提高焊接接頭疲勞性能的研究進展和最新技術(shù)

1、提高焊接接頭疲勞性能的研究進展和最新技術(shù)提高焊接接頭疲勞性能的研究進展和最新技術(shù)天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 霍立興 王東坡 王文先 1 1焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題以及研究意義焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題以及研究意義1.11.1 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題 自從 20 世紀(jì)初涂藥焊條發(fā)明至今一百年來，焊接已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的工藝方法，很難找出另一種發(fā)展如此之快，并在應(yīng)用規(guī)模和多樣化方面能與焊接相比的工藝，以至于當(dāng)代許多最重要的技術(shù)問題必須采用焊接才能解決，例如：造船、鐵路、汽車、航空、航天、橋梁、鍋爐、大型廠房和高層建筑等都離不開焊接技術(shù)的支持。如果焊接沒有發(fā)明的話，許多結(jié)構(gòu)甚至坦率的說整個工業(yè)是不

2、會產(chǎn)生的。毋庸置疑，目前在工程生產(chǎn)上，焊接是最主要的連接方法，焊接結(jié)構(gòu)的重量已占鋼鐵總產(chǎn)量的 50%以上，工業(yè)發(fā)達國家的這一比例已經(jīng)接近 70%。然而焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常不斷發(fā)生斷裂事故，其中 90%為疲勞失效。疲勞破壞一直被認(rèn)為是船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的一種主要的破壞形式，自鋼質(zhì)海船誕生至今，因結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的生成、擴展，最后導(dǎo)致船舶破壞的事例屢有報道。美國海岸警衛(wèi)隊船舶結(jié)構(gòu)委員會(Ship Structure Committee, U.S.Coast Guard)曾組織力量對六種不同類型的 77 艘民用船舶及 9 艘軍艦中六十多萬個結(jié)構(gòu)細(xì)部進行了調(diào)查研究和統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，有約九分之一的破壞與疲勞有

3、關(guān)。歷史上海洋平臺的幾次重大事故，如 1965 年日本為美國建造的 Sedco 型半潛式平臺在交貨途中破損沉沒，造成 13 人死亡；1980 年 AlexanderKeyland 號半潛式平臺在北海翻沉，使一百余人葬身海底，調(diào)查分析的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的疲勞是造成事故的重要原因之一。同樣，疲勞失效也頻繁發(fā)生在鐵路公路橋梁和發(fā)電站的管道上。在五六十年代，歐洲公路網(wǎng)得到高速發(fā)展，當(dāng)時大多采用焊接技術(shù)建造鋼橋，由于那時對公路橋梁疲勞認(rèn)識不足，在規(guī)范中沒有規(guī)定進行抗疲勞設(shè)計，出現(xiàn)了許多設(shè)計不合理的焊接接頭，在今天日益繁忙和加重的交通運輸載荷下，加快了疲勞損傷過程，許多焊接鋼橋出現(xiàn)了疲勞裂紋。在我國焊接結(jié)構(gòu)

4、因疲勞問題而失效的工程事例也不斷出現(xiàn)，例如，九十年代末，高速客車轉(zhuǎn)向架中焊接接頭的疲勞斷裂，以及水輪機葉片根部的疲勞斷裂等，都給國家和企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失。1.21.2 焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個方面： 客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時，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早失效的一個主要的因素； 早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計以靜載強度設(shè)計為主，沒有考慮抗疲勞設(shè)計，或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來設(shè)計不合理的焊接接

5、頭； 工程設(shè)計技術(shù)人員對焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點了解不夠，所設(shè)計的焊接結(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)計和制造過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)計載荷越來越大； 焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢，對焊接結(jié)構(gòu)承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度方面的科研水平相對滯后。1.31.3 提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能方法的研究意義提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能方法的研究意義疲勞事故的頻繁發(fā)生在一定程度上制約了焊接結(jié)構(gòu)的進一步廣泛應(yīng)用，使一些場合不得不放棄使用焊接結(jié)構(gòu)，甚至懷疑焊接結(jié)構(gòu)能否適用于承受動載的工程實際，故而焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞問題引起國

6、內(nèi)外有關(guān)專家和工程技術(shù)人員，尤其是國際焊接學(xué)會疲勞專業(yè)委員會的普遍關(guān)注。在大量疲勞試驗與工程實踐的基礎(chǔ)上，焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計規(guī)范不斷出臺，如英國橋梁疲勞設(shè)計規(guī)范 BS5400、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會的疲勞設(shè)計規(guī)范、日本的鋼橋設(shè)計規(guī)范、美國鐵路橋梁以及高速公路設(shè)計規(guī)范、國際焊接學(xué)會的循環(huán)加載焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計規(guī)范 IIW.DOC-639-8l 以及我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB-17-88。世界各主要造船及海洋資源開發(fā)國家，都在船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計建造和檢驗入級規(guī)范中對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度作出了規(guī)定和要求。 由于焊接接頭焊趾處的焊接缺陷、應(yīng)力集中和殘余拉伸應(yīng)力的作用，其疲勞強度大幅度地低于基本金屬的疲勞

7、強度。所以焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度取決于接頭的疲勞性能，即焊接接頭的抗疲勞性能，關(guān)系著焊接結(jié)構(gòu)能否安全使用。因此為了保證焊接結(jié)構(gòu)可靠性，在設(shè)計承受交變動載荷的焊接結(jié)構(gòu)時，設(shè)計規(guī)范規(guī)定以焊接接頭的疲勞強度作為整體結(jié)構(gòu)的疲勞強度，而不采用基本金屬的疲勞強度，顯然這造成極大浪費。即使如此，在接頭處局部應(yīng)力集中作用下，仍然會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的過早疲勞失效。為了使焊接結(jié)構(gòu)很好地滿足工程上對其提出的承受動載的要求，能夠采取的措施主要有兩點。一方面，增加對焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的了解，精心設(shè)計結(jié)構(gòu)形式及接頭形式，使所設(shè)計的焊接結(jié)構(gòu)更合理，具有更高的疲勞強度；同時提高和嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，防止和減少焊接缺陷的產(chǎn)生；另一方面，

8、直接面對焊接接頭疲勞性能較差的弱點，在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中、完成后以及使用過程中采取有效的工藝措施，提高接頭的疲勞強度，增加其承受動載的能力、延長其使用壽命。因此提高和改善焊接接頭疲勞強度具有極大的潛在經(jīng)濟效益和社會效益，長期來，它是國內(nèi)外有關(guān)專家研究的熱點課題。2 2 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要因素影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要因素2.12.1 靜載強度對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響靜載強度對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強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度，即以較輕的自身重量去承擔(dān)較大的負(fù)載重量，因為相同重量的結(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。所以高強鋼應(yīng)運而生

9、，也具有較高的疲勞強度，基本金屬的疲勞強度總是隨著靜載強度的增加而提高。但是對于焊接結(jié)構(gòu)來說，情況就不一樣了，因為焊接接頭的疲勞強度與母材靜強度、焊縫金屬靜強度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬強度匹配沒有多大的關(guān)系，也就是說只要焊接接頭的細(xì)節(jié)一樣，高強鋼和低碳鋼的疲勞強度是一樣的，具有同樣的 S-N 曲線，這個規(guī)律適合對接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭型式。Maddox 研究了屈服點在386636MPa 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)的疲勞裂紋擴展情況，結(jié)果表明：材料的力學(xué)性能對裂紋擴展速率有一定影響，但影響并不大。在設(shè)計承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)時，試圖通過選用較高強度的

10、鋼種來滿足工程需要是沒有意義的。只有在應(yīng)力比大于+0.5 的情況下，靜強度條件起主要作用時，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強鋼。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度，而與母材及焊接材料的靜強度關(guān)系不大。2.22.2 應(yīng)力集中對疲勞強度的影響應(yīng)力集中對疲勞強度的影響2.2.12.2.1 接頭類型的影響接頭類型的影響焊

11、接接頭的形式主要有：對接接頭、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，其疲勞強度也將高于其他接頭形式。但實驗表明，對接接頭的疲勞強度在很大范圍內(nèi)變化，這是因為有一系列因素影響對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對其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對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，其疲勞強度般與不帶墊板的最不佳外形的對接接頭的疲勞強

12、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渡處具有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此十字或 T 形接頭的疲勞強度要低于對接接頭。對未開坡口的用角焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的開坡口接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個薄弱環(huán)節(jié)上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對于開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度，而十字接頭的疲勞強度較低。提高 T 形或

13、十字接頭疲勞強度的根本措施是開坡口焊接，并加工焊縫過渡處使之圓滑過渡，通過這種改進措施，疲勞強度可有較大幅度的提高。搭接接頭的疲勞強度是很低的，這是由于力線受到了嚴(yán)重的扭曲。采用所謂“加強”蓋板的對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，原來疲勞強度較高的對接接頭被大大地削弱了。對于承力蓋板接頭，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度，也會改變應(yīng)力在基本金屬中的分布，因此將要影響接頭的疲勞強度，即隨著焊縫長度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲勞強度增加，這是因為應(yīng)力在基本金屬中分布趨于均勻所致。2.2.2 焊縫形狀的影響焊縫形狀的影響無論是何種接頭形式

14、，它們都是由兩種焊縫連接的，對接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不同，其應(yīng)力集中系數(shù)也不相同，從而疲勞強度具有較大的分散性。對接焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度影響最大。對接焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度影響最大。 (1) 過渡角的影響 Yamaguchi 等人建立了疲勞強度和基本金屬與焊縫金屬之間過渡角(外鈍角)的關(guān)系。試驗中 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，試驗結(jié)果表明，疲勞強度也保持不變。但如果 W 保持不變，變化參量 h，則發(fā)現(xiàn) h 增加，接頭疲勞強度降低，這顯然是外夾角降低的結(jié)果。 (2) 焊縫過渡半徑的影響 Sander 等人的研究結(jié)果表明焊縫過渡

15、半徑同樣對接頭疲勞強度具有重要影響，即過渡半徑增加(過渡角保持不變)，疲勞強度增加。角焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度也有較大的影響。角焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度也有較大的影響。當(dāng)單個焊縫的計算厚度 a 與板厚 B 之比 a/B0.7 時，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對提高疲勞強度僅僅在一定范圍內(nèi)有效。因為焊縫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度，故充其量亦不能超過該處的疲勞強度。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發(fā)現(xiàn)，焊縫的焊腳為 13mm 時，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

16、時，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫上；當(dāng)焊腳尺寸為 18mm 時斷裂發(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?？梢娍v使焊腳尺寸達到板厚時(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)致疲勞裂紋早期開裂和使母材的疲勞強度急劇下降（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的，同時焊接缺陷對接頭疲勞強度的影響與缺陷的種類、方向和位置有關(guān)。 1) 裂紋裂紋 焊接中

17、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)或接頭的疲勞強度。早期的研究己表明，在寬 60mm、厚12.7mm 的低碳鋼對接接頭試樣中，在焊縫中具有長 25mm、深 5.2mm 的裂紋時(它們約占試樣橫截面積的 10%)，在交變載荷條件下，其 2106循環(huán)壽命的疲勞強度大約降低了55%65%。 2) 未焊透未焊透 應(yīng)當(dāng)說明，不一定把未焊透均認(rèn)為是缺陷，因為有時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。未焊透缺陷有時為表面缺陷（單面焊縫） ，有時為內(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

18、和引起應(yīng)力集中。以削弱面積 10%時的疲勞壽命與未含有該類缺陷的試驗結(jié)果相比，其疲勞強度降低了 25%，這意味著其影響不如裂紋嚴(yán)重。 3) 未熔合未熔合 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待。 4) 咬邊咬邊 表征咬邊的主要參量有咬邊長度 L、咬邊深度 h、咬邊寬度 W。影響疲勞強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)作為參量評定接頭疲勞強度。5) 氣孔氣孔 為體積缺陷，Harrison 對前人的有關(guān)試驗結(jié)果進行了分析總結(jié)， 疲勞強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

19、的線性關(guān)系。但是一些研究表明，當(dāng)采用機加工方法加工試樣表面，使氣孔處于表面上時，或剛好位于表面下方時，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。這說明氣孔的位置比其尺寸對接頭疲勞強度影響更大，表面或表層下氣孔具有最不利影響。 6) 夾渣夾渣 IIW 的有關(guān)研究報告指明：作為體積型缺陷，夾渣比氣孔對接頭疲勞強度影響要大。 通過上述介紹可見焊接缺陷對接頭疲勞強度的影響，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

20、部裂紋)比在均勻應(yīng)力場中同 樣缺陷影響大。2.32.3 焊接殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響焊接殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響 焊接殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)所特有的特征，因此，它對于焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響是人們廣為關(guān)心的問題，為此人們進行了大量的試驗研究工作。試驗往往采用有焊接殘余應(yīng)力的試樣與經(jīng)過熱處理消除殘余應(yīng)力后的試樣，進行疲勞試驗作對比。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)力的同時也恢復(fù)或部分地恢復(fù)了材料的性能，同時也由于試驗結(jié)果的分散性，因此對試驗結(jié)果就產(chǎn)生了不同的解釋，對焊接殘余應(yīng)力的影響也就有了不同的評價。 試舉早期和近期一些人所進行的研究工作為例，可清楚

21、地說明這一問題，對具有余高的對接接頭進行的 2106次循環(huán)試驗結(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)力試樣的疲勞強度比焊態(tài)相同試樣的疲勞強度增加 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)力后疲勞強度雖有增加，但增加值遠(yuǎn)低于 12.5%等等。對表面打磨的對接接頭試樣試驗結(jié)果也是如此，即有的試驗認(rèn)為，熱處理后可提高疲勞強度 17%，但也有的試驗結(jié)果說明，熱處理后疲勞強度沒有提高等。這個問題長期來使人困惑不解，直到前蘇聯(lián)一些學(xué)者在交變載荷下進行了一系列試驗，才逐漸澄清了這一問題。其中最值得提出的是 Trufyakov

22、對在不同應(yīng)力循環(huán)特征下焊接殘余應(yīng)力對接頭疲勞強度影響的研究。試驗采用 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。疲勞強度對比試驗采用三種應(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)力試樣的疲勞強度接近 130MPa，而未經(jīng)消除殘余應(yīng)力的僅為 75MPa，在脈動載荷下(r=0)，兩組試樣的疲勞強度相同，均為 185MPa。而當(dāng) r=0.3 時，經(jīng)熱處理消除殘余應(yīng)力的試樣疲勞強度為 260MPa，反而略低于未熱處理的試樣(270MPa)。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的主要

23、原因是：在 r 值較高時，例如在脈動載荷下(r=0)，疲勞強度較高，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)力對疲勞強度的影響就減弱；當(dāng) r 增大到 0.3時，殘余應(yīng)力在載荷作用下，進一步降低，實際上對疲勞強度已不起作用。而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時又軟化了材質(zhì)，因而使得疲勞強度在熱處理后反而下降。這一試驗比較好地說明了殘余應(yīng)力和焊接熱循環(huán)所引起材質(zhì)變化對疲勞強度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應(yīng)力對接頭疲勞強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，影響比較大。 前面己指出，由于結(jié)構(gòu)焊縫中存有達到材料屈服點的殘余應(yīng)力，因此在常幅施加應(yīng)力循環(huán)作用的接頭中，焊縫

24、附近所承受的實際應(yīng)力循環(huán)將是由材料的屈服點向下擺動，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。但接頭中的實際應(yīng)力循環(huán)范圍將是由 Sy(屈服點的應(yīng)力幅)到 Sy-(S1+S2)。這一點在研究焊接接頭疲勞強度時是非常重要的，它導(dǎo)致了一些設(shè)計規(guī)范以應(yīng)力范圍代替了循環(huán)特征 r。此外，在試驗過程中，試件的尺寸大小、加載方式、應(yīng)力循環(huán)比、載荷譜也對疲勞強度有很大的影響3 3 改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的工藝方法改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的工藝方法焊接接頭疲勞裂紋一般啟裂位置存在于焊根和焊趾兩個部位，如果焊根部位的疲勞裂紋啟裂的危險被抑制，焊接接頭的危險點則集中于焊

25、趾部位。許多方法可以用于提高焊接接頭的疲勞強度， 減少或消滅焊接缺欠特別是開口缺陷；改善焊趾部位的幾何形狀降低應(yīng)力集中系數(shù)；調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力場。這些改進方法可以分為兩大類，如表 1 所示。焊接過程優(yōu)化方法不僅是針對提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度而考慮，同時對焊接結(jié)構(gòu)的靜載強度、焊接接頭的冶金性能等各方面都有極大的益處，這方面的資料很多在此不多贅述。 表表 1 1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的改善方法焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的改善方法焊接缺欠的控制1質(zhì)量控制幾何形狀的改善2局部幾何形狀工藝過程焊接順序3殘余應(yīng)力（0）焊趾冶金處理4焊趾幾何形狀5焊接過程優(yōu)化焊道造型冶金和金屬狀態(tài)6焊趾研磨7機械加工水沖擊

26、8TIG 熔修9局部幾何形狀局部重熔等離子熔修10熱處理11力學(xué)處理12應(yīng)力釋放方法局部加熱13噴丸14錘擊15力學(xué)接觸超聲沖擊16沖壓17焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的改善方法焊縫的改善殘余應(yīng)力力學(xué)方法焊接局部壓縮18 下面從工藝方法角度考慮分三部分詳細(xì)論述改善焊接接頭疲勞強度的主要方法。3.1 改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中的方法改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中的方法1)1) TIGTIG 熔修熔修 國內(nèi)外的研究均表明，TIG 熔修可大幅度提高焊接接頭的疲勞強度，這種方法是用鎢極氬弧焊方法在焊接接頭的過渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過渡。減少了應(yīng)力集中，同時也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因

27、而使接頭部位的疲勞強度提高。熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位 0.51.5mm 處，并要保持重熔部位潔凈，如果事先配以輕微打磨效果更佳。重要的是重熔中發(fā)生熄弧時，如何處理重新起弧的方法，因為這勢必影響重熔焊道的質(zhì)量，一般推薦重新起弧的最好位置是在焊道弧坑之前面 6mm處，最近國際焊接學(xué)會組織歐洲一些國家和日本的一些焊接研究所，采用統(tǒng)一由英國焊接研究所制備的試樣進行了些改善接頭疲勞強度方法有效性的統(tǒng)一性研究，證實經(jīng)該方法處理后該接頭的 2106循環(huán)下的標(biāo)稱疲勞強度提高 58%，如果將得到的 211MPa 的疲勞強度標(biāo)稱值換算成相應(yīng)的特征值(K 指標(biāo)) 為 144MPa。它己高出國際焊學(xué)會的接頭

28、細(xì)節(jié)疲勞強度中的最高的 FAT 值。2) 機械加工機械加工 若對焊縫表面進行機械加工，應(yīng)力集中程度將大大減少，對接接頭的疲勞強度也相應(yīng)提高，當(dāng)焊縫不存在缺陷時，接頭的疲勞強度可高于基本金屬的疲勞強度。但是這種表面機械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴(yán)重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機械加工是毫無意義的。如果存有未焊透缺陷，因為疲勞裂紋將不在余高和焊趾處起始裂，而是轉(zhuǎn)移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺陷存在的情況下，機加工反而往往會降低接頭疲勞強度。 有時不用對整體焊縫金

29、屬進行機加工，而只需對焊趾處采用機械加工磨削處理，這種做法亦能大幅度提高接頭疲勞強度。研究表明，在這種情況下，起裂點不是在焊趾處，而是轉(zhuǎn)移到焊縫缺陷部位。前蘇聯(lián) Makorov 對高強鋼(抗拉強度 b=1080 MPa)橫向?qū)雍缚p的交變載荷的疲勞強度試驗表明，在焊態(tài)條件下 2106循環(huán)次數(shù)時疲勞強度為150MPa，如果對焊縫進行機械加工處理，除去余高，則疲勞強度提高到275MPa，這已與基本金屬的疲勞強度相當(dāng)。但如果對焊趾處進行局部磨削加工，其疲勞強度為245MPa，它是機加工效果的 83%，與焊態(tài)相比，疲勞強度提高 65%，當(dāng)然不論是采用機加工方法，還是磨削方法，如果不能仔細(xì)按要求進行，以

30、便保證加工效果，疲勞強度的提高是有限的。3) 砂輪打磨砂輪打磨采用砂輪磨削，雖然其效果不如機械加工，但也是一種提高焊接接頭疲勞強度的有效方法。國際焊接學(xué)會推薦采用高速電力或水力驅(qū)動的砂輪，轉(zhuǎn)速為(1500040000)/min，砂輪由碳-鎢材料制作，其直徑應(yīng)保證打磨深度半徑應(yīng)等于或大于 1/4 板厚。國際焊接學(xué)會最近的研究表明，試樣經(jīng)打磨后，其 2106 循環(huán)下的標(biāo)稱疲勞強度提高 45%，如果將得到的 199MPa 疲勞強度標(biāo)稱值換算成相應(yīng)的特征值(135MPa)它也高于國際焊接學(xué)會的接頭細(xì)節(jié)疲勞強度中的最高的 FAT 值。要注意的是磨削方向應(yīng)與力線方向一致，否則在焊縫中會留下與力線垂直的刻痕

31、，它相當(dāng)于應(yīng)力集中源，起到降低接頭疲勞強度的作用。4) 特種焊條方法特種焊條方法 本方法是研制了一種新型的焊條，它的液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣具有較高的溶濕能力，可以改善焊縫的過渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應(yīng)力集中程度，從而提高焊接接頭的疲勞強度。與 TIG 熔修的缺點相類似，它對焊接位置具有較強的選擇性，特別適合于平焊位置和平角焊，而對于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu)越性就顯著降低了。3.23.2 調(diào)整殘余應(yīng)力場產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法調(diào)整殘余應(yīng)力場產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法1)1) 預(yù)過載法預(yù)過載法 假如在含有應(yīng)力集中的試樣上施加拉伸載荷，直到在缺口處發(fā)生屈服，并伴有一定的拉伸塑性變形，卸載后，載缺口及其附近發(fā)

32、生拉伸塑性變形處將產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后的疲勞試驗中，其應(yīng)力范圍將與原始未施加預(yù)過載的試樣不同，即顯著變小，因此它可以提高焊接接頭的疲勞強度。研究結(jié)果表明，大型焊接結(jié)構(gòu)(如橋梁、壓力容器等)投入運行前需進行一定的預(yù)過載試驗，這對提高疲勞性能是有利的。2) 局部加熱局部加熱采用局部加熱可以調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場，即在應(yīng)力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，因而對提高接頭疲勞強度是有利的。這種方法目前限用于縱向非連續(xù)焊縫，或具有縱向加筋板的接頭。對于單面角接板，加熱位置一般距焊縫約為板寬的 1/3，對于雙面角接板情況加熱位置為板件中心。

33、這樣可以保證在焊縫內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而可以提高接頭的疲勞強度。不同研究者應(yīng)用該方法得到的效果有所不同，對單面角接板，提高疲勞強度 145-150%，對雙面角接板，提高疲勞強度 70-187%， 。局部加熱位置對接頭的疲勞強度有重要的影響，當(dāng)點狀加熱是在焊縫端部處兩則進行時，則在焊縫端部的缺口處引起了壓縮殘余應(yīng)力，結(jié)果疲勞強度提高 53%；但是當(dāng)點狀加熱是在焊縫端部試樣中心進行時，距焊縫端部距離是相同的，這雖然產(chǎn)生了同樣的金相組織影響，但由于殘余應(yīng)力為拉伸殘余應(yīng)力，則所測量到的接頭疲勞強度與非處理試樣相同。3) 擠壓法擠壓法局部擠壓機制與點狀加熱方法相同，即均是靠壓縮殘余應(yīng)力提高接頭疲勞強度。但

34、是其作用點是不同的，擠壓位置應(yīng)位于需要產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的位置。高強鋼試樣采用擠壓法其效果比低碳鋼更為顯著。4) GurnnertsGurnnerts 方法方法 由于有時難以準(zhǔn)確地確定局部加熱法的加熱位置和加熱溫度，為了獲得滿意效果，Gunnert 提出一種方法，該方法的要點是直接向缺口部位而不是附近部位加熱到能產(chǎn)生塑性變形但低于相變溫度 55的溫度或 550，然后急劇噴淋冷卻之。由于表層下金屬和其周圍未受噴淋的金屬冷卻的較晚，待其冷卻時收縮將在已冷卻表面上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。藉此壓縮應(yīng)力即可提高構(gòu)件的疲勞強度。需要注意的是：為了使底層亦達到加熱目的，加熱過程要緩慢些，Gunnert 建議加熱時間為

35、3min，而 Harrison 建議加熱時間為 5min。Ohta 采用此方法成功的防止了對接管道內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋。具體方法是管道外部采用感應(yīng)法加熱，里面用循環(huán)水冷卻。因此在管道內(nèi)部產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力，因而有效地防止了疲勞裂紋在管道內(nèi)部產(chǎn)生。處理后對接焊縫管道的疲勞裂紋擴展速率大為降低，達到與母材相同的裂紋擴展速率。3 33 3 降低應(yīng)力集中和產(chǎn)生壓縮應(yīng)力兼二有之的方法降低應(yīng)力集中和產(chǎn)生壓縮應(yīng)力兼二有之的方法1) 錘擊法錘擊法 錘擊法是冷加工方法，其作用是在接頭焊趾處表面造成壓縮應(yīng)力。因此，本方法的有效性與在焊趾表面產(chǎn)生的塑性變形有關(guān)；同時錘擊還可以減少存在的缺口尖銳度，因而減少了應(yīng)力集中，這也是

36、大幅度提高接頭疲勞強度的原因。國際焊接學(xué)會推薦的氣錘壓力應(yīng)為 56Pa。錘頭頂部應(yīng)為 812mm 直徑的實體材料，推薦采用 4 次沖擊以保證錘擊深度達0.6mm。國際焊接學(xué)會最近的工作表明，對于非承載 T 形接頭，錘擊后其 2106循環(huán)下接頭疲勞強度提高 54%。2) 噴丸噴丸噴丸是錘擊的另一種形式，也屬沖擊加工的方法。噴九的效果依賴于噴丸直徑尺寸，噴丸尺寸不應(yīng)過大，以使其能處理微小的缺陷。同時，噴丸尺寸亦不應(yīng)過小，以保證一定的冷作硬化性能，噴丸一般可在表面上的千分之幾毫米的深度上發(fā)生作用。研究結(jié)果表明，噴丸能顯著地提高高強鋼接頭的疲勞強度，噴丸對氬弧焊高強鋼材料具有突出的效果，其程度甚至高于

37、 TIG 熔修。同時 TIG 熔修配以噴丸錘擊，則其效果更為顯著。4 4 提高焊接接頭疲勞強度的最新技術(shù)提高焊接接頭疲勞強度的最新技術(shù)4.14.1 超聲沖擊處理方法超聲沖擊處理方法近年來發(fā)展起來的超聲沖擊提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強度的方法，其機理與錘擊和噴丸基本一致但這種方法執(zhí)行機構(gòu)輕巧，可控性好，使用靈活方便、噪音極小、效率高、應(yīng)用時受限少，成本低而且節(jié)能，適用于各種接頭，是一種理想的焊后改善焊接接頭疲勞性能的方法。對幾種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼的對接和非承載縱向角接頭實施超聲沖擊處理，然后進行了焊態(tài)與沖擊處理的對比疲勞試驗，研究了超聲沖擊法改善焊接頭疲勞強度的實際效果，對比結(jié)果見表 2?？梢?，焊接接

38、頭經(jīng)超聲沖擊處理后，疲勞強度提高了 50170%，效果十分顯著。4.24.2 低相變點焊條方法低相變點焊條方法4.2.14.2.1 提高焊接接頭疲勞強度原理和發(fā)展提高焊接接頭疲勞強度原理和發(fā)展壓縮應(yīng)力可以提高焊接接頭的疲勞強度，已有大量的文獻論述，然而問題是如何在焊接接頭中較方便的引入壓縮應(yīng)力。表表 2 超聲沖擊處理前后的疲勞強度對比超聲沖擊處理前后的疲勞強度對比疲勞強度 / MPa材料與接頭形式焊態(tài)沖擊處理態(tài)提高程度 %Q235B (R=0.1)-對接23051SS800(R=0.05) -對接30610116Mn (R=0.1) -對接 15228588Q235B (R=0.1)-縱向角接

39、20092SS800(R=0.05) -縱向角接27916816Mn (R=0.1) -縱向角接 104212104眾所周知，由于化學(xué)成分、合金含量和冷卻速度不同，鋼鐵材料在冷卻過程中會發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變或多次的組織轉(zhuǎn)變，這一組織轉(zhuǎn)變伴隨有體積膨脹，在拘束條件下將會產(chǎn)生相變應(yīng)力，屬于壓縮應(yīng)力。對于焊縫金屬來說，這將有利于殘余拉伸應(yīng)力的降低甚至出現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力，從而改善焊接接頭的力學(xué)性能。低相變點焊條（Low Transformation Temperature Welding Electrode, LTTE）就是一種利用相變應(yīng)力在焊接接頭中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力提高焊接接頭疲勞強度的新型焊接材料。早在

40、60 年代，前蘇聯(lián)焊接專家就提出了低相變點焊條方法能夠提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度，但是當(dāng)時并沒有提出“低相變點焊條”的概念，只稱其為一種特殊焊條其堆焊金屬成分主要依靠 3-4%的 Mn 含量來降低相變點，實現(xiàn)冶金相變。文獻指出，選用這些特殊的焊條，對小試件進行疲勞試驗時，用這些焊條堆焊之后的疲勞強度要高于未堆焊試驗 75%。 近幾年，依靠 Cr 和 Ni 降低焊接材料熔敷金屬的馬氏體相變點，并由于超低碳鋼材的發(fā)展，低相變點焊條得到了快速的發(fā)展，日本和中國在這方面進行了大量的研究，但目前仍然在實驗室階段。4.2.2 LTTELTTE 焊條改善疲勞強度的效果焊條改善疲勞強度的效果天津大學(xué)材料學(xué)院設(shè)計和

41、優(yōu)化研制了低相變點焊條，并在各種焊接接頭上進行了大量的疲勞試驗和工藝性能試驗。（1 1）LTTELTTE 方法方法采用低相變點焊條 LTTE 和普通焊條 E5015 分別對橫向?qū)咏宇^、非承載十字接頭、縱向環(huán)繞角焊縫接頭、縱向平行角焊縫接頭和縱向?qū)咏宇^施焊，并進行疲勞對比試驗。結(jié)果表明，相變點焊條 LTTE 接頭的疲勞強度分別比普通焊條 E5015 接疲勞強度提高11%、23%、42%、46%合 59%，疲勞壽命提高幅度從幾倍到上百倍。表表 3 3 不同類型焊接接頭疲勞強度的改善效果不同類型焊接接頭疲勞強度的改善效果焊條類型橫向?qū)咏宇^非承載十字接頭縱向環(huán)繞角焊縫接頭縱向平行角焊縫接頭縱向?qū)?/p>

42、接接頭E5015 焊條176.9202.1167.0182.7179.4LTTE 焊條157.8164.8118.3124.9113.0改善程度11%23%41%47%58%應(yīng)力集中程度輕度 K1中等 K2強烈 K3特別強烈 K4特別強烈 K4拘束度 小 大由于低相變點焊條是在較低溫度下發(fā)生馬氏體相變體積膨脹而獲得的殘余壓縮應(yīng)力，因此殘余壓縮應(yīng)力的大小與焊接接頭拘束度有較大關(guān)系，拘束度越大，其殘余壓縮應(yīng)力越大，疲勞強度的提高效果也越大。（2 2）低相變點焊條焊趾熔修（）低相變點焊條焊趾熔修（LTTE-dressingLTTE-dressing）方法）方法 然而，為使焊縫金屬在正常的冷卻速度下和

43、在較低的溫度下發(fā)生馬氏體相變，焊接材料中加入了較多的合金元素，從而使得低相變點焊接材料的成本提高許多。如果一個焊接結(jié)構(gòu)的全部焊縫都采用低相變焊接材料進行施焊，焊接結(jié)構(gòu)的成本也將大幅度增加，這是很不經(jīng)濟的。眾所周知，焊接接頭疲勞斷裂主要從焊趾部位開裂，如果使焊接接頭的焊趾部位產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，則可以提高焊接接頭的疲勞強度，而并不需要全部采用低相變點焊條，這樣可以降低使用成本。從這一思路考慮，天津大學(xué)在試驗的基礎(chǔ)上提出了低相變點焊條焊趾熔修(LTTE-dressing)提高焊接接頭疲勞強度的方法。采用非承載十字接頭和縱向環(huán)繞角焊縫接頭兩種接頭類型，分別對比了低相變點焊條焊趾熔修(LTTE-dres

44、sing)和普通焊條焊接接頭的疲勞強度，前者的疲勞強度分別比后者提高 19.9%和 41.7%，證明了這一思路的可行性和實用性，為低相變點焊條 LTTE 更合理的在工程實際中應(yīng)用進行了前期試驗研究，同時低相變點焊條焊趾熔修(LTTE-dressing)接頭也可以反映低相變點焊條在蓋面焊縫和近焊趾蓋面焊道的應(yīng)用情況。 4.2.3 低相變點焊條的的優(yōu)缺點低相變點焊條的的優(yōu)缺點優(yōu)點：(1)低相變點焊條焊接方法是隨同焊接過程同時進行，避免了焊后加工處理的不方便；(2)低相變點焊條方法無需特殊的操作要求，因而操作簡單方便；(3）低相變點焊接材料用于提高焊接接頭疲勞強度，由于不受后續(xù)焊道熱作用的影響，它更

45、適合于隱蔽焊縫、被覆蓋焊縫、單面焊的背面焊縫等不能進行焊后加工處理的焊縫的疲勞強度提高;（4）LTTE 焊條還可以用于焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的修復(fù)。 缺點：焊接材料中加入了較多的合金元素，從而使得低相變點焊接材料的成本提高。但可以通過 LTTE-dressing 等方法加以彌補。5 5 結(jié)束語結(jié)束語 綜上所述，可見近年來由于焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢，對其承受動載能力的要求越來越高，因此發(fā)展及推廣應(yīng)用改善焊接接頭疲勞性能的新技術(shù)對推動焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用意義重大。相對而言，國內(nèi)外最新發(fā)展起來的超聲沖擊技術(shù)以及使用低相變點焊接材料來提高焊接接頭疲勞強度的方法是焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能改善技術(shù)與工藝的重要研究

46、方向。 參考文獻參考文獻1.霍立興. 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評定M. 北京: 機械工業(yè)出版社,2000，358363.2. 世紀(jì)之交論焊接J. 航空航天技術(shù)，1999, (2): 13-17.3.英T.R.格爾內(nèi)著，周殿群譯. 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞M.北京：機械工業(yè)出版社，1988，284-285.4.胡毓仁，陳伯真. 船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)安全可靠性分析M. 北京：人民交通出版杜，1996,1-2.5.Iida, K.Fatigue failure of steam generator tube in PWR plant. Welding in the World, -1995,35(2)：97-109

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