焊接裂紋對鋼結構壽命影響的論述

盧華強 耿金貫 趙俊林

摘要：本文通過對焊縫裂紋對鋼結構壽命的論述得出在滿足構件使用壽命的前提下，構件制造過程中應允許焊接裂紋的存在。避免無謂過高的探傷要求，從而降低了人工檢測及返修成本。

關鍵詞：焊接結構;裂紋

在全球范圍內，隨著工業現代化的進程，焊接結構不斷向大型化、重型化、精密化和高參數化發展，尤其大型化及重型化鋼結構的出現必然會對焊接工藝提出越來越高的要求。由于焊接是物理學、冶金學及力學綜合作用的復雜過程，從而導致焊接過程中必然會在結構件中產生一系列缺陷【1】。如：裂紋、氣孔及夾雜等，以及焊接過程中的熱應力、殘余應力及變形所引起的開裂、咬邊等，尤其以焊接裂紋對鋼結構影響為甚。

裂紋缺陷的特點為寬度方向比長度方向小的多，且兩端尖銳（圖一）。尖銳的裂紋容易產生尖端效應，不僅應力集中敏感，而且會形成三向應力狀態，裂紋容易失穩和擴展【2】（圖二）。

圖一???? Q345B焊縫初始裂紋（×300）

圖二?? ?Q345B焊縫初始裂紋擴展（×60）

注：焊接方式為藥芯焊絲氣體CO2保護焊，焊材為GFL-71。

通常觀念認為有紋必裂【1】。各焊接結構企業都在不遺余力的通過一系列檢測手段（UT、PT、MT、RT等）追求關重部件焊接過程無裂紋化。對于要求探傷的焊縫，無論采用哪種探傷方法，均不得有裂紋出現。過分追求焊接無裂紋化必然會增大人工檢測及返修成本，況且目前焊縫返修大部分都是通過碳刨問題焊縫，而后重新補焊來實現。碳刨及二次補焊會造成焊縫熱影響區母材二次、三次受熱，在一定程度上會影響母材自身材料特性。以犧牲母材自身特性去保證焊縫無裂紋化這種做法是否可取？另外焊接裂紋的存在必然會導致結構件失效這種觀念是否可取？本無試圖通過理論推導來論證這一問題。

試驗表明：構件焊縫具有小于臨界尺寸的初始裂紋，在靜載荷作用下，只要其應力不高于臨界載荷，裂紋不會擴展，構件也不會斷裂。但在交變載荷下，即使交變應力水平遠低于臨界載荷，初始裂紋也將發生緩慢擴展，當裂紋達到臨界尺寸時，構件即會發生突然斷裂【2】。

假定初始裂紋尺寸為a0，臨界斷裂尺寸ac。dN為交變應力的循環次數增量，da為相應的裂紋長度增量。則可求得裂紋擴展至斷裂的循環次數為―――――――（1）

已知帕里斯公式――――――――――――――――――――――（2）

注：C、m為材料常數，為應力強度應子幅。參數關系如圖三所示。

圖三與關系走勢

另，則―――――――――――――――――――――（3）

注：針對特定某一種材料Y為常數。

由以上推導可得裂紋壽命公式為

【2】

裂紋斷裂臨界尺寸可以由試驗得出，只需查閱相關手冊即可得出公式中所需其他參數，即可以得出在一定交變載荷下焊接裂紋不失穩的循環次數（即壽命）。

通過以上論述可知，焊接缺陷總是不可避免的。通常情況下，含有小裂紋的結構件并不一定會開裂，只有當初始裂紋擴展到臨界值時，才會突然斷裂。

以下提出幾點提高焊縫壽命的幾點建議：

（1）正確選擇設計材料。結構件設計選擇時單考慮機械性能是不夠的。應全面考慮材料性能，包括KC、K1c、K1scc、da/dN和da/dt等;除了進行結構件母材進行強度計算外，還須對構件焊縫進行壽命計算。在設計重載荷或零件時，設計者往往傾斜與選擇高強度材料;但是由循環壽命公式可以得出焊縫壽命隨著材料屈服強度的增大而呈幾何級數急劇降低，鋼結構的壽命很大程度取決于焊縫的壽命。因此，在大型鋼結構設計中不可過分通過高強度材料來對實現結構輕量化設計，在設計中，在滿足結構設計強度的前提下，優先選用強度低而KIC較高的材料;

（2）合理焊接接頭強度設計。首先應對預使用材料的強度、韌性做全面了解。在此基礎上，應盡量遵循以下原狀：針對低強度鋼，無論母材或者焊縫都要較高的韌性儲備，宜選用等強度焊接接頭;針對高強度剛，母材或焊縫存儲的韌性較低，宜選用低強度焊接接頭，從而一定程度上保證了焊接接頭韌性，減緩焊縫裂紋開裂的速率值;

（3）對于結構件主要受沖擊力部位優先考慮彈性設計，在滿足結構設計功能情況下使得受力構件最大程度通過自身彈性變形吸收能量，防止受到不均勻剛性沖擊;

（4）盡量避免焊縫應力集中。合理設計焊接接頭形式，在設計中優先考慮對接焊縫【3】。焊接過程中注意焊接電流，防止焊縫熱影響區過燒而影響母材材料性能，從而增加焊縫裂紋應力集中系數。焊接完成后打磨光滑，關重部件焊趾焊縫盡量打磨與母材平滑過渡;

（5）關重部件切割火坡口開設時盡量采用機械切割方式。如不得已采用熱量切割切割后，應對與焊接邊緣及坡口打磨清除熔渣、氧化層，降低焊縫熱影響區裂紋形核數量，從而減小初始裂紋長度a0;

（6）在滿足結構件設計要求前提下，材料應盡量選擇較薄厚度。材料厚度在一定程度決定對接焊縫厚度。焊縫隨著厚度的增大到一定程度其自身斷裂韌性變為平面應力狀態;

（7）通過工藝改變焊縫應力狀態變為壓應力。在焊接過程中通過小錘敲擊（僅針對多層多道焊）及焊后沖砂噴丸來滿足。通過以上措施可以使得焊縫表面產生殘余壓應力，從而大大降低構件焊縫裂紋擴展速率值;

因此最好的解決辦法是在鋼結構設計過程中應根據大致結構優先設計焊縫形式，在結構細化階段時刻不忘焊縫接頭設計。結構件制造過程中應承認缺陷的存在，對裂紋尺寸做出合理限制，通過后續工藝優化缺陷焊縫受力狀態。借助一系列試驗數據，通過計算得出焊縫壽命。只要焊縫壽命大于結構件使用壽命就可認定焊縫是合格的。除此之外，為了減輕構件焊縫斷裂所造成的危害，在焊縫裂紋發生和發展的初期，應及早的發現它并進行標記，制定出定期進行裂紋檢測的規范，通過實際測量數據得出焊縫裂紋的擴展規律，借此合理推斷出焊縫剩余壽命。

參考文獻：

[1]陳裕川.焊接工藝分析與實例分析[M].北京：機械工業出版社2009

[2]楊廣里.斷裂力學及應用[M]. 北京：中國鐵道出版社1990

[3]吳守軍.拼焊板車門焊縫布置及尺寸優化設計方法[J].機械工程學報，2013，24（1）.