淺議焊接結構疲勞壽命預測及抗疲勞措施

王玉華 繆卓君

摘要：基于焊接結構疲勞破壞分析，從焊接接頭形式與應力集中、焊接熱影響區金屬性能的變化及應力特征、焊接缺陷與環境介質等角度分析了焊接結構疲勞斷裂的影響因素。結合已有的研究，從疲勞裂紋萌生機理與疲勞斷裂過程的主要階段分析了焊接結構疲勞失效的機理與過程，焊接結構疲勞失效的主要階段包括初始疲勞裂紋在應力集中初的萌生、疲勞裂紋的亞臨界或穩定擴展、疲勞裂紋的失穩擴展直至結構斷裂三個階段。基于斷裂力學理論，介紹了焊接結構疲勞壽命評估方法，并從抗疲勞設計、控制焊接過程中產生的殘余應力、焊接位置或母材的表面處理等角度介紹了常見的焊接結構抗疲勞措施。本研究對于焊接結構疲勞壽命研究及抗疲勞設計，具有一定的參考與借鑒意義。

關鍵詞：結構工程；焊接；疲勞壽命；抗疲勞措施

中圖分類號：TU391文獻標志碼：A

0引言

在現代鋼結構的應用與連接中，焊接連接方式是最主要的連接方式之一[1，3]，其具有構造簡單、加工便捷、連接性能優異、用料節省、適合工業化生產等諸多優點，故被廣泛應用于房建結構、航空航天、海洋平臺等領域[2～5]。然而，絕大多數的焊接結構都在交變應力作用下工作，長期的循環交變應力作用會導致結構出現疲勞破壞[1，2，5]，加之焊接結構本身的特點，焊縫區與母材由于加工過程及本身的力學特點，在焊接接頭位置出現二者的力學性能不匹配，疲勞作用下極易在接頭位置產生裂紋及其他缺陷，極大地降低了焊接結構的抗疲勞性能及服役性能[3，5，6]。

大量統計表明，金屬結構由于疲勞導致的失效，占總失效形式的70%以上。鋼結構在發生疲勞破壞之前，并不會出現明顯的塑性變形，是一種突然發生斷裂的破壞形式[5～9]，一般的疲勞破壞斷面成斷口平直的形式，因此，疲勞破壞是一種反復應力或荷載作用下的脆性破壞形式。焊接構件在加工過程中，會出現不同程度的焊渣侵入焊縫趾部、焊縫內存在氣孔、焊接出現欠焊等現象，導致焊接結構焊縫存在咬邊、未焊透等焊接缺陷及施工誤差，加之焊接結構由于其自身會在整體幾何形狀不連續處引入焊接連接方式，進一步導致焊縫部位在荷載作用下出現嚴重的應力集中現象[7～13]。此外，鋼材本身的性能缺陷諸如化學成分的偏析與非金屬雜質，以及鋼材加工過程中的缺陷如非焊接結構與構件表面上的刻痕、軋鋼皮時產生的凹凸不平、鋼材加工過程中的沖孔、剪邊、火焰切割等工藝帶來的結構與構件自身的毛邊和裂紋等[5～14]，也會進一步加劇焊接結構在疲勞應力作用下的性能劣化過程及程度。因此，進一步研究焊接結構的疲勞性能與抗疲勞措施，對于延長焊接結構使用壽命，提高結構服役性能，具有重要意義。

1焊接結構疲勞斷裂影響因素及斷裂機理

1.1焊接結構疲勞斷裂影響因素

鋼結構使用過程中，對鋼材基體疲勞性能產生影響的因素包括應力集中、構件截面形式及尺寸、材料表面的狀態、荷載特征、環境介質等。焊接接頭本身的特殊性，如接頭材料性能與接頭形式、焊接缺陷及殘余應力等，也會對焊接結構的疲勞性能產生一定影響。

首先，焊接接頭的形式及應力集中對焊接結構的疲勞性能有顯著影響，如圖1所示，為結構焊接過程中不同的接頭形式。不同的焊接接頭會導致焊縫位置出現不同形式的應力集中現象，一般情況下，對接接頭的應力集中最小，對應結構的疲勞強度最高，對接接頭的具體形式如圖1（a）所示。采用對接形式焊接后，對焊縫表面進行加工處理，使焊縫與母材表面平齊，或在二者交界位置采用大圓弧半徑過渡，可有效降低應力集中，未經加工的焊接接頭，其焊縫余高e以及過渡角θ越小，疲勞強度越高。

相對而言，采用搭接接頭和加蓋接頭焊接的結構，如圖1（b）與1（c）所示，其疲勞強度要低于同等情況下對接接頭的疲勞強度。帶有端面角焊縫的焊接接頭，其疲勞強度與焊縫的形狀有關。承受疲勞應力且未開坡口又無熔深的十字接頭，其疲勞斷裂發生的位置與焊腳和板厚的比值kδ有關。根據以往的研究，在軸向力作用下，當k/δ<（0.9～1.0）時，斷裂一般發生在焊縫位置；當k/δ>（0.9～1.0）時，斷裂一般會發生在焊趾趾端與母材的交界位置；當k/δ<（0.9～1.0）時，疲勞斷裂一般發生在焊縫位置；焊接結構在使用過程中，承受矩作用下，當k/δ<（0.4～0.5）時，斷裂一般會發生在焊縫位置；當k/δ>（0.4～0.5）時，斷裂一般會發生在焊縫位置。對于承受疲勞應力且帶有坡口或具有一定熔深的十字接頭，焊腳和板厚比值kδ的臨界值隨著焊縫熔深的增長呈現下降趨勢。

其次，焊接熱影響區金屬性能的變化以及應力特征對焊接結構的疲勞性能有一定程度的影響。對于焊接結構而言，焊接位置的熱影響區域是整個結構材料組織和性能分布最不均勻的位置，焊接母材的原始成分與性能、焊接工藝參數、材料加工技術等因素均對該位置的焊接性能有顯著影響。一般而言，大多數金屬的疲勞壽命在低周疲勞循環下與金屬內部晶粒的關系不大，但金屬的疲勞壽命與疲勞強度在高周疲勞下會因為金屬內部晶粒的尺寸增大而減小，因此，在材料的焊接與熱處理過程中減小工藝因素對金屬晶粒的影響，對提高焊接結構疲勞壽命意義較大。普通低碳鋼的疲勞壽命與金屬內部含碳量有關，但是焊接過程中熱影響區的材料組織性能對不同含碳量的鋼材焊接接頭疲勞強度影響不明顯。焊接結構在使用過程中，其表面的應力水平較高，所以疲勞裂紋首先會在結構表面產生，根據以往的研究結果，增大結構使用過程中的拉應力水平會降低焊接結構的疲勞壽命，而增加壓應力水平則會提高結構的疲勞壽命。焊接參與應力也對焊接結構的疲勞性能有顯著的不利影響，會降低接頭位置的疲勞強度，焊接結構存在一定水平的焊接殘余應力時，會導致構建的平均應力水平有不同程度的提高，進而致使構件服役過程中的應力比增大，加速焊接位置的裂紋萌生與擴展速率。

最后，焊接缺陷與環境介質對焊接結構疲勞性能的影響不容忽視。焊接時產生的氣孔、夾渣、欠焊等焊接缺陷對焊接接頭的靜態塑性強度影響較小，但對結構的疲勞強度影響較為嚴重，帶裂紋的焊接接頭存在上述缺陷時，結構的疲勞強度下降速率顯著增加。焊接工藝帶來的咬邊現象也會影響焊接結構的疲勞性能，已有的研究表明，焊接接頭帶有咬邊時，其百萬次的疲勞強度為致密接頭疲勞強度的40%左右。因此，焊接缺陷的種類、尺寸、位置、形式等對焊接結構的疲勞強度有不同程度的影響。此外，焊接結構的工作環境及環境介質對其疲勞強度存在一定程度的影響。當焊接結構在腐蝕介質中工作時，疲勞應力與腐蝕的耦合作用會降低結構的疲勞強度，介質的腐蝕會進一步加速疲勞裂紋的萌生與擴展進程，進而影響焊接結構的疲勞壽命。

1.2焊接結構疲勞斷裂機理

已有的研究表明，焊接結構的疲勞斷裂過程實質上是結構在疲勞荷載作用下損傷的發展與累積過程，主要的階段包括初始疲勞裂紋在應力集中初的萌生、疲勞裂紋的亞臨界或穩定擴展、疲勞裂紋的失穩擴展直至結構斷裂三個階段。疲勞斷裂不同于常規的靜力破壞，而是在多次反復應力作用下，經歷較長時間后疲勞裂紋不斷擴展導致的破壞，受材料自身性能與構件形狀、加工工藝、使用條件等的影響。如圖2所示，典型鋼結構的結構疲勞斷裂的演化過程可以分為裂源區、疲勞裂紋擴展區、以及瞬間斷裂區這三個過程。

疲勞斷裂發生之前，結構不會出現明顯的征兆，其具有典型的突發特性，且具備一定程度的低應力脆斷特征，即便結構不含初始缺陷，在反復循環加載過程中也會萌生裂紋，直至裂紋擴展到結構斷裂，因此結構的疲勞斷裂屬于典型的穿晶斷裂。

對于焊接結構而言，焊接接頭相對和母材的整體性與均勻性較差，屬于結構的薄弱位置，因此焊接結構的疲勞首先是從焊接接頭位置開始發展，裂紋的孕育和萌生也比母材早，即焊接接頭位置產生疲勞缺陷所需的荷載循環次數比結構整體疲勞所需的次數少，縮短了疲勞裂紋孕育及發展的進程。如圖3所示，為疲勞裂紋的萌生機理示意圖。

如圖3所示，焊接結構由于焊縫位置材料的不均勻性與焊接過程自帶的缺陷，焊縫位置會產生較高水平的應力集中現象，甚至出現比剛才屈服強度高的應力水平，導致該位置出現不同程度的位錯和塑性變形，進而致使焊接位置的局部在最大剪應力方向發生滑移。在反復循環荷載作用下，焊縫位置所產生的不同方向的滑移，導致結構構件表明產生不同程度的凹入與凸出，疲勞應力導致的多次反復凹凸變形，造成對應位置孕育并萌生疲勞裂紋，裂紋的逐漸擴展最終導致結構失穩和斷裂。

2焊接結構疲勞壽命評估及抗疲勞措施

2.1焊接結構疲勞壽命評估方法

在斷裂力學中，一般認為結構及材料的內部存在不同程度的微缺陷，通過建立材料的力學性能、結構與裂紋幾何尺寸、荷載三者之前的定量關系，來描述結構在疲勞荷載作用下的裂紋擴展速率da/dN，進而構建疲勞裂紋的擴展公式。根據Paris等人的研究，將獲得的裂紋擴展速率da/dN與應力強度因子幅值ΔK之間的關系在雙對數坐標系中進行描繪，即可得到反映疲勞裂紋擴展三個階段的一條反S型曲線，如圖4所示。

如圖4所示，Ⅰ區對應1.2所述的疲勞裂紋在應力集中處的孕育和萌生階段，此時da/dN與ΔK的關系曲線較為陡峭，曲線初始延伸階段對應某一臨界值，一般稱該臨界值為界限應力強度因子幅ΔKth，當應力強度因子幅值ΔK小于該臨界值時，認為疲勞裂紋處于孕育和萌生階段，不發生裂紋的擴展。Ⅱ區對應疲勞裂紋的亞臨界或穩定擴展階段，此時應力強度因子幅值ΔK達到了臨界值ΔKth并繼續發展，此時認為焊接結構的疲勞裂紋開始擴展。在圖4所示的雙對數坐標系中lg（da/dN）與lg（ΔK）整體上為線性關系，根據以往的研究，可用da/dN與ΔK之間的函數關系反映該階段對應的疲勞裂紋擴展速率，即：

依據實測得到的初始裂紋長度、等效應力幅、構件的幾何形狀系數等參數，即可利用（6）式實現焊接結構的疲勞壽命計算與預測。

2.2焊接結構抗疲勞措施

基于焊接結構疲勞斷裂的影響因素與疲勞斷裂機理，焊接結構的抗疲勞措施可從抗疲勞設計、減小焊接殘余應力、表面強化處理、合理布置焊縫、焊縫位置采用涂層保護及表面處理、及時消除缺陷等方面入手。

一方面，抗疲勞設計的核心思想是通過降低應力集中來提高焊接接頭的疲勞強度。具體的設計措施如合理設計構件形式，從構造上降低結構的應力集中；選擇應力集中系數較小的接頭進行焊接，搭接接頭盡量用應力集中系數小的對接接頭代替。焊接過程中無法避免使用角焊縫時，必須采取綜合性措施，保證角接板形狀合理，焊縫根部熔透，進而降低應力集中現象，同時消除殘余應力對結構整體性能的不利影響，從根本上提高焊接接頭的疲勞強度。對結構和構件采用表面機械加工的方法，可有效消除結構焊縫附近的缺口和刻槽等缺陷，從而實現降低結構應力集中，提高構件疲勞壽命的目的。

另一方面，控制焊接過程中產生的殘余應力，減小甚至消除焊接接頭位置應力集中處的殘余拉應力，或者通過構造措施使該處產生殘余壓應力等，均可以提高焊接結構的疲勞強度。控制焊接殘余應力的方法包括：施工中適當調整焊接方法、工藝參數、接頭形式、焊接順序等；采用焊后退火熱處理的方式可降低殘余應力的峰值，使應力分布更為均勻和平穩；對于質量較好、韌性優異的結構，在正式投入使用之前，可以通過多次超載預壓-卸壓的方式消除殘余應力；焊接接頭和局部位置可以采用加熱、碾壓、局部爆炸等方式來處理殘余應力，調節殘余應力場，進而提高焊接接頭的疲勞強度。

此外，對焊接位置或母材局部位置進行表面處理，也可在一定程度上提高焊接結構的疲勞強度。例如，通過噴丸、滾壓等方式對材料進行表面強化處理，直接提高材料表面層的強度，表面層的抗疲勞強度也隨之提高。在結構和焊縫表面噴涂保護涂層，降低環境及腐蝕介質對焊接結構疲勞性能的影響。對焊縫表面進行打磨、拋光等處理，相當于減少了結構表面的初始缺陷，也會降低焊縫表面因凹凸不平或截面突變造成的應力集中，從而提高結構的疲勞強度。

3小結

焊接連接方式具有構造簡單、加工便捷、連接性能優異、用料節省、適合工業化生產等一系列優點，是鋼結構使用中最主要的連接方式之一，焊接結構在長期的反復循環荷載作用下會出現疲勞破壞，在接頭位置產生疲勞裂紋及其他缺陷，極大地降低了焊接結構的抗疲勞性能及服役性能。本論述基于常見的焊接結構疲勞破壞，分析了焊接結構疲勞斷裂的影響因素，其中焊接接頭的形式及應力集中對焊接結構的疲勞性能有顯著影響，對接接頭的應力集中最小，對應結構的疲勞強度最高。焊接熱影響區金屬性能的變化以及應力特征、焊接缺陷與環境介質對焊接結構疲勞性能也有不同程度的影響。焊接結構的疲勞斷裂主要階段包括初始疲勞裂紋在應力集中初的萌生、疲勞裂紋的亞臨界或穩定擴展、疲勞裂紋的失穩擴展直至結構斷裂三個階段。介紹了基于斷裂力學理論的焊接結構疲勞壽命預測方法，并從抗疲勞設計、控制焊接過程中產生的殘余應力、焊接位置或母材的表面處理等角度介紹了常見的焊接結構抗疲勞措施。

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