非承載角焊縫十字接頭疲勞性能

聶春戈，張旭，管明珠，李曉峰

(大連交通大學，遼寧 大連 116028)

0 前言

焊接結構的疲勞性能取決于接頭局部區域的應力集中程度[1-2]。而焊接接頭的細節特征，如焊腳尺寸、裝配間隙、熔深等，則是影響接頭的應力集中的關鍵因素，并進而影響結構疲勞壽命。因此，為保證焊接結構的疲勞可靠性，需要在接頭設計時規定細節參數，并在制造時根據相關標準進行檢測，以判定焊縫的缺欠質量等級是否滿足要求。例如，用于鐵路車輛焊接結構設計的EN 15085標準[3]引用ISO 5817[4]，ISO 1042[5]等標準，作為定義焊縫缺欠質量等級的依據。

這些國際主流標準對焊縫細節和缺欠的評估往往基于經驗，只根據缺欠形貌尺寸來確定焊縫質量等級[4-5]，并不考慮接頭在服役過程中的受力狀態。一個典型例子是在評估角焊縫中的氣孔缺欠時，只根據氣孔的大小分為B，C，D等級，而氣孔具體位置和接頭受力特征則關注很少。這種判斷方法由于缺乏理論根據，可能給結構帶來疲勞隱患，也有可能會過于保守，導致制造成本的提高。因此，利用先進的數值方法和試驗手段對焊縫質量等級的判斷依據進行研究，具有重要的工程價值。

角焊縫接頭在工程結構中有廣泛應用, 其疲勞性能也得到深入研究[6-7]。根據焊縫是否傳遞載荷，可以將接頭分為承載角焊縫接頭和非承載角焊縫接頭。工程經驗及常見疲勞評估標準[8]均表明，后者的疲勞性能顯著高于前者。然而在指定焊腳尺寸、規定裝配間隙和熔深等檢驗指標時，兩者卻往往取用同一標準，需要對其合理性進行研究。

文中基于網格不敏感結構應力方法[9-10]，對不同焊腳尺寸的非承載角焊縫十字接頭疲勞性能進行數值分析，并進行試驗驗證。然后，分析了裝配間隙和焊縫熔深對接頭抗疲勞能力的影響，從而為焊接結構非承載角焊縫的焊腳尺寸設計和焊接質量定義標準的制定提供理論基礎。

1 角焊縫接頭的結構應力定義

角焊縫接頭是結構局部剛度發生顯著變化的位置，應力狀態復雜。圖1為焊趾截面結構應力定義，以焊趾截面的法向應力為例，其實際分布如圖1a所示，具有典型的非線性特征，并在焊趾位置達到峰值。由于焊趾往往是常規有限元計算的應力奇異位置，計算結果受網格尺寸、單元類型等因素影響很大，導致利用有限元方法進行疲勞評估的精度不高。為此，董平沙[9]提出了具有網格不敏感性特征的結構應力方法。

結構應力方法將截面上的應力分解為線性應力部分(圖1b)和高階自平衡應力部分(圖1c)，并將其中的線性應力部分稱為結構應力，而線性應力又可以分解為膜應力和彎曲應力兩部分。

圖1 焊趾截面結構應力定義

與常規有限元的應力計算方法不同的是，結構應力利用有限元結果中的單元節點力進行計算。以平面實體有限元模型為例(圖2)，焊趾截面法向結構應力的數值計算根據以下步驟：①提取圖2a中截面A-A右側共N個單元以定義焊趾截面；②提取截面上各節點的節點力F1，F2，…，FN+1(圖2b)；③根據平衡等效原理將截面上的節點力轉化為合力Fy′和相對于截面中點的彎矩Mz′(圖2c)；④最后利用材料力學公式計算A-A截面的結構應力如式(1)所示：

(1)

式中：σm為膜應力；σb為彎曲應力；t為板厚。

圖2 平面有限元模型中焊趾截面節點力的提取

結構應力方法目前主要用于焊接接頭疲勞問題的分析?；诮Y構應力的主S-N曲線方法已經被ASME等多部國際標準吸收，并在實際工程中得到廣泛應用[11-12]。與名義應力方法相比，結構應力方法作為一種先進的數值方法，其應力結果可以反映焊縫細節對接頭應力集中的影響，并進而描述不同細節特征焊接接頭的疲勞性能。

2 焊腳尺寸對非承載角焊縫接頭疲勞性能的影響

2.1 接頭的結構應力計算與分析

為研究焊腳尺寸對非承載角焊縫十字接頭疲勞性能的影響，如圖3所示。針對圖3a中板厚為10 mm的十字接頭，建立一系列具有不同焊腳尺寸s的有限元模型。根據接頭的幾何和載荷特征，計算時取1/4結構，并使用了平面應變單元，其中s=10 mm的典型有限元網格如圖3b所示。

按照在接頭上施加單位拉伸載荷，按照上文描述的流程就可以計算所關心位置的結構應力。需要指出的是，由于接頭對稱，拉伸載荷下整個焊趾截面的結構應力分布如圖3c所示，因此計算結構應力時，式(1)中的參數t取實際板厚的一半，即5 mm。對于非承載角焊縫十字接頭而言，疲勞薄弱位置是焊趾截面，因此這里只給出焊趾位置結構應力與焊腳尺寸之間的關系，結果如圖4所示。為了對比，圖中還給出了文獻[7]研究的相應焊腳尺寸的承載角焊縫接頭的結構應力。

圖3 十字接頭幾何與有限元模型

由圖4可以看出，隨著焊腳尺寸的增加，非承載角焊縫接頭的結構應力呈單調上升趨勢，而承載角焊縫接頭的結構應力卻單調下降。這表明，增大焊腳尺寸會提高前者的應力集中，反而使疲勞壽命降低，這與承載角焊縫接頭明顯不同。當然也要看到，與后者相比，不同焊腳尺寸的非承載角焊縫接頭結構應力的變化很小，比如k=s/t=1.8時的應力集中系數只比k=s/t=0.3時高約5%，這說明焊腳尺寸對該接頭的疲勞壽命影響并不大。

圖4 兩種接頭結構應力與焊腳尺寸的關系

兩種接頭的結構應力基本收斂于一個約為1.4的常數，說明焊腳尺寸較大時，兩種接頭的疲勞性能接近。這一點應當在對焊接機結構進行疲勞評估時予以關注，而不僅僅是將兩者視為兩種完全不同的接頭。

2.2 試驗驗證

文獻[11]已經深入研究了焊腳尺寸對承載角焊縫接頭疲勞性能的影響。這里為驗證上述關于非承載角焊縫接頭的數值計算和分析的正確性，設計不同焊腳尺寸的十字接頭試件進行疲勞試驗，試件幾何如圖5所示。試件板厚t=10 mm，焊腳尺寸分別為s= 5 mm，6 mm，8 mm，10 mm和12 mm，共5種。每種焊腳尺寸的試件個數為6個，總計30個。

圖5 試件幾何

所有試件母材均為AH36鋼，采用藥芯焊絲電弧焊(Fluxed-cored arc welding, FCAW)方法焊接。為了使疲勞試驗結果更接近于工程實際，全部試件委托工廠按照實際生產所使用的工藝參數進行自動化焊接。其中焊腳尺寸分別為6 mm和12 mm的兩種典型接頭宏觀形貌如圖6所示。

試驗在MTS 200 KIPs通用液壓測試設備上完成，試樣均為原始焊態，不作任何處理。試驗采用的兩級應力水平分別為±105 MPa和±210 MPa, 加載頻率為12 Hz。

在BS 7608標準[8]中，非承載角焊縫十字接頭的疲勞等級為F級。為驗證疲勞試驗數據的可信度，這里將疲勞試驗數據與BS 7608標準中的F級均值S-N曲線作對比，如圖7所示。

圖7中，虛線為BS 7608中的F級均值S-N曲線?？梢钥闯鲈囼灁祿课挥谠摋l曲線右側，表明試件疲勞壽命顯著大于該條S-N曲線的預測值。造成這一結果的關鍵原因是該疲勞試驗的加載條件與標準中的S-N曲線對應的條件不同。BS7608標準中由拉-拉條件下的試驗數據統計得到S-N曲線，而該試驗為拉-壓(R=-1)加載條件。

根據標準規定，在計算焊趾截面的母材斷裂問題的疲勞壽命時，需要進行應力修正。具體做法是將負應力部分乘以0.6再計算應力范圍。針對R=-1條件，得到的修正后的應力范圍為實際應力范圍的0.8倍。為便于比較，文中利用這一原則將BS 7608標準中提供的S-N曲線修正為R=-1條件下的曲線，即圖7中的實線。可以看出，試驗數據位于修正曲線的兩側附近，證明數據可信，同時也表明在評估非承載角焊縫疲勞性能時進行應力修正的必要性。

根據應力水平為±210 MPa時的試驗結果可以得到接頭疲勞壽命與焊腳尺寸之間的關系，如圖8所示。

圖8 疲勞壽命與焊腳尺寸的關系

由圖8可以發現，具有較大焊腳尺寸的試件，其疲勞壽命反而較低，這與前文對結構應力計算結果的分析結論一致，從而證明了結構應力方法的可靠性。另外，與文獻[7]中的承載角焊縫接頭試驗數據相比，圖5中的幾種不同焊腳尺寸試件的疲勞壽命的差別并不大，從試驗的角度證明了焊腳尺寸不會顯著影響非承載角焊縫接頭的疲勞性能。因此，在非承載角焊縫的接頭設計和焊縫質量檢測時，可以適當放松對于焊腳尺寸的要求。

3 裝配間隙與熔深對非承載角焊縫接頭疲勞性能的影響

為保證角焊縫具有足夠的有效承載面積和力學性能，需要限定板之間的裝配間隙。ISO 5817標準中規定了從高到底不同焊縫質量等級接頭的裝配間隙(圖9)限值如下：①B級：h≤0.5 mm + 0.1a, 且最大值2 mm;②C級：h≤0.5 mm + 0.2a, 且最大值3 mm;③D級：h≤1.0 mm + 0.3a, 且最大值4 mm。

圖9 角焊縫接頭的裝配間隙

為提高接頭疲勞性能，接頭設計時也會指定坡口尺寸以增大焊縫熔深。為從理論上研究這兩個參數對非承載角焊縫接頭疲勞性能的影響，這里仍然利用結構應力方法對不同裝配間隙和焊縫熔深的接頭進行分析。

以板厚t=10 mm，焊腳尺寸s=10 mm的非承載角焊縫十字接頭為研究對象，首先分別建立包含不同裝配間隙和焊縫熔深的平面有限元模型，其中裝配間隙h=2 mm，熔深p=3 mm的接頭1/4有限元模型分別如圖10所示。

圖10 含裝配間隙和熔深的十字接頭有限元模型

在水平板施加1.0 MPa拉伸載荷，分別計算不同裝配間隙和焊縫熔深時焊趾位置的結構應力，結果如圖11所示。其中裝配間隙只計算到μ=h/t=0.5；而由于接頭幾何對稱，圖11中的ν=p/t=0.5即代表了全熔透焊縫。

圖11 結構應力與裝配間隙和焊縫熔深的關系

根據當前的焊腳尺寸，質量等級為B，C，D級的接頭對應的相對裝配間隙(h/t)分別為0.12，0.19和0.31。由圖11可以看出，隨著裝配間隙的增大，接頭的傳力路徑有所改變，焊趾結構應力逐步變小，表示其疲勞壽命反而增大，意味著標準里的判據并不適用于非承載角焊縫接頭。而從絕對數值來看，圖中應力最多只降低不到3%，表明裝配間隙也不是顯著影響該類型接頭疲勞壽命的參數，在進行焊縫質量等級檢測時，該參數也可以適當放松。

圖11顯示，隨著焊縫熔深的增加，結構應力幾乎沒有變化，表明熔深對接頭的疲勞性能基本沒有影響。這一特征也與文獻[7]中承載角焊縫接頭的結果有明顯差異，說明接頭的應力集中特征與其受力特點關聯性很大，也體現了進行接頭設計時考慮接頭受力特征的必要性。

4 結論

(1)非承載角焊縫接頭的焊腳越大，應力集中增加，疲勞性能反而越低，因此接頭設計可以選擇較小的尺寸，質量檢測時也可以適當放松對這一參數的要求。

(2)非承載角焊縫接頭的疲勞試驗數據與經過應力修正的F級S-N曲線吻合，證明了進行疲勞性能評估時進行應力修正的必要性。

(3)裝配間隙和焊縫熔深對非承載角焊縫接頭的疲勞性能影響很小，在定義焊縫質量等級時可適當放寬標準。

(4)細節特征對接頭性能的影響程度與接頭受力狀態直接相關。因此，在接頭設計和焊縫缺欠質量檢測時，應當考慮接頭在結構中的受力狀態，從而制定合理的控制參數。這對于降低結構制造成本有重要的工程價值。