十字焊接接頭疲勞試驗與宏觀斷口分析

魏國前, 胡政豪, 黨 章, 何毅斌

(1.武漢科技大學 a.冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，b.機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，武漢 430081；2.武漢工程大學 化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室，武漢 430205)

0 引 言

疲勞試驗是確定材料、接頭和結構疲勞性能的重要手段，相比其他力學性能試驗而言，疲勞試驗采用的載荷、試件、環境以及試驗設備有很大差異，一般需要消耗大量的時間和財物。焊接結構的疲勞特性往往取決于焊縫接頭，因此常常采用特定的焊接接頭試件開展實驗室環境下的疲勞試驗研究。

Chapetti等[1]針對3種厚度的對接接頭試件開展了四點彎曲疲勞試驗，研究了對接焊縫的短/長裂紋統一模型。Ozler[2]針對全焊透對接接頭、未焊透對接接頭和橫向加強板接頭3種試件，開展了R=-1和R=0的拉伸疲勞試驗，研究了平均應力對焊接接頭疲勞壽命的影響。Saiprasertkit等[3]加工了不同滲透比值的承載型十字焊接接頭試件，開展了高周和低周條件下的疲勞試驗，研究了滲透比值對疲勞壽命的影響。Bertini等[4]針對管-板之間的連接角焊縫，開展了彎曲、扭轉和混合載荷下的疲勞試驗，研究了鐵路轉向架的疲勞性能。上述疲勞試驗大多以焊接接頭完全斷裂作為疲勞壽命的判定指標，忽略了疲勞裂紋的初期行為。朱明亮等[5-6]針對不同的焊縫連接材料和焊接工藝，采用原位試驗技術分析了試件表面和疲勞斷口的微觀形貌，研究了焊縫微區的微觀裂紋行為，這些研究側重疲勞破壞的微觀機理，缺少對工程設計的明確指導意義。

實際上，疲勞斷口作為記錄裂紋萌生、擴展和斷裂的主要物證，每個階段都與內部、外部、力學、化學、物理的等諸多因素有關，包含了極其豐富的失效診斷信息。疲勞斷口的宏觀分析不僅可以獲得有關加載類型和大小的有益線索，還可以分析裂紋源的位置以及裂紋演變過程。為此，本文針對十字焊接接頭開展了拉伸疲勞試驗，基于勾線法原理生成了典型的宏觀海灘條帶，通過宏觀斷口分析分析了焊趾裂紋的演變行為。

1 疲勞宏觀斷口

1.1 基本形貌特征

疲勞宏觀斷口具有重要性、全息性、唯一性和可分析性等特點，一般由疲勞源區、疲勞裂紋穩定擴展區和瞬時斷裂區三部分組成[7]。穩定擴展區常常出現肉眼可識別的與裂紋擴展方向垂直的弧形線，即海灘條帶(Bench Mark)。

海灘條帶是疲勞裂紋瞬時前沿線宏觀塑性變形的痕跡，是疲勞斷口重要的宏觀形貌特征，能夠真實地反映裂紋前沿形狀，是疲勞斷口分析和判斷的主要依據。由于試件材料的缺口敏感性、疲勞斷裂源數量等因素，并不是所有的疲勞斷口上都會出現海灘條帶，焊接接頭的疲勞斷口[8-11]尤其如此。實驗室環境下，一般采用勾線法人為地生成海灘條帶。

1.2 勾線法基本原理

一般認為，海灘條帶的產生與循環載荷的應力水平變化直接相關，恒幅加載條件下較難產生明顯的海灘條帶。為此，一些學者提出了勾線法[12-13]。勾線法是指在基線載荷譜中引入一定數量的標記載荷譜，標記載荷譜和基線載荷譜具有不同的應力水平，導致在斷口上留下肉眼可區分的條帶。基線載荷譜和標記載荷譜一般采用等幅方式，通常暗色條帶對應高應力幅循環;亮色條帶對應低應力幅循環。

等幅標記載荷譜需要考慮3個參量：載荷幅值、載荷平均值和循環次數。引入的標記載荷不僅要在斷口上形成明顯的條帶色差和可識別的條帶寬度，還要求載荷變化對裂紋擴展壽命的影響可以忽略不計。此外，如果采用升載勾線法，還要考慮過載遲滯現象及其可能造成的影響[14-16]。

2 疲勞試驗

2.1 疲勞試件

本文采用圖1所示的十字焊接接頭試件，母材材料為Q345，其化學成分:C 0.15%,Si 0.38%,Mn1.36%,P 1.2×10-4%,S 3×10-5%,Alu 4×10-4%。基本力能參數:δs=355 MPa,δb=560 MPa,σ=22%,E=206 GPa,μ=0.3。硬度參數(HV5):母材176,焊縫210,熱影響區309。采用手工電弧焊焊接方式，焊絲為CHW-50C6。為確保焊根處全熔透，薄板預先打磨并開坡口，坡口形式和尺寸符合GB/T985—1988和GB/T986—1988的規定，采取多層施焊直至焊腳尺寸達到要求。焊后采用錘擊法消除殘余應力。

2.2 試驗載荷譜

疲勞試驗在SDS100電液伺服疲勞試驗機上開展，采用2種載荷譜塊，一種為基線載荷譜塊;另一種為標記載荷譜塊。基線載荷譜塊的載荷幅值為0～80 kN，載荷平均值為40 kN。為了獲得清晰可辨的海灘條帶，設計3種標記載荷譜塊，其中，a型和b型標記載荷譜塊的最大值與基線載荷譜塊的最大值相同，幅值分別為基線載荷譜塊幅值的1/2和1/4;c型標記載荷譜塊的幅值為基線載荷譜塊幅值的1/2，平均值不變。根據以往十字焊接結構疲勞試驗的經驗，預計裂紋萌生壽命不會低于整個疲勞壽命的30%，故將首次基線載荷譜塊的循環加載次數設為30×104次，之后的基線載荷譜塊的循環加載次數設為10×104次，而標記載荷塊的的循環加載次數設為5×104次。完整的試驗載荷譜如圖2所示。

圖2 疲勞試驗載荷譜

2.3 試驗過程

針對上述疲勞試件和試驗載荷譜，開展了9根試件的疲勞試驗，其中，每種載荷譜試驗3根試件。試驗裝置如圖3所示。

圖3 試驗裝置圖

試驗中，每隔5×104次設置一次暫停，此時疲勞試驗機雖然暫停工作，但仍處于前一次加載載荷的平均值加載狀態，試件承受拉伸載荷，裂紋處于張開狀態，有利于裂紋的觀察。暫停期間，首先采用5～10倍放大鏡觀察焊趾部位，然后噴射滲透劑進行無損裂紋檢測。一旦發現裂紋，做好記錄和拍照工作。暫停之后繼續加載，直至試件完全斷裂。

3 試驗結果

3.1 疲勞壽命分析

所有9根試件的萌生和斷裂均發生于薄板焊趾部位，裂紋的萌生具有多發性和不同步性，將最先發現裂紋的循環加載次數定義為試驗萌生壽命;將試件最終斷裂的循環加載次數定義為試驗總壽命，試驗萌生壽命與試驗總壽命的比值規律如圖4所示。

由于基線載荷和標記載荷的幅值和平均值不同，相同加載次數下造成的疲勞損傷也不同。為便于比較，利用Goodman公式對不同的平均值進行等壽命處理，根據Miner 線性累計損傷法則和損傷等效原則，將標記載荷的加載次數轉化為對應基線載荷的等效加載次數，試驗壽命和計算壽命如表1所示。可以看出，無論是實驗數據還是計算壽命，所有試件的萌生壽命占其總壽命的比值都較大，表明裂紋萌生階段在焊接結構的疲勞設計中不可忽略。

圖4 試驗壽命示意圖

按照總壽命由小到大進行排序，以疲勞壽命Ni的對數值定義隨機變量xi，以xi由小到大排列的序數i估計試件的破壞概率Pi，計算式如下:

式中，n為樣本數據的個數。

計算結果如表2所示。將表2中的xi，Pi點繪制在正態概率紙上，如圖5所示，可以看出,圖中各數據點基本呈線性分布，故上述試驗獲得的對數疲勞壽命服從正態分布，并具有一定分散性。

3.2 疲勞斷口宏觀分析

對所有試件的疲勞斷口進行宏觀分析，均可看到明顯的疲勞區和瞬時斷裂區分界線。3根a型載荷譜試件和2根b型載荷譜試件的疲勞斷口上出現了清晰的疲勞海灘條帶，另1根b型載荷譜試件的斷口有肉眼可識別的海灘條帶痕跡，而3根c型載荷譜試件的斷口均未見明顯的海灘條帶，如圖6所示。表明勾線載荷譜對海灘條帶的形成有重要作用，載荷幅值和載荷平均值越大，海灘條帶越清晰。

表2 總壽命概率分析

圖5 總壽命概率分布

(b) b型載荷譜試件(L28-5)

(c) c型載荷譜試件(L28-7)

(d) a型載荷譜試件(L28-3)

宏觀斷口分析發現了3種基本的裂紋演變形態：

(1) 邊裂紋致斷裂型。如圖7(a)所示,首先在靠近試件側面的焊趾上萌生一個半橢圓形表面裂紋，表面裂紋沿板厚和焊趾方向同時擴展形成角裂紋，角裂紋進一步擴展形成邊裂紋，邊裂紋向另一側擴展直至試件斷裂。

(2) 貫穿裂紋致斷裂型。如圖7(b)所示,首先在焊趾中部萌生一個半橢圓形表面裂紋，表面裂紋沿板厚和焊趾方向同時擴展，由于沒有其他可能萌生裂紋的影響，已萌生的裂紋率先形成貫穿裂紋，貫穿裂紋向兩邊縱向擴展直至試件斷裂。

(3) 多裂紋融合型。如圖7(c)所示,這種類型的演變情況較為復雜，比較典型的演變過程是，首先在焊趾中部區域萌生半橢圓形表面裂紋，表面裂紋沿板厚和焊趾方向同時擴展，期間已萌生裂紋的附近焊趾部位又萌生新的表面裂紋。這些表面裂紋不斷擴展、融合，逐漸形成一條狹長形裂紋，主要沿焊趾擴展，未等貫穿板厚即喪失承載能力，導致試件斷裂。如果形成的長形裂紋靠近一側，則會先形成角裂紋，繼而形成邊裂紋，最后直至試件斷裂，如圖7(d)所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖7 疲勞裂紋演變示意圖

上述裂紋演變形態主要取決于裂紋萌生的部位和數量。如果初始裂紋萌生于焊趾端部，端部側面抵抗裂紋向該方向的阻力較小，裂紋沿焊趾方向擴展的速率比沿板厚方向為快，容易以上述(1)形態演變。如果初始裂紋萌生于焊趾中部，裂紋前沿處于平面應變狀態，更容易以(2)形態演變。如果多個初始裂紋同時或者在較短間隔時間內萌生，則容易以(3)形態演變。值得注意的是，實際工程結構中的焊縫一般都較長，如果焊趾條件不佳，容易導致多處萌生初始裂紋，因此容易出現長條狀的未貫穿裂紋。相反，如果焊趾條件良好，初始裂紋數量少，其沿長度方向的擴展會受到抑制，這對焊接結構的疲勞性能是極其有益的。

4 結 論

(1) 針對十字焊接接頭開展了9根試件的拉伸疲勞試驗，結果表明焊接接頭的萌生壽命占疲勞壽命的

較高比值，傳統的斷裂力學法求解焊接結構剩余壽命過于保守。

(2) 通過3種標記載荷的試驗研究，表明勾線法是生成海灘條帶的有效方法，標記載荷的幅值、平均值和循環次數是影響海灘條帶生成效果的重要因素，保留載荷最大值的半幅標記載荷譜容易獲得較明顯的疲勞海灘條帶。

(3) 宏觀斷口分析揭示了3種焊趾裂紋的演變形態，初始裂紋的萌生部位和數量是影響裂紋演變形態的主要因素，而這些因素與焊縫焊趾的幾何形貌和有較大關系。

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