延長焊接接頭疲勞壽命的方法

吳連強，陳 強，王 磊

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

0 前言

疲勞壽命的長短直接影響焊接節(jié)點的使用壽命，進而影響工件或設備的使用年限，因此如何延長疲勞壽命的方法一直是焊接界的重點研究方向。提高焊接接頭的疲勞壽命可以從多方面入手，如：改善工藝技術，增加母材厚度，改變接頭設計等。本研究分析了當書面工藝獲得工程師批準后，通過調整關鍵性的焊縫外觀細節(jié)來提高焊接接頭疲勞壽命的方法。

1 疲勞壽命

1.1 定義

受交變應力（或應變）作用的零件和構件在低于材料屈服極限的交變應力（或應變）的反復作用下，經過一定的循環(huán)次數(shù)后，在應力集中部位萌生裂紋，并在一定條件下擴展，最終突然斷裂，這一失效過程稱為疲勞破壞。

材料在疲勞破壞前所經歷的應力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命[1]。

1.2 焊縫疲勞斷裂過程

焊縫疲勞斷裂過程：焊縫應力集中部位或焊縫內部缺陷→微裂紋產生→裂紋擴展→斷裂[2]。焊縫疲勞斷裂剖面如圖1所示。

2 調整關鍵性的焊縫外觀細節(jié)來提高焊接接頭的疲勞壽命

焊接接頭是鋼結構工程中常見的接頭形式。焊趾處截面幾何突變，焊趾位于焊接熱影響區(qū)，而熱影響區(qū)晶粒特殊，經過循環(huán)載荷的作用，焊趾處最易產生應力集中，因此研究焊趾處應力集中的分散、改善焊接接頭外觀設計和外觀加工細節(jié)，對于提高焊接接頭的安全性和延長接頭疲勞壽命具有重要的意義。

圖1 焊縫疲勞斷裂剖面示意

2.1 改善焊縫的剖面形狀

對于疲勞節(jié)點焊縫而言，理想的焊縫剖面形狀為凹形，其最小半徑是壁厚的50%，并與鄰近母材光順熔合，以避免在焊趾處產生應力集中，如圖2所示。通常對于角焊縫，若無特殊要求，焊工一般會將焊縫焊接成平或凸的剖面形狀（見圖1）。直接利用蓋面焊道難以達到凹形剖面形狀，需通過打磨來實現(xiàn)，打磨整個焊縫成光順的剖面形狀是較省錢且有效的[3]。

圖2 凹形角焊縫

（1）凹形焊縫打磨要求。

①打磨工具要求使用碳化物砂輪或圓磨頭。

②凹形最終打磨要用拋光片進行拋光，打磨和拋光要求打磨紋路與焊縫受力方向一致，如圖3所示。這主要考慮打磨紋路微觀狀態(tài)是屬于尖銳的應力集中點，打磨紋路與焊接接頭受力方向相同可有效避免焊縫在打磨紋路的應力集中點處開裂，如圖4所示。

（2）凹形焊縫外觀檢查要求。

完工焊縫的剖面形狀大多用目視檢查。首先檢查設計要求的角焊縫有效焊喉尺寸，再使用判定輪廓線形狀的圓盤或焊縫外觀檢測尺來檢測焊縫的凹形尺寸，如圖5所示。如果形狀上不能完全吻合或有缺口，在它與設計規(guī)定的圓盤之間能插進0.04in（1mm）的鋼絲，則無論該缺口是在焊趾處還是焊道中間，都判為不合格。

圖3 打磨紋路

圖4 微觀狀態(tài)下的打磨紋路

圖5 凹形焊縫外觀檢測尺

2.2 焊趾打磨

焊趾打磨是利用砂輪或蘑菇頭狀磨頭用打磨方法僅修整焊縫趾部。

經過統(tǒng)計大量的外觀缺陷產生部位和斷裂產生部位可知，焊趾是產生斷裂的主要部位。經缺口應力分析和斷裂力學研究，凹形的焊縫形狀對廣大厚度范圍內改善焊接節(jié)點的疲勞特性方面更為有效，建議利用輕微打磨來修整焊趾缺陷，例如咬邊或微觀裂紋。

英國劍橋焊接研究所研究發(fā)現(xiàn)，除了GTAW以外的所有焊接方法形成的焊縫沿著焊趾均有一條微觀的焊渣侵入線，且所有的焊接方法均生成不同程度的趾部咬邊，即使理想的焊縫剖面形狀也是如此，如圖6所示[4]。這表明所有焊縫均有早已生成的缺陷，或呈現(xiàn)微觀的咬邊，或呈現(xiàn)微觀的焊渣侵入，或兩種均存在。正常的檢測方法無法探測到這些缺陷，它們在現(xiàn)代焊接技術條件下難以避免。

圖6 微觀侵入

焊趾打磨要求：焊縫趾部打磨應沿焊趾中心線進行，所有接頭形式均如此。推薦工具是帶有碳化鎢磨頭的高速砂輪機。磨頭半徑根據(jù)板材厚度確定，磨頭半徑越大越有力。打磨紋路要求平行于焊道的受力方向。打磨深度要求：最小深度為低于板材表面0.8～1mm，或低于最低咬邊底部0.5～0.8mm，使打磨總深度小于等于2mm，或者是板厚的5%，兩者取較大值。打磨時，磨頭軸線與母材成45°角，磨頭軸線與移動方向的最大夾角為45°，確保打磨痕跡垂直于焊趾線，即平行于應力方向。承受縱向應力的焊縫端部也需謹慎打磨，保持打磨的有效性，如圖7所示。打磨完成的槽道應光順，然后進行外觀檢查和MT或PT檢查。

圖7 有效的焊趾打磨

2.3 錘擊

錘擊即對焊縫表面噴丸或錘擊焊縫趾部。

錘擊的優(yōu)點是在焊縫趾部產生壓縮殘余應力。焊接接頭因焊接收縮在焊縫處產生應力，焊趾處為向兩邊撕裂和擴張的應力，所以錘擊產生的壓縮應力正好抵消焊趾處的擴張應力，使焊趾處殘余應力相對較小，從而提高焊縫的疲勞壽命[5]。

注意錘擊后不能對焊接接頭進行任何應力釋放的措施，如焊后熱處理等。當焊接接頭處于自由狀態(tài)，即沒有加載任何載荷時，才能錘擊焊縫趾部。此外，美國鋼結構焊接規(guī)范指出，屈服強度小于等于800MPa及厚度大于10mm的鋼材才能使用錘擊方法。

鋼錘錘頭應是半球形狀，其直徑為6～12mm。擊痕以焊趾為中心，使母材金屬和焊縫金屬兩邊均發(fā)生變形，形成光滑的表面且無單獨孤立的擊痕。操作時，鋼錘與鋼材表面成45°角，約垂直于移動方向，如圖8所示。

對于屈服強度不同的鋼材，錘擊痕跡的深度要求不同，如表1所示。錘擊前應先對焊縫進行目視檢驗和MT或PT檢驗，合格后再進行錘擊操作。

圖8 鋼錘

2.4 焊趾重熔

焊趾重熔是利用GTAW的電弧熱量，在不添加填充金屬的情況下對焊趾進行重熔，從而修整焊趾外形，消除焊趾處的微小缺陷。

進行焊趾重熔時要注意焊縫表面清潔干凈，無銹、渣、油等。電極應尖且潔凈。熔時注意電極尖端水平方向距焊趾0.5～1.5mm，沿著焊趾進行重熔焊縫金屬深度約為2mm，以達到消除缺陷、延長疲勞壽命的效果，如圖9所示。

表1 不同鋼材擊痕深度的要求

圖9 焊趾重熔

2.5 打磨焊趾和錘擊結合使用

打磨焊趾后進行外觀檢查和磁粉探傷，確定無缺陷后再錘擊焊趾，可抑制疲勞裂紋的起裂或擴展的速率。因此，關鍵性接頭常常采用打磨+錘擊的組合性方法處理，以獲得良好的疲勞抗力。

3 結論

（1）焊縫的疲勞斷裂主要是焊縫存在應力集中或內部有缺陷所導致，產生疲勞斷裂的部位多數(shù)在焊趾處，因此消除焊縫焊趾處的應力集中和微小缺陷是延長焊縫疲勞壽命的關鍵。

（2）消除焊縫內的應力集中點和焊縫的微小缺陷有5種方法，分別是改善焊縫剖面形狀、焊趾打磨、焊趾錘擊、焊趾重熔、焊趾打磨+錘擊并用。

[1]方洪淵.焊接結構學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]張彥華.焊接結構疲勞分析[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.

[3]趙靜彬，曲金光，盧靜.TIG重熔工藝對焊縫區(qū)殘余應力的影響[J].焊接技術，2003，32（06）：10－11.

[4]AWSD1.1/D1.1M，StructuralWelding Code－Steel[S].

[5]姜光偉，李燕強.焊接應力的形成與消除[J].中國科技信息，2005（16）：162.