基于焊接结构抗疲劳设计的研究

卢 威 ，薛海华，万珍珍

(1.张家界航空工业职业技术学院 航空维修工程系，湖南 张家界 427000；2.江西省科学院 应用物理研究所，江西 南昌 330090)

随着中国现代化制造技术水平的不断提高，焊接已经成为工业制造中最主要的连接方法之一。而焊接结构是常见的最适合用焊接方法制造的金属结构，因其具有结构简单、整体性好、不受外形尺寸限制、强度刚度较大和可靠性高等优点，被广泛应用于造船、汽车、铁路、航空航天和建筑工程等领域。但同时也存在一些问题，例如在工程生产中，焊接结构已占到钢铁总产量的一半以上，但焊接结构经常出现断裂现象引发安全生产事故，通过研究和分析发现90%是由于疲劳失效而引起的。在机械制造领域的焊接结构设计中，由于对疲劳认识不足，在设计规范中没有规定进行抗疲劳设计，仅仅只是生搬硬套其他焊接结构形式和疲劳设计准则[1-2]，以至于出现一些设计不合理的焊接接头，在复杂的工况条件下，造成疲劳损伤加快从而导致焊接结构因疲劳而过早失效的事故频繁发生。本文对焊接结构的抗疲劳设计进行了探讨。

1 影响焊接结构疲劳强度的因素

应力集中是影响焊接结构疲劳强度的主要原因，容易产生应力集中的因素主要有焊接接头、焊缝形状和焊接缺陷。

1.1 焊接接头

焊接结构生产中常见的接头形式主要有以下几种：对接接头、搭接接头、T形接头和十字接头等。研究表明，焊接接头由于传力线受到干扰，很容易产生应力集中现象，不同类型的接头影响程度不同，如图1所示。对接接头结合强度和抗疲劳强度明显优于其他接头，是由于对接接头受力线干扰最小，所以应力集中系数也较小。T形接头和十字接头其结合强度和抗疲劳强度低于对接接头，是因为焊接后在焊缝组织和母材过渡处横截面产生了明显突变，造成局部应力集中，降低了接头强度。搭接接头由于力线收到了严重的扭曲，其应力集中系数最大，疲劳强度最低。因此，设计承受动载的焊接结构时，应优先考虑采用对接接头的形式，尽量少用甚至不用搭接接头[3-4]。

图1 各种接头形式应力集中程度示意图Fig.1 Schematic diagram of stress concentration in various joint forms

1.2 焊缝形状

在焊接生产中，对于常见的对接焊缝和角焊缝，也存在类似情况。

1)对接焊缝的影响。Yamaguchi等在对焊接过渡角对接头疲劳强度影响的研究中证实：焊接接头疲劳强度与母材金属与焊缝金属之间过渡角a存在一定关联，如图2所示。

图2 对接接头Fig.2 Butt joint

对接接头焊缝宽度W和高度h产生变化后，若h/W比值不变，即夹角a保持不变，则疲劳强度也保持不变；若h/W比值增大，即夹角a变小，则接头疲劳强度降低。此外，聂树林等[5]在对焊缝过渡半径对接头疲劳强度影响的研究中也证明了：当过渡角保持不变，焊缝过渡半径增加，则疲劳强度也会增加。

2)焊缝形状的影响。焊缝形状对焊接接头疲劳强度的影响，本文主要讨论角焊缝的情况。据国内外研究表明：当单个焊缝的计算厚度a与母材厚度B的比值a/B<0.6～0.7时，断裂情况一般产生于焊缝；当比值a/B>0.7时，则断裂情况一般产生于母材金属。但是增加焊缝尺寸对于提高接头的疲劳强度仅仅只是在一定范围内有效[6]。因为增加的焊缝尺寸对于改善焊趾端处(截面薄弱处)母材金属的强度作用不明显，即便能达到最大的强化效果，也无法超过该焊趾端处的疲劳强度。

1.3 焊接缺陷

焊接过程中产生不同类型的焊接缺陷也是造成应力集中的主要原因。由于这些不同类型的缺陷大量存在于焊接接头焊趾部位，极易造成焊缝开裂、焊件变形等，从而导致焊接接头强度急剧下降，母材抗疲劳强度大大降低。常见的焊接缺陷主要有：裂纹、未熔合、未焊透、咬边等，通常称之为面状缺陷；另外还有气孔、夹渣等，这类缺陷被称为体积型缺陷。其中对焊接结构强度影响最大的缺陷是裂纹和未焊透[7]。裂纹会产生严重的应力集中，研究表明，如果产生占横截面积10%的裂纹，其2×106循环寿命的疲劳强度就降低了大约55%～65%[8]。未焊透的影响主要因截面积产生突变而引起应力集中，通过与未含有该类缺陷的接头做疲劳寿命对比试验发现，当截面积减少10%时，焊接接头的疲劳强度下降约25%。由此可见，焊接缺陷对焊接结构强度的危害极大，应做好预防措施。

2 焊接结构疲劳设计规范

根据国际焊接学会(IIW)的焊接接头与部件疲劳设计评估标准，基于Miner累计损伤理论，以预测各类型焊接接头累积损伤为约束方式来进行焊接结构的抗疲劳设计[9]，既虚拟疲劳试验技术。该测试技术是基于焊接结构的使用寿命取决于各类型焊接接头的抗疲劳强度，而焊接接头抗疲劳强度又由外部所施加的载荷幅度和接头类型的应力集中情况决定。该标准适用于强度低于700 MPa的碳钢、碳锰钢等金属材料的焊接接头。疲劳强度评定程序如图3所示。

图3 IIW疲劳强度评定程序Fig.3 IIW fatigue strength assessment procedure

焊接结构疲劳强度的评定程序，首先应根据焊接结构实测应力情况和所施加的载荷历程来编制各焊接接头的工作状态应力谱；其次依据Miner累计损伤理论计算等效等幅应力，并结合各焊接接头类型的相关S-N疲劳强度曲线[10]。综合以上相关影响因素来预测焊接结构的使用寿命，若预测结果高于实际所需，则证明该接头类型符合生产要求，可以采用；反之则应继续改进设计方案和采取必要安全措施进行优化以达到实际需求所需使用寿命。

本试验根据焊接试样常幅疲劳试验的数据建立S-N疲劳强度曲线。计算表达式为：N=c·△σm，各曲线位置取决于式中c值的大小。同时，在计算过程中还应该充分考虑焊缝附近的孔洞和拐角应力集中等因素。

3 结论

在进行焊接结构抗疲劳设计时应注意以下几点：

1)对于承受弯矩、扭矩、拉伸或压缩的焊件，应尽量减少或防止焊件的截面产生突变，尽量使焊件横截面能够平滑过渡，以避免造成应力源集中；

2)在设计焊接接头时，应优先考虑采用对接接头，少采用角接接头；

3)在采用搭接接头时，由于形成了角焊缝，在焊缝根部和焊趾处不仅存在偏心弯矩的作用，还有严重的应力集中，导致焊件抗疲劳强度大幅降低，应尽量避免采用搭接这种接头形式；

4)对于焊件中承受载荷的角焊缝，焊缝根部或焊趾处容易成为疲劳失效的危险点，为了降低这些部位的应力集中，可采取下列措施进行优化：①对焊件进行开坡口增加焊缝熔深，可大幅降低焊缝根部的应力集中；②对焊件焊趾处外形进行焊前预加工，尽量避免出现截面突变，可采用圆弧或倒角等过渡形状以减少该部位的应力集中。

5)处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其他应力集中情况严重的地方(如裂纹)，应增加缓和槽或孔的设计来尽量消除或降低应力集中所带来的负面影响。