淺談焊接接頭與結構疲勞延壽技術的應用

郭廣輝 張衍坤

摘 要：自焊接工藝誕生之日起至今，其得到了飛快的發展和普及，已經在很多領域得到廣泛運用，甚至已經成為很多重要技術的工藝支撐。從制造行業到建筑行業，從造車造船到建筑高樓廠房，無一離得開焊接工藝的使用。因此焊接工藝對整個工業行業來說都有至關重要的基礎意義。當前焊接接頭和結構的疲勞是影響焊接技術發揮作用的最主要問題所在，因此本文從行業經驗出發對此進行了相關的探索，并對焊接接頭與結構的疲勞延壽技術應用進行了淺析，以期推動焊接工藝的進一步發展和廣泛應用。

關鍵詞：焊接接頭;焊接結構;疲勞強度;延壽

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.022

1 焊接工藝應用概述

1.1 當前焊接工藝利用背景

焊接是利用加熱、高溫或者高壓的方法，使熱塑性材料結合在一起的一種制造工藝。當前焊接這種連接方式被廣泛應用于各行業。比方說汽車制造行業、船舶制造行業、航天航空行業、鐵路橋梁建設行業，以及住宅廠房寫字樓等的建設建筑行業等。可以說涉及到熱塑性材料相接連的地方，大都需要焊接工藝。但也正因為焊接工藝中存在的不足，導致在一些高精尖要求的行業中，焊接技術制造的構件還沒辦法滿足其要求。這也一定程度的阻礙了焊接工藝應用的廣度和深度。

1.2 當前焊接工藝存在的問題

由定義可知焊接是將熱塑性材料焊連在一起，因此焊接構件的主要問題是焊接接頭與結構的疲勞失效問題。在焊接技術的應用中，因焊接結構疲勞失效造成的行業制約和經濟損失有很多。例如，在海洋及船舶制造行業，焊接結構疲勞時造成船舶損壞的主要原因之一，同時焊接結構的疲勞也是制約海洋平臺建設，甚至造成海洋平臺事故發生的重要原因之一;在陸路交通行業，焊接結構疲勞會妨害鐵路的行使安全、縮短機車的使用年限，同樣公路橋梁建設中焊接接頭的疲勞也會導致橋梁產生裂紋，無法安全承載交通負荷;在航空領域，焊接結構的疲勞嚴重影響著飛機發動機或機翼等重要部件的使用壽命;此外在一些機械制造行業，焊接結構疲勞也是制約行業企業發展的關鍵因素之一……有統計曾顯示，焊接結構發生斷裂事故的原因中，有九成是因為結構疲勞。因此必須重視焊接構件疲勞的問題，并對其進行延壽技術改善。

2 引起焊接構件疲勞產生的原因

隨著焊接工藝的不斷發展，焊接技術已經有了很大的提升。當前引起焊接構件疲勞失效造成斷裂等問題的因素可以總結成下面幾點：首先，焊接接頭的疲勞。當焊接構件處在靜態，即所受外力不隨時間變化，并且其各點的狀態也不隨時間發生改變時，焊接接頭的載荷能力同原材料是一樣的，但當焊接構件處于交變動態，即受到大小、方向隨時間呈周期性變化的作用力時，其載荷承受能力就會遠遠不及原材料的能力，這是造成焊接接頭出現疲勞失效的主要因素之一。其次，隨著各個對焊接有需求的工業行業的發展，對焊接構件的動態載荷承受能力的要求也越來越高，而當前的焊接工藝方面抗疲勞技術的發展跟不上需求速度，導致生產出的焊接構件容易產生疲勞失效。第三，部分專門技術人員對焊接結構的抗疲勞程度不熟悉、或設計標準和結構不規范、或在焊接構件的制造過程中成本質量不達標，最終造成焊接構件不能滿足荷載需求，從而容易發生疲勞失效事故。

3 焊接結構疲勞強度的影響元素及延壽技術的應用研究

3.1 焊接結構疲勞強度的影響元素

由上文可知除了人為因素和行業發展因素的影響，焊接工藝中實際造成焊接構件疲勞失效的主要原因是焊接接頭疲勞。可以說焊接接頭的抗疲勞程度決定著焊接結構的疲勞強度。焊接接頭處容易有焊接缺陷，而且還有應力集中與殘余拉伸應力等的多重因素影響，這些都是影響焊接構件抗疲勞性能的主要元素。

3.2 焊接構件延壽技術的傳統應用

針對上述的影響元素，當前我國對焊接結構的設計規范，將過去以原材料疲勞強度為標準改成以焊接接頭的抗疲勞程度為整個構件的疲勞強度標準。這個規定不但會造成材料浪費，而且仍然會因焊接接頭處出現的問題，造成整體焊接結構的疲勞失效。因此必須針對各個影響元素采取相應的技術措施來延長焊接構件的壽命。

（1）降低焊接接頭處的焊接缺陷。焊接接頭處容易有兩大類焊接缺陷，一種是表面型的，如有未熔合或未焊透、有裂紋等;一種是體積缺陷，如有氣孔或夾渣等。因此要努力提高焊接技術，在焊接過程中嚴控焊接的質量，來預防、減少和杜絕焊接缺陷的出現。

（2）降低應力集中系數。焊接接頭處會有應力集中的情況出現，其中焊接接頭的形式和焊縫的形狀都會對應力集中系數的大小產生影響。行業經驗表明，通常情況下焊接接頭的疲勞裂縫會開始于焊根或焊趾處。若消除了焊接根部的裂縫開裂危險，則焊趾處的裂縫防范就十分重要。因此要在焊接接頭處改善焊趾的形狀，來降低應力集中系數。當前較常使用的方法有以下幾種：鎢惰性氣體熔修、對無缺陷的焊縫表面進行機械加工或砂輪打磨、使用新型特別焊條和錘擊法、噴丸法等。

（3）減少焊接殘余拉伸應力。減少焊接殘余拉伸應力，引入殘余壓縮應力，可以延長焊接結構的壽命，提高其可靠性。當前比較常用的方法主要有局部加熱法、預過載、錘擊法、擠壓法、噴丸法等。

3.3 焊接構件延壽技術的新應用

最近幾年又產生了新的焊接接頭和結構延壽技術：超聲沖擊法和低相變點焊接材料法。其中超聲沖擊法能通過比較輕巧的設備降低焊趾應力集中系數，并產生殘余壓縮應力，具有很好的靈活性和可控性，在使用過程中受到的約束較少，且低成本低耗能，是一項高效率的新技術。低相變點焊接材料法是一種操作簡單的焊中處理方法，可以較方便的產生壓縮應力，對不能進行焊后處理的焊接接縫，尤其適用在使用其的過程中可以通過低相變點焊條焊趾熔修的辦法來降低其成本。

4 結語

焊接工藝關系到很多行業的發展，因此必須重視焊接接頭與結構疲勞延壽技術的應用，推動焊接技術的升級，為其他行業的發展提供更好的支撐作用。

參考文獻：

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[2]王東坡，龔寶明，吳世品，張海，馮延焉.焊接接頭與結構疲勞延壽技術研究進展綜述[J].華東交通大學學報，2016，33（06）：1-14.

作者簡介：郭廣輝（1975-），男，山東東平人，中專，研究方向：焊接。