提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术

提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术 1 焊接结构的疲劳问题以及研究意义 1.1 焊接结构的疲劳问题 自从20世纪初涂药焊条发明至今一百年来，焊接已经成为应用最为广泛的工艺方法，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。如果焊接没有发明的话，许多结构甚至坦率的说整个工业是不会产生的。毋庸置疑，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%。然而焊接结构经常不断发生断裂事故，其中90%为疲劳失效。 疲劳破坏一直被认为是船舶及海洋工程结构的一种主要的破坏形式，自钢质海船诞生至今，因结构中疲劳裂纹的生成、扩展，最后导致船舶破坏的事例屡有报道。美国海岸警卫队船舶结构委员会(Ship Structure Committee, U.S.Coast Guard)曾组织力量对六种不同类型的77艘民用船舶及9艘军舰中六十多万个结构细部进行了调查研究和统计分析，结果表明，有约九分之一的破坏与疲劳有关。历史上海洋平台的几次重大事故，如1965年日本为美国建造的Sedco型半潜式平台在交货途中破损沉没，造成13人死亡；1980年Alexan—derKeyland号半潜式平台在北海翻沉，使一百余人葬身海底，调查分析的结果表明，结构的疲劳是造成事故的重要原因之一。 同样，疲劳失效也频繁发生在铁路公路桥梁和发电站的管道上。在五六十年代，欧洲公路网得到高速发展，当时大多采用焊接技术建造钢桥，由于那时对公路桥梁疲劳认识不足，在规范中没有规定进行抗疲劳设计，出现了许多设计不合理的焊接接头，在今天日益繁忙和加重的交通运输载荷下，加快了疲劳损伤过程，许多焊接钢桥出现了疲劳裂纹。 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，九十年代末，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。 1.2 焊接结构疲劳失效的原因 焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：① 客观上讲，焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；② 早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头；③ 工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式；④ 焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大； ⑤ 焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。 1.3 提高焊接结构疲劳性能方法的研究意义 疲劳事故的频繁发生在一定程度上制约了焊接结构的进一步广泛应用，使一些场合不得不放弃使用焊接结构，甚至怀疑焊接结构能否适用于承受动载的工程实际，故而焊接结构的抗疲劳问题引起国内外有关专家和工程技术人员，尤其是国际焊接学会疲劳专业委员会的普遍关注。在大量疲劳试验与工程实践的基础上，焊接结构抗疲劳设计规范不断出台，如英国桥梁疲劳设计规范BS5400、欧洲钢结构协会的疲劳设计规范、日本的钢桥设计规范、美国铁路桥梁以及高速公路设计规范、国际焊接学会的循环加载焊接钢结构的疲劳设计规范IIW.DOC-639-8l以及我国的钢结构设计规范GB-17-88。世界各主要造船及海洋资源开发国家，都在船舶及海洋工程结构的设计建造和检验入级规范中对焊接结构的疲劳强度作出了规定和要求。 由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用，其疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。所以焊接结构的疲劳强度取决于接头的疲劳性能，即焊接接头的抗疲劳性能，关系着焊接结构能否安全使用。因此为了保证焊接结构可靠性，在设计承受交变动载荷的焊接结构时，设计规范规定以焊接接头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强度，而不采用基本金属的疲劳强度，显然这造成极大浪费。即使如此，在接头处局部应力集中作用下，仍然会发生整体结构的过早疲劳失效。为了使焊接结构很好地满足工程上对其提出的承受动载的要求，能够采取的措施主要有两点。一方面，增加对焊接结构抗疲劳性能的了解，精心设计结构形式及接头形式，使所设计的焊接结构更合理，具有更高的疲劳强度；同时提高和严格控制焊接质量，防止和减少焊接缺陷的产生；另一方面，直接面对焊接接头疲劳性能较差的弱点，在焊接结构制造过程中、完成后以及使用过程中采取有效的工艺措施，提高接头的疲劳强度，增加其承受动载的能力、延长其使用寿命。 因此提高和改善焊接接头疲劳强度具有极大的潜在经济效益和社会效益，长期来，它是国内外有关专家研究的热点课题。 2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素 2.1 静载强度对焊接结构疲劳强度的影响 在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承担较大的负载重量，因为相同重量的结构可以具有极大的承载能力；或是同样的承载能力可以减轻自身的重量。所以高强钢应运而生，也具有较高的疲劳强度，基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高。 但是对于焊接结构来说，情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系，也就是说只要焊接接头的细节一样，高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的，具有同样的S-N曲线，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头型式。Maddox研究了屈服点在386—636MPa之间的碳锰钢和用6种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况，结果表明：材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不大。在设计承受交变载荷的焊接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足工程需要是没有意义的。只有在应力比大于+0.5的情况下，静强度条件起主要作用时，焊接接头母材才应采用高强钢。 造成上述结果的原因是由于在接头焊趾部位沿溶合线存在有类似咬边的熔渣楔块缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半经小于0.015mm。该尖锐缺陷是疲劳裂纹开始的地方，相当于疲劳裂纹形成阶段，因而接头在一定应力幅值下的疲劳寿命，主要由疲劳裂纹的扩展阶段决定。这些缺陷的出现使得所有钢材的相同类型焊接接头具有同样的疲劳强度，而与母材及焊接材料的静强度关系不大。 2.2 应力集中对疲劳强度的影响 2.2.1 接头类型的影响 焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、T形接头和搭接接头，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。但实验表明，对接接头的疲劳强度在很大范围内变化，这是因为有一系列因素影响对接接头的疲劳性能的缘故。如试样的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊条类型、焊接位置、焊缝形状、焊后的焊缝加工、焊后的热处理等均会对其发生影响。具有永久型垫板的对接接头由于垫板处形成严重的应力集中，降低了接头的疲劳强度。这种接头的疲劳裂纹均从焊缝和垫板的接合处产生，而并不是在焊趾处产生，其疲劳强度—般与不带垫板的最不佳外形的对接接头的疲劳强度相等。 十字接头或T形接头在焊接结构中得到了广泛的应用。在这种承力接头中，由于在焊缝向基本金属过渡处具有明显的截面变化，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T形接头的疲劳强度要低于对接接头。对未开坡口的用角焊缝连接的接头和局部熔透焊缝的开坡口接头，当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂可能发生在两个薄弱环节上，即基本金属与焊缝趾端交界处或焊缝上。对于开坡口焊透的的十字接头，断裂一般只发生在焊趾处，而不是在焊缝处。焊缝不承受工作应力的T形和十字接头的疲劳强度主要取决于焊缝与主要受力板交界处的应力集中，T形接头具有较高的疲劳强度，而十字接头的疲劳强度较低。提高T形或十字接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接，并加工焊缝过渡处使之圆滑过渡，通过这种改进措施，疲劳强度可有较大幅度的提高。 搭接接头的疲劳强度是很低的，这是由于力线受到了严重的扭曲。采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不合理的，由于加大了应力集中影响，采用盖板后，原来疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了。对于承力盖板接头，疲劳裂纹可发生在母材，也可发生在焊缝，另外改变盖板的宽度或焊缝的长度，也会改变应力在基本金属中的分布，因此将要影响接头的疲劳强度，即随着焊缝长度与盖板宽度比率的增加，接头的疲劳强度增加，这是因为应力在基本金属中分布趋于均匀所致。 2.2.2 焊缝形状的影响 无论是何种接头形式，它们都是由两种焊缝连接的，对接焊缝和角焊缝。焊缝形状不同，其应力集中系数也不相同，从而疲劳强度具有较大的分散性。对接焊缝的形状对于接头的疲劳强度影响最大。 (1) 过渡角的影响 Yamaguchi等人建立了疲劳强度和基本金属与焊缝金属之间过渡角(外钝角)的关系。试验中W(焊缝宽度)和h(高度)变化，但h/W比值保持不变。这意味着夹角保持不变，试验结果表明，疲劳强度也保持不变。但如果W保持不变，变化参量h，则发现h增加，接头疲劳强度降低，这显然是外夹角降低的结果。 (2) 焊缝过渡半径的影响 Sander等人的研究结果表明焊缝过渡半径同样对接头疲劳强度具有重要影响，即过渡半径增加(过渡角保持不变)，疲劳强度增加。角焊缝的形状对于接头的疲劳强度也有较大的影响。 当单个焊缝的计算厚度a与板厚B之比a/B<0.6～0.7时，一般断裂于焊缝；当a/B>0.7时，一般断于基本金属。但是增加焊缝尺寸对提高疲劳强度仅仅在一定范围内有效。因为焊缝尺寸的增加并不能改变另一薄弱截面即焊趾端处基本金属的强度，故充其量亦不能超过该处的疲劳强度。Soete，Van Crombrugge采用15mm厚板用不同的角焊缝施焊，在轴向疲劳载荷下的试验发现，焊缝的焊脚为13mm时，断裂发生在焊趾处基本金属或焊缝中。当焊缝的焊脚小于此值时，疲