焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞

作者：jql

一、疲勞的定義
疲勞定義為由重復(fù)應(yīng)力所引起的裂紋起始和緩慢擴(kuò)展而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件的損傷，疲勞極限是指試樣受“無(wú)數(shù)次”應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。在承受重復(fù)載荷結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位，當(dāng)部件所受的公稱應(yīng)力低于彈性極限時(shí)，就可能產(chǎn)生疲勞裂紋，由于疲勞裂紋發(fā)展的最后階段——失穩(wěn)擴(kuò)展（斷裂）是突然發(fā)生的，沒(méi)有預(yù)兆，沒(méi)有明顯的塑性變形，難以采取預(yù)防措施，所以疲勞裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性有很大危脅。
焊接結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下，也會(huì)由于裂紋引發(fā)（或）擴(kuò)展而發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞一般從應(yīng)力集中處開(kāi)始，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞又往往從焊接接頭處產(chǎn)生。

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

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

圖3-2為低碳鋼搭接接頭疲勞試驗(yàn)結(jié)果比較。圖3-2 a是只有側(cè)面焊縫的搭接接頭，其疲勞強(qiáng)度只達(dá)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(qiáng)度比只有側(cè)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(yīng)力集中獲得改善，疲勞強(qiáng)度有所提高，但效果不大。如果在焊縫向母材過(guò)渡區(qū)進(jìn)行表面機(jī)械加工（見(jiàn)圖3-2d），也不能顯著地提高接頭的疲勞強(qiáng)度。只有當(dāng)蓋板的厚度比按強(qiáng)度條件所要求的增加一倍，焊腳比例為1：38，并經(jīng)機(jī)械加工使焊縫向母材平滑地過(guò)渡（圖3-2e），才可提高到與母材一樣的疲勞強(qiáng)度，但這樣的接頭成本太高，不宜采用。
圖3-2f是在對(duì)接接頭上加蓋板，這種接頭極不合理，把原來(lái)疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭大大地削弱了。

表面狀態(tài)粗糙相當(dāng)于存在很多微缺口，這些缺口的應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降。表面越粗糙，疲勞極限降低就越嚴(yán)重。材料的強(qiáng)度水平越高，表面狀態(tài)的影響也越大。焊縫表面波紋過(guò)于粗糙，對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度是不利的。

2．焊接殘余應(yīng)力的影響
焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度是有影響的。焊接殘余應(yīng)力的存在，改變了平均應(yīng)力  σm的大小，而應(yīng)力幅σa卻沒(méi)有改變。在殘余拉應(yīng)力區(qū)使平均應(yīng)力增大，其工作應(yīng)力有可能達(dá)到或超出疲勞極限而破壞，故對(duì)疲勞強(qiáng)度有不利影響。反之，殘余壓應(yīng)力對(duì)提高疲勞強(qiáng)度是有利的。對(duì)于塑性材料，當(dāng)循環(huán)特征r﹤1時(shí)，材料是先屈服后才疲勞破壞，這時(shí)殘余應(yīng)力已不發(fā)生影響。
由于焊接殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)上是拉應(yīng)力與壓應(yīng)力同時(shí)存在。如果能調(diào)整到壓殘余應(yīng)力位于材料表面或應(yīng)力集中區(qū)則是十分有利的，如果材料表面或應(yīng)力集中區(qū)存在的是殘余拉應(yīng)力，則極為不利，應(yīng)設(shè)法消除。

3．焊接缺陷的影響
焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。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(nèi)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(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的缺陷，其影響比在殘余壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的大；同樣的缺陷，位于應(yīng)力集中場(chǎng)內(nèi)（如焊趾裂紋和根部裂紋）的影響比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中的影響大。

三、 提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的措施
由上面討論知道，應(yīng)力集中是降低焊接接頭和結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要原因，只有當(dāng)焊接接頭和結(jié)構(gòu)的構(gòu)造合理，焊接工藝完善，焊縫金屬質(zhì)量良好時(shí)，才能保證焊接接頭和結(jié)構(gòu)具有較高的疲勞強(qiáng)度。提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，一般采取下列措施：

1．降低應(yīng)力集中
疲勞裂紋源于焊接接頭和結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中點(diǎn)，消除或降低應(yīng)力集中的一切手段，都可以提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。
（1）采用合理的結(jié)構(gòu)形式  ①優(yōu)先選用對(duì)接接頭，盡量不用搭接接頭；重要結(jié)構(gòu)最好把T形接頭或角接接頭改成對(duì)接接頭，讓焊縫避開(kāi)拐角部位；必須采用T形接頭或角接接頭時(shí)，希望采用全熔透的對(duì)接焊縫。②盡量避免偏心受載的設(shè)計(jì)，使構(gòu)件內(nèi)力的傳遞暢、分布均勻，不引起附加應(yīng)力。③減小斷面突變，當(dāng)板厚或板寬相差懸殊而需對(duì)接時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)平緩的過(guò)渡區(qū)；結(jié)構(gòu)上的尖角或拐角處應(yīng)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(shè)置在應(yīng)力集中區(qū)，盡量不在主要受拉構(gòu)件上設(shè)置橫向焊縫；不可避免時(shí)，一定要保證該焊縫的內(nèi)外質(zhì)量，減小焊趾處的應(yīng)力集中。⑤只能單面施焊的對(duì)接焊縫，在重要結(jié)構(gòu)上不允許在背面放置永久性墊板；避免采用斷續(xù)焊縫，因?yàn)槊慷魏缚p的始末端有較高的應(yīng)力集中。
綜上所述，在常溫靜載下工作的焊接結(jié)構(gòu)和在動(dòng)載或低溫下工作的焊接結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造設(shè)計(jì)上有著不同的要求，后者更要重視細(xì)部設(shè)計(jì)。表3-1列出兩種承載情況下構(gòu)造設(shè)計(jì)上的差別。
（2）正確的焊縫形狀和良好的焊縫內(nèi)外質(zhì)量  ①對(duì)接接頭焊縫的余高應(yīng)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(yīng)平滑過(guò)渡，必要時(shí)對(duì)焊趾進(jìn)行磨削或氬弧重熔，以降低該處的應(yīng)力集中。
任何焊接缺陷都有不同程度的應(yīng)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(duì)疲勞強(qiáng)度影響最大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要保證每條焊縫易于施焊、以減少焊接缺陷，同時(shí)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的缺陷必須清除。

2．調(diào)整殘余應(yīng)力
殘余壓應(yīng)力可提高疲勞強(qiáng)度，而拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度。因此，若能調(diào)整構(gòu)件表面或應(yīng)力集中處存在殘余壓應(yīng)力，就能提高疲勞強(qiáng)度。例如，通過(guò)調(diào)整施焊順序、局部加熱等都有可能獲得有利于提高疲勞強(qiáng)度的殘余應(yīng)力場(chǎng)。圖3-3所示工字梁對(duì)接，對(duì)接焊縫1受彎曲應(yīng)力最大且與之垂直。若在接頭兩端預(yù)留一段角焊縫3不焊，先焊焊縫1，再焊腹板對(duì)接縫2，焊縫2的收縮，使焊縫1產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。最后焊預(yù)留的角焊縫3，它的收縮使縫1與縫2都產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。試驗(yàn)表明，這種焊接順序比先焊焊縫2后焊焊縫1疲勞強(qiáng)度提高30%。圖3-4為縱向焊縫連接節(jié)點(diǎn)板，在縱縫端部缺口處是應(yīng)力集中點(diǎn)，采取點(diǎn)狀局部加熱，只要加熱位置適當(dāng)，就能形成一個(gè)殘余應(yīng)力場(chǎng)，使缺口處獲得有利的壓殘余應(yīng)力。
此外，還可以采取表面形變強(qiáng)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(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以達(dá)到提高疲勞強(qiáng)度。
對(duì)有缺口的構(gòu)件，采取一次性預(yù)超載拉伸，可以使缺口頂端得到殘余壓應(yīng)力。因?yàn)樵趶椥孕遁d后，缺口殘余應(yīng)力的符號(hào)總是與（彈塑性）加載時(shí)缺口應(yīng)力的符號(hào)相反。此法不宜用彎曲超載或多次拉伸加載。它常與結(jié)構(gòu)驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)合，如壓力容器作水壓試驗(yàn)時(shí)，能起到預(yù)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(yīng)從材料內(nèi)在質(zhì)量考慮。應(yīng)提高材料的冶金質(zhì)量、減少鋼中夾雜物。重要構(gòu)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(xì)化晶粒鋼可提高疲勞壽命；通過(guò)熱處理可以獲得最佳的組織狀態(tài)，在提高（或保證）強(qiáng)度同時(shí)，也能提高其塑性和韌性?；鼗瘃R氏體、低碳馬氏體（一般都有自回火效應(yīng)）和下貝氏體等組織都具有較高抗疲勞能力。
2）強(qiáng)度、塑性和韌性應(yīng)合理配合。強(qiáng)度是材料抵抗斷裂的能力，但高強(qiáng)度材料對(duì)缺口敏感。塑性的主要作用是通過(guò)塑性變形，可吸收變形功、削減應(yīng)力峰值，使高應(yīng)力重新分布。同時(shí)，也使缺口和裂紋尖端得以鈍化，裂紋的擴(kuò)展得到緩和甚至停止。塑性能保證強(qiáng)度作用充分發(fā)揮。所以對(duì)于高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，設(shè)法提高一點(diǎn)塑性和韌性，將顯著改善其抗疲勞能力。

4．特殊保護(hù)措施

大氣及介質(zhì)侵蝕往往對(duì)材料的疲勞強(qiáng)度有影響，因此采用一定的保護(hù)涂層是有利的。例如在應(yīng)力集中處涂上含填料的塑料層是一種實(shí)用的改進(jìn)方法。