1. 焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因

　　焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個(gè)方面：

　　① 客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動(dòng)載荷時(shí)，其承受能力卻遠(yuǎn)低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過(guò)早失效的一個(gè)主要的因素；

　?、?早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以靜載強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，沒(méi)有考慮抗疲勞設(shè)計(jì)，或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來(lái)設(shè)計(jì)不合理的焊接接頭；

　?、?工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員對(duì)焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點(diǎn)了解不夠，所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其它金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)形式；

　?、?焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷越來(lái)越大；

　?、?焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)承受動(dòng)載能力的要求越來(lái)越高，而對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度方面的科研水平相對(duì)滯后。

　　2 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要因素

　　2.1 靜載強(qiáng)度對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響

　　在鋼鐵材料的研究中，人們總是希望材料具有較高的比強(qiáng)度，即以較輕的自身重量去承擔(dān)較大的負(fù)載重量，因?yàn)橄嗤亓康慕Y(jié)構(gòu)可以具有極大的承載能力；或是同樣的承載能力可以減輕自身的重量。所以高強(qiáng)鋼應(yīng)運(yùn)而生，也具有較高的疲勞強(qiáng)度，基本金屬的疲勞強(qiáng)度總是隨著靜載強(qiáng)度的增加而提高。

　　但是對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，情況就不一樣了，因?yàn)楹附咏宇^的疲勞強(qiáng)度與母材靜強(qiáng)度、焊縫金屬靜強(qiáng)度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬?gòu)?qiáng)度匹配沒(méi)有多大的關(guān)系，也就是說(shuō)只要焊接接頭的細(xì)節(jié)一樣，高強(qiáng)鋼和低碳鋼的疲勞強(qiáng)度是一樣的，具有同樣的S-N曲線，這個(gè)規(guī)律適合對(duì)接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭型式。Maddox研究了屈服點(diǎn)在386—636MPa之間的碳錳鋼和用6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展情況，結(jié)果表明：材料的力學(xué)性能對(duì)裂紋擴(kuò)展速率有一定影響，但影響并不大。在設(shè)計(jì)承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，試圖通過(guò)選用較高強(qiáng)度的鋼種來(lái)滿足工程需要是沒(méi)有意義的。只有在應(yīng)力比大于+0.5的情況下，靜強(qiáng)度條件起主要作用時(shí)，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強(qiáng)鋼。

　　造成上述結(jié)果的原因是由于在接頭焊趾部位沿溶合線存在有類似咬邊的熔渣楔塊缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半經(jīng)小于0.015mm。該尖銳缺陷是疲勞裂紋開(kāi)始的地方，相當(dāng)于疲勞裂紋形成階段，因而接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命，主要由疲勞裂紋的擴(kuò)展階段決定。這些缺陷的出現(xiàn)使得所有鋼材的相同類型焊接接頭具有同樣的疲勞強(qiáng)度，而與母材及焊接材料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。

　　2.2 應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

　　2.2.1 接頭類型的影響

　　焊接接頭的形式主要有：對(duì)接接頭、十字接頭、T形接頭和搭接接頭，在接頭部位由于傳力線受到干擾，因而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

　　對(duì)接接頭的力線干擾較小，因而應(yīng)力集中系數(shù)較小，其疲勞強(qiáng)度也將高于其他接頭形式。但實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度在很大范圍內(nèi)變化，這是因?yàn)橛幸幌盗幸蛩赜绊憣?duì)接接頭的疲勞性能的緣故。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類型、焊接位置、焊縫形狀、焊后的焊縫加工、焊后的熱處理等均會(huì)對(duì)其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對(duì)接接頭由于墊板處形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，降低了接頭的疲勞強(qiáng)度。這種接頭的疲勞裂紋均從焊縫和墊板的接合處產(chǎn)生，而并不是在焊趾處產(chǎn)生，其疲勞強(qiáng)度—般與不帶墊板的最不佳外形的對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度相等。

　　十字接頭或T形接頭在焊接結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。在這種承力接頭中，由于在焊縫向基本金屬過(guò)渡處具有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此十字或T形接頭的疲勞強(qiáng)度要低于對(duì)接接頭。對(duì)未開(kāi)坡口的用角焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的開(kāi)坡口接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對(duì)于開(kāi)坡口焊透的的十字接頭，斷裂一般只發(fā)生在焊趾處，而不是在焊縫處。焊縫不承受工作應(yīng)力的T形和十字接頭的疲勞強(qiáng)度主要取決于焊縫與主要受力板交界處的應(yīng)力集中，T形接頭具有較高的疲勞強(qiáng)度，而十字接頭的疲勞強(qiáng)度較低。提高T形或十字接頭疲勞強(qiáng)度的根本措施是開(kāi)坡口焊接，并加工焊縫過(guò)渡處使之圓滑過(guò)渡，通過(guò)這種改進(jìn)措施，疲勞強(qiáng)度可有較大幅度的提高。

　　搭接接頭的疲勞強(qiáng)度是很低的，這是由于力線受到了嚴(yán)重的扭曲。采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對(duì)接接頭是極不合理的，由于加大了應(yīng)力集中影響，采用蓋板后，原來(lái)疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭被大大地削弱了。對(duì)于承力蓋板接頭，疲勞裂紋可發(fā)生在母材，也可發(fā)生在焊縫，另外改變蓋板的寬度或焊縫的長(zhǎng)度，也會(huì)改變應(yīng)力在基本金屬中的分布，因此將要影響接頭的疲勞強(qiáng)度，即隨著焊縫長(zhǎng)度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲勞強(qiáng)度增加，這是因?yàn)閼?yīng)力在基本金屬中分布趨于均勻所致。

　　2.2.2 焊縫形狀的影響

　　無(wú)論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對(duì)接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不同，其應(yīng)力集中系數(shù)也不相同，從而疲勞強(qiáng)度具有較大的分散性。

　　對(duì)接焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度影響最大。

　　(1) 過(guò)渡角的影響 Yamaguchi等人建立了疲勞強(qiáng)度和基本金屬與焊縫金屬之間過(guò)渡角(外鈍角)的關(guān)系。試驗(yàn)中W(焊縫寬度)和h(高度)變化，但h/W比值保持不變。這意味著夾角保持不變，試驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞強(qiáng)度也保持不變。但如果W保持不變，變化參量h，則發(fā)現(xiàn)h增加，接頭疲勞強(qiáng)度降低，這顯然是外夾角降低的結(jié)果。

　　(2) 焊縫過(guò)渡半徑的影響 ?Sander等人的研究結(jié)果表明焊縫過(guò)渡半徑同樣對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度具有重要影響，即過(guò)渡半徑增加(過(guò)渡角保持不變)，疲勞強(qiáng)度增加。

　　角焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度也有較大的影響。

　　當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)算厚度a與板厚B之比a/B<0.6～0.7時(shí)，一般斷裂于焊縫；當(dāng)a b="">0.7時(shí)，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對(duì)提高疲勞強(qiáng)度僅僅在一定范圍內(nèi)有效。因?yàn)楹缚p尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面即焊趾端處基本金屬的強(qiáng)度，故充其量亦不能超過(guò)該處的疲勞強(qiáng)度。Soete，Van Crombrugge采用15mm厚板用不同的角焊縫施焊，在軸向疲勞載荷下的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫的焊腳為13mm時(shí)，斷裂發(fā)生在焊趾處基本金屬或焊縫中。當(dāng)焊縫的焊腳小于此值時(shí)，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫上；當(dāng)焊腳尺寸為18mm時(shí)斷裂發(fā)生在基本金屬中。據(jù)此他們提出極限焊腳尺寸：S=0.85B 式中S為焊腳尺寸，B為板厚。可見(jiàn)縱使焊腳尺寸達(dá)到板厚時(shí)(15mm)，仍可得焊縫處的斷裂結(jié)果，這一結(jié)果與理論結(jié)果符合得很好。

　　2.2.3 焊接缺陷的影響

　　焊趾部位存在有大量不同類型的缺陷，這些不同類型的缺陷導(dǎo)致疲勞裂紋早期開(kāi)裂和使母材的疲勞強(qiáng)度急劇下降（下降到80%）。焊接缺陷大體上可分作兩類：面狀缺陷(如裂紋、未熔合等)和體積型缺陷（氣孔、夾渣等），它們的影響程度是不問(wèn)的，同時(shí)焊接缺陷對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響與缺陷的種類、方向和位置有關(guān)。

　　1) ?裂紋 焊接中的裂紋，如冷、熱裂紋，除伴有具有脆性的組織結(jié)構(gòu)外，是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源，它可大幅度降低結(jié)構(gòu)或接頭的疲勞強(qiáng)度。早期的研究己表明，在寬60mm、厚12.7mm的低碳鋼對(duì)接接頭試樣中，在焊縫中具有長(zhǎng)25mm、深5.2mm的裂紋時(shí)(它們約占試樣橫截面積的10%)，在交變載荷條件下，其2×106循環(huán)壽命的疲勞強(qiáng)度大約降低了55%~65%。

　　2) ?未焊透 應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，不一定把未焊透均認(rèn)為是缺陷，因?yàn)橛袝r(shí)人為地要求某些接頭為周部焊透，典型的例子是某些壓力容器接管的設(shè)計(jì)。未焊透缺陷有時(shí)為表面缺陷（單面焊縫），有時(shí)為內(nèi)部缺陷(雙面焊縫)，它可以是局部性質(zhì)的，也可以是整體性質(zhì)的．其主要影響足削弱截面積和引起應(yīng)力集中。以削弱面積10%時(shí)的疲勞壽命與未含有該類缺陷的試驗(yàn)結(jié)果相比，其疲勞強(qiáng)度降低了25%，這意味著其影響不如裂紋嚴(yán)重。

　　3) ?未熔合 由于試樣難以制備，至今有關(guān)研究極其稀少．但是無(wú)可置疑，未熔合屬于平面缺陷，因而不容忽視，一般將其和未焊透等同對(duì)待。

　　4) ?咬邊 ?表征咬邊的主要參量有咬邊長(zhǎng)度L、咬邊深度h、咬邊寬度W。影響疲勞強(qiáng)度的主要參量是咬邊深度h，目前可用深度h或深度與板厚比值(h/B)作為參量評(píng)定接頭疲勞強(qiáng)度。

　　5) ?氣孔 為體積缺陷，Harrison對(duì)前人的有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)， 疲勞強(qiáng)度下降主要是由于氣孔減少了截面積尺寸造成，它們之間有一定的線性關(guān)系。但是一些研究表明，當(dāng)采用機(jī)加工方法加工試樣表面，使氣孔處于表面上時(shí)，或剛好位于表面下方時(shí)，氣孔的不利影響加大，它將作為應(yīng)力集中源起作用，而成為疲勞裂紋的起裂點(diǎn)。這說(shuō)明氣孔的位置比其尺寸對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響更大，表面或表層下氣孔具有最不利影響。

　　6) ?夾渣 ?IIW的有關(guān)研究報(bào)告指明：作為體積型缺陷，夾渣比氣孔對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響要大。

　　通過(guò)上述介紹可見(jiàn)焊接缺陷對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響，不但與缺陷尺寸有關(guān)，而旦還決定于許多其他因素，如表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大，與作用力方向垂直的面狀缺陷的影響比其它方向的大；位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋)比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中同 ?樣缺陷影響大。

　　2.3 焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

　　焊接殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)所特有的特征，因此，它對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響是人們廣為關(guān)心的問(wèn)題，為此人們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)往往采用有焊接殘余應(yīng)力的試樣與經(jīng)過(guò)熱處理消除殘余應(yīng)力后的試樣，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)作對(duì)比。由于焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)也恢復(fù)或部分地恢復(fù)了材料的性能，同時(shí)也由于試驗(yàn)結(jié)果的分散性，因此對(duì)試驗(yàn)結(jié)果就產(chǎn)生了不同的解釋，對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響也就有了不同的評(píng)價(jià)。

　　試舉早期和近期一些人所進(jìn)行的研究工作為例，可清楚地說(shuō)明這一問(wèn)題，對(duì)具有余高的對(duì)接接頭進(jìn)行的2×106次循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，不同研究者得出了不同結(jié)論。有人發(fā)現(xiàn)：熱處理消除應(yīng)力試樣的疲勞強(qiáng)度比焊態(tài)相同試樣的疲勞強(qiáng)度增加12.5%；另有人則發(fā)現(xiàn)焊態(tài)和熱處理的試樣的疲勞強(qiáng)度是一致的，即差異不大；但也有人發(fā)現(xiàn)采用熱處理消除殘余應(yīng)力后疲勞強(qiáng)度雖有增加，但增加值遠(yuǎn)低于12.5%等等。對(duì)表面打磨的對(duì)接接頭試樣試驗(yàn)結(jié)果也是如此，即有的試驗(yàn)認(rèn)為，熱處理后可提高疲勞強(qiáng)度17%，但也有的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，熱處理后疲勞強(qiáng)度沒(méi)有提高等。這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期來(lái)使人困惑不解，直到前蘇聯(lián)一些學(xué)者在交變載荷下進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，才逐漸澄清了這一問(wèn)題。

　　其中最值得提出的是Trufyakov對(duì)在不同應(yīng)力循環(huán)特征下焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響的研究。試驗(yàn)采用14Mn2普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，試樣上有一條橫向?qū)雍缚p，并在正反兩面堆焊縱向焊道各一條。一組試樣焊后進(jìn)行了消除殘余應(yīng)力的熱處理，另一組未經(jīng)熱處理。疲勞強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)采用三種應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)r=-1, 0, +0.3。 在交變載荷下(r=-1)，消除殘余應(yīng)力試樣的疲勞強(qiáng)度接近130MPa，而未經(jīng)消除殘余應(yīng)力的僅為75MPa，在脈動(dòng)載荷下(r=0)，兩組試樣的疲勞強(qiáng)度相同，均為185MPa。而當(dāng)r=0.3時(shí)，經(jīng)熱處理消除殘余應(yīng)力的試樣疲勞強(qiáng)度為260MPa，反而略低于未熱處理的試樣(270MPa)。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是：在r值較高時(shí)，例如在脈動(dòng)載荷下(r=0)，疲勞強(qiáng)度較高，在較高的拉應(yīng)力作用下，殘余應(yīng)力較快地得到釋放，因此殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響就減弱；當(dāng)r增大到0.3時(shí)，殘余應(yīng)力在載荷作用下，進(jìn)一步降低，實(shí)際上對(duì)疲勞強(qiáng)度已不起作用。而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)又軟化了材質(zhì)，因而使得疲勞強(qiáng)度在熱處理后反而下降。這一試驗(yàn)比較好地說(shuō)明了殘余應(yīng)力和焊接熱循環(huán)所引起材質(zhì)變化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響與疲勞載荷的應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)。即在循環(huán)特性值較低時(shí)，影響比較大。

　　前面己指出，由于結(jié)構(gòu)焊縫中存有達(dá)到材料屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力，因此在常幅施加應(yīng)力循環(huán)作用的接頭中，焊縫附近所承受的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)將是由材料的屈服點(diǎn)向下擺動(dòng)，而不管其原始作用的循環(huán)特征如何。例如標(biāo)稱應(yīng)力循環(huán)為+S1到-S2，則其應(yīng)力范圍應(yīng)為S1+S2。但接頭中的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)范圍將是由Sy(屈服點(diǎn)的應(yīng)力幅)到Sy-(S1+S2)。這一點(diǎn)在研究焊接接頭疲勞強(qiáng)度時(shí)是非常重要的，它導(dǎo)致了一些設(shè)計(jì)規(guī)范以應(yīng)力范圍代替了循環(huán)特征r。

　　此外，在試驗(yàn)過(guò)程中，試件的尺寸大小、加載方式、應(yīng)力循環(huán)比、載荷譜也對(duì)疲勞強(qiáng)度有很大的影響

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