焊接对钢结构疲劳的影响及预防措施

焊接对钢结构疲劳的影响及预防措施

自从20世纪初涂药焊条发明至今100年来，焊接已经成为应用最广泛的工艺方法，很难找出另一种发展如此之快，并在应用规模和多样化方面能与焊接相比的工艺，以至于当代许多最重要的技术问题必须采用焊接才能解决，例如造船、铁路、汽车、航空、航天、桥梁、锅炉、大型厂房和高层建筑等都离不开焊接技术的支持。目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的50%以上，工业发达国家的这一比例已经接近70%。然而焊接结构经常发生断裂事故，其中80%为疲劳失效。在我国，焊接结构因疲劳问题而失效的工程事例也不断出现。例如，90年代末，高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂，以及水轮机叶片根部的疲劳断裂等，都给国家和企业造成了巨大的经济损失。

所谓疲劳是指在循环应力和应变作用下，在一处和几处产生局部永久性积累损伤，经一定的循环次数后产生的裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳断裂是金属结构断裂的主要形式之一。大量的统计资料表明，工程结构失效约80%以上是由疲劳引起的。钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。疲劳破坏的主要影响因素是应力幅、循环次数和应力集中。一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构.实际上只有后两个阶段，因为结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹的作用疲劳破坏的起始点多数在构件的表面。对非焊接构件，表面上的刻痕、轧钢皮

的凹凸、轧钢缺陷和分层以及焰割边不平整，冲孔壁上的裂纹，都是裂源可能出现的地方。对焊接构件，最经常的裂源出现在焊缝趾处，那里常有焊渣侵入。有些焊接构件疲劳破坏起源于焊缝内部缺陷，如气孔、欠焊、夹渣等。

一、影响焊接疲劳强度的主要因素

1．应力集中对疲劳强度的影响

影响焊接结构几何不连续性的因素，都将影响应力集中和疲劳强度。

(1)焊接结构的几何形状结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中。结构的截而变化幅度越大，产生的应力集中越大，结构的疲芳强度越低。

(2)焊接接头形式在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也将高于其他接头形式。十字接头或T形接头在焊接结构中得到了广泛的应用。这种承力接头中由于在焊缝向基本金属过渡处具有明显的截而变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高，因此十字或丁形接头的疲劳强度要低于对接接头。提高丁形或十字接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接，并加工焊缝使之圆滑过渡，通过这种改进措施.疲劳强度可有较大幅度的提高。

(3)焊缝局部几何形状的影响焊缝局部几何形状的变化，对焊接结构的疲劳强度将产生十分明显的影响。在一定范围内，余高越大，应力集中系数越大，缺口效应越大，疲劳强度降低。很多人错误的认

为焊后余高越大，焊缝的强度就越高，这种观点十分错误。焊后的余高只能提高焊缝的静载强度，但对于承受动载荷尤其是交变载荷的构件是十分不利的，因为其疲劳强度显著下降。对承受动载荷的焊缝，一般规定焊缝余高不超过2.5mm。

(4)错边或角变形的影响在焊接过程中，由于组对误差或焊后变形，焊接接头可能产生错位或角变形。由于焊接接头具有错边或角变形，有时甚至是两者同时存在，因而焊缝局部几何形状变化加剧，使得焊趾根部的应力集中程度增加，焊接结构疲劳强度降低。这就要求工件组对时严禁错边存在，焊接过程采取措施控制焊接变形。

2.焊接缺陷的影响

焊趾部位存在着大量不同类型的缺陷，导致疲劳裂纹早期开裂，使母材的疲劳强度急剧下降。焊接缺陷大体上可分为两大类：面状缺陷(如裂纹等)和体积型缺陷(气孔、夹渣等)，它们的影响程度是不同的，同时焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与缺陷的种类、方向和位置有关。

(1)裂纹焊接中的裂纹，如冷、热裂纹，除伴有脆性的组织结构外，是严重的应力集中源，可大幅度降低结构或接头的疲劳强度尤其是表面裂纹对焊接疲劳强度影响更甚。

(2)未焊透其主要影响是削弱截面积和引起应力集中。将削弱面积10%时的疲劳寿命与未含有该类缺陷的试验结果相比.其疲劳强度可降低15% ~ 25%。

(3)未熔合一般认为末熔合对疲劳强度的影响等同于未焊透。

(4)咬边咬边一般不能引起检验的足够重视.其实咬边的危害甚至比未熔合、未焊透更为严重。咬边位于焊趾部位，属于表面缺陷，特别是低合金高强度钢的焊接，咬边引起边缘组织被淬硬，易引起裂纹。

(5)气孔气孔为体积缺陷，疲劳强度下降主要是由于气孔减少了截面积尺寸。当采用机加工方法加工试样表面，使气孔处于表面上，或刚好位于表面下方时，气孔的不利影响加大，它将作为应力集中源而成为疲劳裂纹的起裂点。这说明气孔的位置比其尺寸对接头疲劳强度影响更大，表面或表层下气孔影响最严重。

(6)夹渣夹渣作为体积型缺陷，比气孔对接头疲劳强度影响要大。

3.焊接残余应力

焊接结构的残余应力对疲劳强度有影响的原因是焊接残余应力的存在使平均应力的大小改变而应力幅值却没有改变。在拉伸残余应力区平均应力增大。其工作应力有可能达到或超出疲劳极限，故对疲劳强度有不利影响；反之，残余压应力对提高疲劳强度是有利的。由于焊接残余应力在结构上同时存在拉应力与压应力，如果能调整到残余压应力位于材料表面或应力集中区，则十分有利；如果在材料表面或应力集中区存在的是拉残余应力，则极为不利，应设法消除。

二、提高焊接结构疲劳强度的方法

焊接接头疲劳裂纹一般起裂位置存在于焊根和焊趾两个部位，如果焊根部位的疲劳裂纹起裂的危险被抑制，焊接接头的危险点则集中

于焊趾部位。提高焊接结构疲劳强度应从影响焊接接头疲劳强度的因素入手。

1、降低应力集中(设计措施和工艺措施)

(1)采用合理的构件结构形式，减少应力集中，以提高其疲劳强度，避兔焊缝的密集、交叉分布。

(2)避兔将焊缝布置在几何突变处或“高应力区”。

(3)避兔在刚性太大处施焊。

(4)尽量采用应力集中系数小的焊接接头形式对接接头，保证焊接质量。

(5)当采用角焊缝时需采用综合措施提高接头的疲劳强度。针对角焊缝处的几何不连续性，如在焊缝长度方向上的不连续；焊缝截面(宽度)上的不连续与母材宽度方向的对应。采取相对应的措施：①机械加工焊缝端部(使沿长度方向连续)。②合理选择角接板形状(使两母板的几何不连续性降低)。③保证焊缝根部焊透。

(6)通过开缓和槽，使力线绕开焊缝的应力集中处来提高接头的疲劳强度。

(7)用表面加工的方法(机械加工、电弧重熔焊道整形)减小其几何不连续程度，可降低构件中的应力集中，以提高疲劳强度(使表面光滑，消除一些近表面缺馅)。

2、调整残余应力场

(1)整体退火或利用超载预拉伸法降低构件的残余拉应力。

(2)采用局部加热或挤压在应力集中处产生残余压应力。

(3)表面强化处理。用风动工具的锤头锤击焊缝表面，或对焊缝区进行喷丸，不但形成有利的表面压应力，而且使材料局部加工强化，接头疲劳强度有所提高。

(4)涂层保护。大气及介质侵蚀往往对材料疲劳强度产生不利的影响，因此采用涂层保护是有效的。

总之，防脆性断裂设计应从儿个方而入手：①正确选用钢材，使之具有足够的韧性；②尽量减少初始裂纹的尺寸；③缓和应力集中，减小应力值。