、局部加熱等都有可能獲得有利于提高疲勞強度的殘余應力場。圖3-3所示工字梁對接，對接焊縫1受彎曲應力最大且與之垂直。若在接頭兩端預留一段角焊縫3不焊，先焊焊縫1，再焊腹板對接縫2，焊縫2的收縮，使焊縫1產生殘余壓應力。最后焊預留的角焊縫3，它的收縮使縫1與縫2都產生殘余壓應力。試驗表明，這種焊接順序比先焊焊縫2后焊焊縫1疲勞強度提高30%。圖3-4為縱向焊縫連接節點板，在縱縫端部缺口處是應力集中點，采取點狀局部加熱，只要加熱位置適當，就能形成一個殘余應力場，使缺口處獲得有利的壓殘余應力。
此外，還可以采取表面形變強化，如滾壓、錘擊或噴丸等工藝使金屬表面塑性變形而硬化，并在表層產生殘余壓應力，以達到提高疲勞強度。
對有缺口的構件，采取一次性預超載拉伸，可以使缺口頂端得到殘余壓應力。因為在彈性卸載后，缺口殘余應力的符號總是與（彈塑性）加載時缺口應力的符號相反。此法不宜用彎曲超載或多次拉伸加載。它常與結構驗收試驗結合，如壓力容器作水壓試驗時，能起到預超載拉伸作用。

3．改善材料的組織和性能
1）提高母材金屬和焊縫金屬的疲勞抗力還應從材料內在質量考慮。應提高材料的冶金質量、減少鋼中夾雜物。重要構件可采用真空熔煉、真空除氣、甚至電渣重熔等冶煉工藝的材料，以保證純度；在室溫下細化晶粒鋼可提高疲勞壽命；通過熱處理可以獲得最佳的組織狀態，在提高（或保證）強度同時，也能提高其塑性和韌性。回火馬氏體、低碳馬氏體（一般都有自回火效應）和下貝氏體等組織都具有較高抗疲勞能力。
2）強度、塑性和韌性應合理配合。強度是材料抵抗斷裂的能力，但高強度材料對缺口敏感。塑性的主要作用是通過塑性變形，可吸收變形功、削減應力峰值，使高應力重新分布。同時，也使缺口和裂紋尖端得以鈍化，裂紋的擴展得到緩和甚至停止。塑性能保證強度作用充分發揮。所以對于高強度鋼和超高強度鋼，設法提高一點塑性和韌性，將顯著改善其抗疲勞能力。

4．特殊保護措施

大氣及介質侵蝕往往對材料的疲勞強度有影響，因此采用一定的保護涂層是有利的。例如在應力集中處涂上含填料的塑料層是一種實用的改進方法。