浅谈焊接接头与结构疲劳延寿技术的应用

郭广辉 张衍坤

摘 要：自焊接工艺诞生之日起至今，其得到了飞快的发展和普及，已经在很多领域得到广泛运用，甚至已经成为很多重要技术的工艺支撑。从制造行业到建筑行业，从造车造船到建筑高楼厂房，无一离得开焊接工艺的使用。因此焊接工艺对整个工业行业来说都有至关重要的基础意义。当前焊接接头和结构的疲劳是影响焊接技术发挥作用的最主要问题所在，因此本文从行业经验出发对此进行了相关的探索，并对焊接接头与结构的疲劳延寿技术应用进行了浅析，以期推动焊接工艺的进一步发展和广泛应用。

关键词：焊接接头;焊接结构;疲劳强度;延寿

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.022

1 焊接工艺应用概述

1.1 当前焊接工艺利用背景

焊接是利用加热、高温或者高压的方法，使热塑性材料结合在一起的一种制造工艺。当前焊接这种连接方式被广泛应用于各行业。比方说汽车制造行业、船舶制造行业、航天航空行业、铁路桥梁建设行业，以及住宅厂房写字楼等的建设建筑行业等。可以说涉及到热塑性材料相接连的地方，大都需要焊接工艺。但也正因为焊接工艺中存在的不足，导致在一些高精尖要求的行业中，焊接技术制造的构件还没办法满足其要求。这也一定程度的阻碍了焊接工艺应用的广度和深度。

1.2 当前焊接工艺存在的问题

由定义可知焊接是将热塑性材料焊连在一起，因此焊接构件的主要问题是焊接接头与结构的疲劳失效问题。在焊接技术的应用中，因焊接结构疲劳失效造成的行业制约和经济损失有很多。例如，在海洋及船舶制造行业，焊接结构疲劳时造成船舶损坏的主要原因之一，同时焊接结构的疲劳也是制约海洋平台建设，甚至造成海洋平台事故发生的重要原因之一;在陆路交通行业，焊接结构疲劳会妨害铁路的行使安全、缩短机车的使用年限，同样公路桥梁建设中焊接接头的疲劳也会导致桥梁产生裂纹，无法安全承载交通负荷;在航空领域，焊接结构的疲劳严重影响着飞机发动机或机翼等重要部件的使用寿命;此外在一些机械制造行业，焊接结构疲劳也是制约行业企业发展的关键因素之一……有统计曾显示，焊接结构发生断裂事故的原因中，有九成是因为结构疲劳。因此必须重视焊接构件疲劳的问题，并对其进行延壽技术改善。

2 引起焊接构件疲劳产生的原因

随着焊接工艺的不断发展，焊接技术已经有了很大的提升。当前引起焊接构件疲劳失效造成断裂等问题的因素可以总结成下面几点：首先，焊接接头的疲劳。当焊接构件处在静态，即所受外力不随时间变化，并且其各点的状态也不随时间发生改变时，焊接接头的载荷能力同原材料是一样的，但当焊接构件处于交变动态，即受到大小、方向随时间呈周期性变化的作用力时，其载荷承受能力就会远远不及原材料的能力，这是造成焊接接头出现疲劳失效的主要因素之一。其次，随着各个对焊接有需求的工业行业的发展，对焊接构件的动态载荷承受能力的要求也越来越高，而当前的焊接工艺方面抗疲劳技术的发展跟不上需求速度，导致生产出的焊接构件容易产生疲劳失效。第三，部分专门技术人员对焊接结构的抗疲劳程度不熟悉、或设计标准和结构不规范、或在焊接构件的制造过程中成本质量不达标，最终造成焊接构件不能满足荷载需求，从而容易发生疲劳失效事故。

3 焊接结构疲劳强度的影响元素及延寿技术的应用研究

3.1 焊接结构疲劳强度的影响元素

由上文可知除了人为因素和行业发展因素的影响，焊接工艺中实际造成焊接构件疲劳失效的主要原因是焊接接头疲劳。可以说焊接接头的抗疲劳程度决定着焊接结构的疲劳强度。焊接接头处容易有焊接缺陷，而且还有应力集中与残余拉伸应力等的多重因素影响，这些都是影响焊接构件抗疲劳性能的主要元素。

3.2 焊接构件延寿技术的传统应用

针对上述的影响元素，当前我国对焊接结构的设计规范，将过去以原材料疲劳强度为标准改成以焊接接头的抗疲劳程度为整个构件的疲劳强度标准。这个规定不但会造成材料浪费，而且仍然会因焊接接头处出现的问题，造成整体焊接结构的疲劳失效。因此必须针对各个影响元素采取相应的技术措施来延长焊接构件的寿命。

（1）降低焊接接头处的焊接缺陷。焊接接头处容易有两大类焊接缺陷，一种是表面型的，如有未熔合或未焊透、有裂纹等;一种是体积缺陷，如有气孔或夹渣等。因此要努力提高焊接技术，在焊接过程中严控焊接的质量，来预防、减少和杜绝焊接缺陷的出现。

（2）降低应力集中系数。焊接接头处会有应力集中的情况出现，其中焊接接头的形式和焊缝的形状都会对应力集中系数的大小产生影响。行业经验表明，通常情况下焊接接头的疲劳裂缝会开始于焊根或焊趾处。若消除了焊接根部的裂缝开裂危险，则焊趾处的裂缝防范就十分重要。因此要在焊接接头处改善焊趾的形状，来降低应力集中系数。当前较常使用的方法有以下几种：钨惰性气体熔修、对无缺陷的焊缝表面进行机械加工或砂轮打磨、使用新型特别焊条和锤击法、喷丸法等。

（3）减少焊接残余拉伸应力。减少焊接残余拉伸应力，引入残余压缩应力，可以延长焊接结构的寿命，提高其可靠性。当前比较常用的方法主要有局部加热法、预过载、锤击法、挤压法、喷丸法等。

3.3 焊接构件延寿技术的新应用

最近几年又产生了新的焊接接头和结构延寿技术：超声冲击法和低相变点焊接材料法。其中超声冲击法能通过比较轻巧的设备降低焊趾应力集中系数，并产生残余压缩应力，具有很好的灵活性和可控性，在使用过程中受到的约束较少，且低成本低耗能，是一项高效率的新技术。低相变点焊接材料法是一种操作简单的焊中处理方法，可以较方便的产生压缩应力，对不能进行焊后处理的焊接接缝，尤其适用在使用其的过程中可以通过低相变点焊条焊趾熔修的办法来降低其成本。

4 结语

焊接工艺关系到很多行业的发展，因此必须重视焊接接头与结构疲劳延寿技术的应用，推动焊接技术的升级，为其他行业的发展提供更好的支撑作用。

参考文献：

[1]霍立兴，王东坡，王文先.提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术[A].与时俱进 追求卓越——中国机械工程学会焊接学会四十周年、中国焊接协会十五周年纪念文集[C].2002：13.

[2]王东坡，龚宝明，吴世品，张海，冯延焉.焊接接头与结构疲劳延寿技术研究进展综述[J].华东交通大学学报，2016，33（06）：1-14.

作者简介：郭广辉（1975-），男，山东东平人，中专，研究方向：焊接。