進(jìn)步焊接接頭疲憊性能的研究進(jìn)展和最新技術(shù)

1  焊接結(jié)構(gòu)的疲憊題目以及研究意義

1.1 焊接結(jié)構(gòu)的疲憊題目

自從20世紀(jì)初涂藥焊條發(fā)明至今一百年來(lái)，焊接已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的工藝方法，很難找出另一種發(fā)展如此之快，并在應(yīng)用規(guī)模和多樣化方面能與焊接相比的工藝，以至于當(dāng)代很多最重要的技術(shù)題目必須采用焊接才能解決，例如：造船、鐵路、汽車、航空、航天、橋梁、鍋爐、大型廠房和高層建筑等都離不開焊接技術(shù)的支持。假如焊接沒有發(fā)明的話，很多結(jié)構(gòu)甚至坦率的說(shuō)整個(gè)產(chǎn)業(yè)是不會(huì)產(chǎn)生的。毋庸置疑，目前在工程生產(chǎn)上，焊接是最主要的連接方法，焊接結(jié)構(gòu)的重量已占鋼鐵總產(chǎn)量的50%以上，產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的這一比例已經(jīng)接近70%。然而焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常不斷發(fā)生斷裂事故，其中90%為疲憊失效。

疲憊破壞一直被以為是船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的一種主要的破壞形式，自鋼質(zhì)海船誕生至今，因結(jié)構(gòu)中疲憊裂紋的天生、擴(kuò)展，最后導(dǎo)致船舶破壞的事例屢有報(bào)道。美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)船舶結(jié)構(gòu)委員會(huì)(Ship Structure Committee, U.S.Coast Guard)曾組織氣力對(duì)六種不同類型的77艘民用船舶及9艘軍艦中六十多萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)部進(jìn)行了調(diào)查研究和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，有約九分之一的破壞與疲憊有關(guān)。歷史上海洋平臺(tái)的幾次重大事故，如1965年日本為美國(guó)建造的Sedco型半潛式平臺(tái)在交貨途中破損沉沒，造成13人死亡；1980年Alexan—derKeyland號(hào)半潛式平臺(tái)在北海翻沉，使一百余人葬身海底，調(diào)查分析的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的疲憊是造成事故的重要原因之一。

同樣，疲憊失效也頻繁發(fā)生在鐵路公路橋梁和發(fā)電站的管道上。在五六十年代，歐洲公路網(wǎng)得到高速發(fā)展，當(dāng)時(shí)大多采用焊接技術(shù)建造鋼橋，由于那時(shí)對(duì)公路橋梁疲憊熟悉不足，在規(guī)范中沒有規(guī)定進(jìn)行抗疲憊設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了很多設(shè)計(jì)不公道的焊接接頭，在今天日益繁忙和加重的交通運(yùn)輸載荷下，加快了疲憊損傷過(guò)程，很多焊接鋼橋出現(xiàn)了疲憊裂紋。

在我國(guó)焊接結(jié)構(gòu)因疲憊題目而失效的工程事例也不斷出現(xiàn)，例如，九十年代末，高速客車轉(zhuǎn)向架中焊接接頭的疲憊斷裂，以及水輪機(jī)葉片根部的疲憊斷裂等，都給國(guó)家和企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 焊接結(jié)構(gòu)疲憊失效的原因

焊接結(jié)構(gòu)疲憊失效的原因主要有以下幾個(gè)方面：

① 客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動(dòng)載荷時(shí)，其承受能力卻遠(yuǎn)低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲憊而過(guò)早失效的一個(gè)主要的因素；

② 早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以靜載強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，沒有考慮抗疲憊設(shè)計(jì)，或者是焊接結(jié)構(gòu)疲憊設(shè)計(jì)規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了很多現(xiàn)在看來(lái)設(shè)計(jì)不公道的焊接接頭；

③ 工程設(shè)計(jì)技術(shù)職員對(duì)焊接結(jié)構(gòu)抗疲憊性能的特點(diǎn)了解不夠，所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其它金屬結(jié)構(gòu)的疲憊設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)形式；

④ 焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低本錢、輕量化，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷越來(lái)越大；

⑤ 焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)承受動(dòng)載能力的要求越來(lái)越高，而對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲憊強(qiáng)度方面的科研水平相對(duì)滯后。

1.3 進(jìn)步焊接結(jié)構(gòu)疲憊性能方法的研究意義

疲憊事故的頻繁發(fā)生在一定程度上制約了焊接結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，使一些場(chǎng)合不得不放棄使用焊接結(jié)構(gòu)，甚至懷疑焊接結(jié)構(gòu)能否適用于承受動(dòng)載的工程實(shí)際，故而焊接結(jié)構(gòu)的抗疲憊題目引起國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家和工程技術(shù)職員，尤其是國(guó)際焊接學(xué)會(huì)疲憊專業(yè)委員會(huì)的普遍關(guān)注。在大量疲憊試驗(yàn)與工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，焊接結(jié)構(gòu)抗疲憊設(shè)計(jì)規(guī)范不斷出臺(tái)，如英國(guó)橋梁疲憊設(shè)計(jì)規(guī)范BS5400、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)的疲憊設(shè)計(jì)規(guī)范、日本的鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范、美國(guó)鐵路橋梁以及高速公路設(shè)計(jì)規(guī)范、國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的循環(huán)加載焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲憊設(shè)計(jì)規(guī)范IIW.DOC-639-8l以及我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB-17-88。世界各主要造船及海洋資源開發(fā)國(guó)家，都在船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建造和檢驗(yàn)進(jìn)級(jí)規(guī)范中對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲憊強(qiáng)度作出了規(guī)定和要求。

由于焊接接頭焊趾處的焊接缺陷、應(yīng)力集中和殘余拉伸應(yīng)力的作用，其疲憊強(qiáng)度大幅度地低于基本金屬的疲憊強(qiáng)度。所以焊接結(jié)構(gòu)的疲憊強(qiáng)度取決于接頭的疲憊性能，即焊接接頭的抗疲憊性能，關(guān)系著焊接結(jié)構(gòu)能否安全使用。因此為了保證焊接結(jié)構(gòu)可靠性，在設(shè)計(jì)承受交變動(dòng)載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定以焊接接頭的疲憊強(qiáng)度作為整體結(jié)構(gòu)的疲憊強(qiáng)度，而不采用基本金屬的疲憊強(qiáng)度，顯然這造成極大浪費(fèi)。即使如此，在接頭處局部應(yīng)力集中作用下，仍然會(huì)發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的過(guò)早疲憊失效。為了使焊接結(jié)構(gòu)很好地滿足工程上對(duì)其提出的承受動(dòng)載的要求，能夠采取的措檀越要有兩點(diǎn)。一方面，增加對(duì)焊接結(jié)構(gòu)抗疲憊性能的了解，精心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式及接頭形式，使所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)更公道，具有更高的疲憊強(qiáng)度；同時(shí)進(jìn)步和嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，防止和減少焊接缺陷的產(chǎn)生；另一方面，直接面對(duì)焊接接頭疲憊性能較差的弱點(diǎn)，在焊接結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中、完成后以及使用過(guò)程中采取有效的工藝措施，進(jìn)步接頭的疲憊強(qiáng)度，增加其承受動(dòng)載的能力、延長(zhǎng)其使用壽命。

因此進(jìn)步和改善焊接接頭疲憊強(qiáng)度具有極大的潛伏經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，長(zhǎng)期來(lái)，它是國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家研究的熱門課題。

2 影響焊接結(jié)構(gòu)疲憊強(qiáng)度的主要因素

2.1 靜載強(qiáng)度對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲憊強(qiáng)度的影響

在鋼鐵材料的研究中，人們總是?？床牧暇哂休^高的比強(qiáng)度，即以較輕的自身重量往承擔(dān)較大的負(fù)載重量，由于相同重量的結(jié)構(gòu)可以具有極大的承載能力；或是同樣的承載能力可以減輕自身的重量。所以高強(qiáng)鋼應(yīng)運(yùn)而生，也具有較高的疲憊強(qiáng)度，基本金屬的疲憊強(qiáng)度總是隨著靜載強(qiáng)度的增加而進(jìn)步。

但是對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，情況就不一樣了，由于焊接接頭的疲憊強(qiáng)度與母材靜強(qiáng)度、焊縫金屬靜強(qiáng)度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬?gòu)?qiáng)度匹配沒有多大的關(guān)系，也就是說(shuō)只要焊接接頭的細(xì)節(jié)一樣，高強(qiáng)鋼和低碳鋼的疲憊強(qiáng)度是一樣的，具有同樣的S-N曲線，這個(gè)規(guī)律適合對(duì)接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭型式。Maddox研究了屈服點(diǎn)在386—636MPa之間的碳錳鋼和用6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲憊裂紋擴(kuò)展情況，結(jié)果表明：材料的力學(xué)性能對(duì)裂紋擴(kuò)展速率有一定影響，但影響并不大。在設(shè)計(jì)承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，試圖通過(guò)選用較高強(qiáng)度的鋼種來(lái)滿足工程需要是沒有意義的。只有在應(yīng)力比大于+0.5的情況下，靜強(qiáng)度條件起主要作用時(shí)，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強(qiáng)鋼。

造成上述結(jié)果的原因是由于在接頭焊趾部位沿溶合線存在有類似咬邊的熔渣楔塊缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半經(jīng)小于0.015mm。該尖銳缺陷是疲憊裂紋開始的地方，相當(dāng)于疲憊裂紋形成階段，因而接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲憊壽命，主要由疲憊裂紋的擴(kuò)展階段決定。這些缺陷的出現(xiàn)使得所有鋼材的相同類型焊接接頭具有同樣的疲憊強(qiáng)度，而與母材及焊接材料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。

2.2 應(yīng)力集中對(duì)疲憊強(qiáng)度的影響

2.2.1 接頭類型的影響

焊接接頭的形式主要有：對(duì)接接頭、十字接頭、T形接頭和搭接接頭，在接頭部位由于傳力線受到干擾，因而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

    對(duì)接接頭的力線干擾較小，因而應(yīng)力集中系數(shù)較小，其疲憊強(qiáng)度也將高于其他接頭形式。但實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)接接頭的疲憊強(qiáng)度在很大范圍內(nèi)變化，這是由于有一系列因素影響對(duì)接接頭的疲憊性能的緣故。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類型、焊接位置、焊縫外形、焊后的焊縫加工、焊后的熱處理等均會(huì)對(duì)其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對(duì)接接頭由于墊板處形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，降低了接頭的疲憊強(qiáng)度。這種接頭的疲憊裂紋均從焊縫和墊板的接合處產(chǎn)生，而并不是在焊趾處產(chǎn)生，其疲憊強(qiáng)度—般與不帶墊板的最不佳外形的對(duì)接接頭的疲憊強(qiáng)度相等。

    十字接頭或T形接頭在焊接結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。在這種承力接頭中，由于在焊縫向基本金屬過(guò)渡處具有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此十字或T形接頭的疲憊強(qiáng)度要低于對(duì)接接頭。對(duì)未開坡口的用角焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的開坡口接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其疲憊斷裂可能發(fā)生在兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對(duì)于開坡口焊透的的十字接頭，斷裂一般只發(fā)生在焊趾處，而不是在焊縫處。焊縫不承受工作應(yīng)力的T形和十字接頭的疲憊強(qiáng)度主要取決于焊縫與主要受力板交界處的應(yīng)力集中，T形接頭具有較高的疲憊強(qiáng)度，而十字接頭的疲憊強(qiáng)度較低。進(jìn)步T形或十字接頭疲憊強(qiáng)度的根本措施是開坡口焊接，并加工焊縫過(guò)渡處使之圓滑過(guò)渡，通過(guò)這種改進(jìn)措施，疲憊強(qiáng)度可有較大幅度的進(jìn)步。

搭接接頭的疲憊強(qiáng)度是很低的，這是由于力線受到了嚴(yán)重的扭曲。采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對(duì)接接頭是極不公道的，由于加大了應(yīng)力集中影響，采用蓋板后，原來(lái)疲憊強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭被大大地削弱了。對(duì)于承力蓋板接頭，疲憊裂紋可發(fā)生在母材，也可發(fā)生在焊縫，另外改變蓋板的寬度或焊縫的長(zhǎng)度，也會(huì)改變應(yīng)力在基本金屬中的分布，因此將要影響接頭的疲憊強(qiáng)度，即隨著焊縫長(zhǎng)度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲憊強(qiáng)度增加，這是由于應(yīng)力在基本金屬中分布趨于均勻所致。

2.2.2 焊縫外形的影響

無(wú)論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對(duì)接焊縫和角焊縫。焊縫外形不同，其應(yīng)力集中系數(shù)也不相同，從而疲憊強(qiáng)度具有較大的分散性。

對(duì)接焊縫的外形對(duì)于接頭的疲憊強(qiáng)度影響最大。

(1) 過(guò)渡角的影響 Yamaguchi等人建立了疲憊強(qiáng)度和基本金屬與焊縫金屬之間過(guò)渡角(外鈍角)的關(guān)系。試驗(yàn)中W(焊縫寬度)和h(高度)變化，但h/W比值保持不變。這意味著夾角保持不變，試驗(yàn)結(jié)果表明，疲憊強(qiáng)度也保持不變。但假如W保持不變，變化參量h，則發(fā)現(xiàn)h增加，接頭疲憊強(qiáng)度降低，這顯然是外夾角降低的結(jié)果。

(2) 焊縫過(guò)渡半徑的影響  Sander等人的研究結(jié)果表明焊縫過(guò)渡半徑同樣對(duì)接頭疲憊強(qiáng)度具有重要影響，即過(guò)渡半徑增加(過(guò)渡角保持不變)，疲憊強(qiáng)度增加。

角焊縫的外形對(duì)于接頭的疲憊強(qiáng)度也有較大的影響。

當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)算厚度a與板厚B之比a/B<0.6～0.7時(shí)，一般斷裂于焊縫；當(dāng)a/B>0.7時(shí)，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對(duì)進(jìn)步疲憊強(qiáng)度僅僅在一定范圍內(nèi)有效。由于焊縫尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面即焊趾端處基本金屬的強(qiáng)度，故充其量亦不能超過(guò)該處的疲憊強(qiáng)度。Soete，Van Crombrugge采用15mm厚板用不同的角焊縫施焊，在軸向疲憊載荷下的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫的焊腳為13mm時(shí)，斷裂發(fā)生在焊趾處基本金屬或焊縫中。當(dāng)焊縫的焊腳小于此值時(shí)，疲憊斷裂發(fā)生在焊縫上；當(dāng)焊腳尺寸為18mm時(shí)斷裂發(fā)生在基本金屬中。據(jù)此他們提出極限焊腳尺寸：S=0.85B 式中S為焊腳尺寸，B為板厚?？梢娍v使焊腳尺寸達(dá)到板厚時(shí)(15mm)，仍可得焊縫處的斷裂結(jié)果，這一結(jié)果與理論結(jié)果符合得很好。

2.2.3 焊接缺陷的影響

焊趾部位存在有大量不同類型的缺陷，這些不同類型的缺陷導(dǎo)致疲憊裂紋早期開裂和使母材的疲憊強(qiáng)度急劇下降（下降到80%）。焊接缺陷大體上可分作兩類：面狀缺陷(如裂紋、未熔合等)和體積型缺陷（氣孔、夾渣等），它們的影響程度是不問(wèn)的，同時(shí)焊接缺陷對(duì)接頭疲憊強(qiáng)度的影響與缺陷的種類、方向和位置有關(guān)。

1)  裂紋 焊接中的裂紋，如冷、熱裂紋，除伴有具有脆性的組織結(jié)構(gòu)外，是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源，它可大幅度降低結(jié)構(gòu)或接頭的疲憊強(qiáng)度。早期的研究己表明，在寬60mm、厚12.7mm的低碳鋼對(duì)接接頭試樣中，在焊縫中具有長(zhǎng)25mm、深5.2mm的裂紋時(shí)(它們約占試樣橫截面積的10%)，在交變載荷條件下，其2×106循環(huán)壽命的疲憊強(qiáng)度大約降低了55%~65%。

2)  未焊透 應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，不一定把未焊透均以為是缺陷，由于有時(shí)人為地要求某些接頭為周部焊透，典型的例子是某些壓力容器接管的設(shè)計(jì)。未焊透缺陷有時(shí)為表面缺陷（單面焊縫），有時(shí)為內(nèi)部缺陷(雙面焊縫)，它可以是局部性質(zhì)的，也可以是整體性質(zhì)的．其主要影響足削弱截面積和引起應(yīng)力集中。以削弱面積10%時(shí)的疲憊壽命與未含有該類缺陷的試驗(yàn)結(jié)果相比，其疲憊強(qiáng)度降低了25%，這意味著其影響不如裂紋嚴(yán)重。

3)  未熔合 由于試樣難以制備，至今有關(guān)研究極其稀少．但是無(wú)可置疑，未熔合屬于平面缺陷，因而不容忽視，一般將其和未焊透等同對(duì)待。

4)  咬邊  表征咬邊的主要參量有咬邊長(zhǎng)度L、咬邊深度h、咬邊寬度W。影響疲憊強(qiáng)度的主要參量是咬邊深度h，目前可用深度h或深度與板厚比值(h/B)作為參量評(píng)定接頭疲憊強(qiáng)度。

5)  氣孔 為體積缺陷，Harrison對(duì)前人的有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)， 疲憊強(qiáng)度下降主要是由于氣孔減少了截面積尺寸造成，它們之間有一定的線性關(guān)系。但是一些研究表明，當(dāng)采用機(jī)加工方法加工試樣表面，負(fù)氣孔處于表面上時(shí)，或恰好位于表面下方時(shí)，氣孔的不利影響加大，它將作為應(yīng)力集中源起作用，而成為疲憊裂紋的起裂點(diǎn)。這說(shuō)明氣孔的位置比其尺寸對(duì)接頭疲憊強(qiáng)度影響更大，表面或表層下氣孔具有最不利影響。

6)  夾渣  IIW的有關(guān)研究報(bào)告指明：作為體積型缺陷，夾渣比氣孔對(duì)接頭疲憊強(qiáng)度影響要大。

通過(guò)上述介紹可見焊接缺陷對(duì)接頭疲憊強(qiáng)度的影響，不但與缺陷尺寸有關(guān)，而旦還決定于很多其他因素，如表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大，與作用力方向垂直的面狀缺陷的影響比其它方向的大；位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋)比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中同  樣缺陷影響大。

2.3 焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲憊強(qiáng)度的影響

焊接殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)所特有的特征，因此，它對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)疲憊強(qiáng)度的影響是人們廣為關(guān)心的題目，為此人們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)往往采用有焊接殘余應(yīng)力的試樣與經(jīng)過(guò)熱處理消除殘余應(yīng)力后的試樣，進(jìn)行疲憊試驗(yàn)作對(duì)比。由于焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)也恢復(fù)或部分地恢復(fù)了材料的性能，同時(shí)也由于試驗(yàn)結(jié)果的分散性，因此對(duì)試驗(yàn)結(jié)果就產(chǎn)生了不同的解釋，對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響也就有了不同的評(píng)價(jià)。

試舉早期和近期一些人所進(jìn)行的研究工作為例，可清楚地說(shuō)明這一題目，對(duì)具有余高的對(duì)接接頭進(jìn)行的2×106次循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，不同研究者得出了不同結(jié)論。有人發(fā)現(xiàn)：熱處理消除應(yīng)力試樣的疲憊強(qiáng)度比焊態(tài)相同試樣的疲憊強(qiáng)度增加12.5%；另有人則發(fā)現(xiàn)焊態(tài)和熱處理的試樣的疲憊強(qiáng)度是一致的，即差異不大；但也有人發(fā)現(xiàn)采用熱處理消除殘余應(yīng)力后疲憊強(qiáng)度雖有增加，但增加值遠(yuǎn)低于12.5%等等。對(duì)表面打磨的對(duì)接接頭試樣試驗(yàn)結(jié)果也是如此，即有的試驗(yàn)以為，熱處理后可進(jìn)步疲憊強(qiáng)度17%，但也有的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，熱處理后疲憊強(qiáng)度沒有進(jìn)步等。這個(gè)題目長(zhǎng)期來(lái)使人困惑不解，直到前蘇聯(lián)一些學(xué)者在交變載荷下進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，才逐漸澄清了這一題目。

其中最值得提出的是Trufyakov對(duì)在不同應(yīng)力循環(huán)特征下焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲憊強(qiáng)度影響的研究。試驗(yàn)采用14Mn2普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，試樣上有一條橫向?qū)雍缚p，并在正反兩面堆焊縱向焊道各一條。一組試樣焊后進(jìn)行了消除殘余應(yīng)力的熱處理，另一組未經(jīng)熱處理。疲憊強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)采用三種應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)r=-1, 0, +0.3。 在交變載荷下(r=-1)，消除殘余應(yīng)力試樣的疲憊強(qiáng)度接近130MPa，而未經(jīng)消除殘余應(yīng)力的僅為75MPa，在脈動(dòng)載荷下(r=0)，兩組試樣的疲憊強(qiáng)度相同，均為185MPa。而當(dāng)r=0.3時(shí)，經(jīng)熱處理消除殘余應(yīng)力的試樣疲憊強(qiáng)度為260MPa，反而略低于未熱處理的試樣(270MPa)。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是：在r值較高時(shí)，例如在脈動(dòng)載荷下(r=0)，疲憊強(qiáng)度較高，在較高的拉應(yīng)力作用下，殘余應(yīng)力較快地得到開釋，因此殘余應(yīng)力對(duì)疲憊強(qiáng)度的影響就減弱；當(dāng)r增大到0.3時(shí)，殘余應(yīng)力在載荷作用下，進(jìn)一步降低，實(shí)際上對(duì)疲憊強(qiáng)度已不起作用。而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)又軟化了材質(zhì)，因而使得疲憊強(qiáng)度在熱處理后反而下降。這一試驗(yàn)比較好地說(shuō)明了殘余應(yīng)力和焊接熱循環(huán)所引起材質(zhì)變化對(duì)疲憊強(qiáng)度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲憊強(qiáng)度的影響與疲憊載荷的應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)。即在循環(huán)特性值較低時(shí)，影響比較大。

前面己指出，由于結(jié)構(gòu)焊縫中存有達(dá)到材料屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力，因此在常幅施加應(yīng)力循環(huán)作用的接頭中，焊縫四周所承受的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)將是由材料的屈服點(diǎn)向下擺動(dòng)，而不管其原始作用的循環(huán)特征如何。例如標(biāo)稱應(yīng)力循環(huán)為+S1到-S2，則其應(yīng)力范圍應(yīng)為S1+S2。但接頭中的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)范圍將是由Sy(屈服點(diǎn)的應(yīng)力幅)到Sy-(S1+S2)。這一點(diǎn)在研究焊接接頭疲憊強(qiáng)度時(shí)是非常重要的，它導(dǎo)致了一些設(shè)計(jì)規(guī)范以應(yīng)力范圍代替了循環(huán)特征r。

此外，在試驗(yàn)過(guò)程中，試件的尺寸大小、加載方式、應(yīng)力循環(huán)比、載荷譜也對(duì)疲憊強(qiáng)度有很大的影響。

3 改善焊接結(jié)構(gòu)疲憊強(qiáng)度的工藝方法

焊接接頭疲憊裂紋一般啟裂位置存在于焊根和焊趾兩個(gè)部位，假如焊根部位的疲憊裂紋啟裂的危險(xiǎn)被抑制，焊接接頭的危險(xiǎn)點(diǎn)則集中于焊趾部位。很多方法可以用于進(jìn)步焊接接頭的疲憊強(qiáng)度：

① 減少或消滅焊接缺欠特別是開口缺陷；

②改善焊趾部位的幾何外形降低應(yīng)力集中系數(shù)；

③調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力場(chǎng)。這些改進(jìn)方法可以分為兩大類，如表1所示。

焊接過(guò)程優(yōu)化方法不僅是針對(duì)進(jìn)步焊接結(jié)構(gòu)疲憊強(qiáng)度而考慮，同時(shí)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度、焊接接頭的冶金性能等各方面都有極大的益處，這方面的資料很多在此未幾贅述。

表1 焊接結(jié)構(gòu)疲憊強(qiáng)度的改善方法

下面從工藝方法角度考慮分三部分具體論述改善焊接接頭疲憊強(qiáng)度的主要方法。

3.1  改善焊趾幾何外形降低應(yīng)力集中的方法

3.1 .1 TIG熔修

國(guó)內(nèi)外的研究均表明，TIG熔修可大幅度進(jìn)步焊接接頭的疲憊強(qiáng)度，這種方法是用鎢極氬弧焊方法在焊接接頭的過(guò)渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過(guò)渡。減少了應(yīng)力集中，同時(shí)也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因而使接頭部位的疲憊強(qiáng)度進(jìn)步。

熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位0.5~1.5mm處，并要保持重熔部位潔凈，假如事先配以稍微打磨效果更佳。重要的是重熔中發(fā)生熄弧時(shí)，如何處理重新起弧的方法，由于這勢(shì)必影響重熔焊道的質(zhì)量，一般推薦重新起弧的最好位置是在焊道弧坑之前面6mm處，最近國(guó)際焊接學(xué)會(huì)組織歐洲一些國(guó)家和日本的一些焊接研究所，采用同一由英國(guó)焊接研究所制備的試樣進(jìn)行了—些改善接頭疲憊強(qiáng)度方法有效性的同一性研究，證實(shí)經(jīng)該方法處理后該接頭的2×106循環(huán)下的標(biāo)稱疲憊強(qiáng)度進(jìn)步58%，假如將得到的211MPa的疲憊強(qiáng)度標(biāo)稱值換算成相應(yīng)的特征值(K指標(biāo)) 為144MPa。它己高出國(guó)際焊學(xué)會(huì)的接頭細(xì)節(jié)疲憊強(qiáng)度中的最高的FAT值。

3.1 .2 機(jī)械加工

若對(duì)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，應(yīng)力集中程度將大大減少，對(duì)接接頭的疲憊強(qiáng)度也相應(yīng)進(jìn)步，當(dāng)焊縫不存在缺陷時(shí)，接頭的疲憊強(qiáng)度可高于基本金屬的疲憊強(qiáng)度。但是這種表面機(jī)械加工的本錢很高，因此只有真正有益和確實(shí)能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴(yán)重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機(jī)械加工是毫無(wú)意義的。假如存有未焊透缺陷，由于疲憊裂紋將不在余高和焊趾處起始裂，而是轉(zhuǎn)移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺陷存在的情況下，機(jī)加工反而往往會(huì)降低接頭疲憊強(qiáng)度。

有時(shí)不用對(duì)整體焊縫金屬進(jìn)行機(jī)加工，而只需對(duì)焊趾處采用機(jī)械加工磨削處理，這種做法亦能大幅度進(jìn)步接頭疲憊強(qiáng)度。研究表明，在這種情況下，起裂點(diǎn)不是在焊趾處，而是轉(zhuǎn)移到焊縫缺陷部位。

前蘇聯(lián)Makorov對(duì)高強(qiáng)鋼(抗拉強(qiáng)度σb=1080 MPa)橫向?qū)雍缚p的交變載荷的疲憊強(qiáng)度試驗(yàn)表明，在焊態(tài)條件下2×106循環(huán)次數(shù)時(shí)疲憊強(qiáng)度為±150MPa，假如對(duì)焊縫進(jìn)行機(jī)械加工處理，除往余高，則疲憊強(qiáng)度進(jìn)步到±275MPa，這已與基本金屬的疲憊強(qiáng)度相當(dāng)。但假如對(duì)焊趾處進(jìn)行局部磨削加工，其疲憊強(qiáng)度為±245MPa，它是機(jī)加工效果的83%，與焊態(tài)相比，疲憊強(qiáng)度進(jìn)步65%，當(dāng)然不論是采用機(jī)加工方法，還是磨削方法，假如不能仔細(xì)按要求進(jìn)行，以便保證加工效果，疲憊強(qiáng)度的進(jìn)步是有限的。

3.1 .3  砂輪打磨

采用砂輪磨削，固然其效果不如機(jī)械加工，但也是一種進(jìn)步焊接接頭疲憊強(qiáng)度的有效方法。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦采用高速電力或水力驅(qū)動(dòng)的砂輪，轉(zhuǎn)速為(15000~40000)r/min，砂輪由碳-鎢材料制作，其直徑應(yīng)保證打磨深度半徑應(yīng)即是或大于1/4板厚。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)最近的研究表明，試樣經(jīng)打磨后，其2×106循環(huán)下的標(biāo)稱疲憊強(qiáng)度進(jìn)步45%，假如將得到的199MPa疲憊強(qiáng)度標(biāo)稱值換算成相應(yīng)的特征值(135MPa)它也高于國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的接頭細(xì)節(jié)疲憊強(qiáng)度中的最高的FAT值。要留意的是磨削方向應(yīng)與力線方向一致，否則在焊縫中會(huì)留下與力線垂直的刻痕，它相當(dāng)于應(yīng)力集中源，起到降低接頭疲憊強(qiáng)度的作用。

3.1 .4  特種焊條方法

本方法是研制了一種新型的焊條，它的液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣具有較高的溶濕能力，可以改善焊縫的過(guò)渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應(yīng)力集中程度，從而進(jìn)步焊接接頭的疲憊強(qiáng)度。與TIG熔修的缺點(diǎn)相類似，它對(duì)焊接位置具有較強(qiáng)的選擇性，特別適合于平焊位置和平角焊，而對(duì)于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu)越性就明顯降低了。

3.2調(diào)整殘余應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法

3.2.1 預(yù)過(guò)載法

假如在含有應(yīng)力集中的試樣上施加拉伸載荷，直到在缺口處發(fā)生屈服，并伴有一定的拉伸塑性變形，卸載后，載缺口及其四周發(fā)生拉伸塑性變形處將產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點(diǎn)的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后的疲憊試驗(yàn)中，其應(yīng)力范圍將與原始未施加預(yù)過(guò)載的試樣不同，即明顯變小，因此它可以進(jìn)步焊接接頭的疲憊強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，大型焊接結(jié)構(gòu)(如橋梁、壓力容器等)投進(jìn)運(yùn)行前需進(jìn)行一定的預(yù)過(guò)載試驗(yàn)，這對(duì)進(jìn)步疲憊性能是有利的。

3.2.2   局部加熱

采用局部加熱可以調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，即在應(yīng)力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，因而對(duì)進(jìn)步接頭疲憊強(qiáng)度是有利的。這種方法目前限用于縱向非連續(xù)焊縫，或具有縱向加筋板的接頭。

對(duì)于單面角接板，加熱位置一般距焊縫約為板寬的1/3，對(duì)于雙面角接板情況加熱位置為板件中心。這樣可以保