Silver Bridge 坍塌事件
——焊接疲勞缺陷惹的禍

供稿|易竺霖，馬江南，高靈清

內(nèi)容導(dǎo)讀 生活中人們經(jīng)常和“疲勞”打交道，小到鐵絲斷裂、自行車鏈條損壞；大到飛機(jī)失事、橋梁倒塌、船舶沉沒，都是“疲勞”在作祟。而焊接結(jié)構(gòu)由于焊接缺陷的存在，更易發(fā)生疲勞失效。由鋼結(jié)構(gòu)搭建而成的Silver Bridge 就曾因?yàn)槠谑Ф?，給人們帶來血與淚的教訓(xùn)。因此，掌握焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的計(jì)算和延長(zhǎng)壽命的方法，才能夠讓焊接結(jié)構(gòu)更安全、更可靠地為社會(huì)發(fā)展做貢獻(xiàn)。

焊接結(jié)構(gòu)在眾多工程領(lǐng)域中都有著大量的應(yīng)用[1]，在服役過程中會(huì)受到復(fù)雜的循環(huán)載荷作用，長(zhǎng)此以往易發(fā)生疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)90%的焊接結(jié)構(gòu)破壞都是由焊接接頭的疲勞失效造成的[2]，某些焊接接頭疲勞失效甚至?xí)頌?zāi)難性的后果，正如上世紀(jì)美國(guó)的Silver Bridge 坍塌事件，Silver Bridge 是一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁，位于西弗吉尼亞州歡樂點(diǎn)（Point Pleasant）與俄亥俄州加利波利斯（Gallipolis）之間，由于兩條疲勞裂紋未能及時(shí)地被發(fā)現(xiàn)，大橋于1967 年12 月倒塌，倒塌后的大橋如圖1 所示，整個(gè)倒塌過程不足20 s，造成46 人死亡的重大事故[3]。

圖1 Silver Bridge 坍塌[3]

為保證設(shè)備的安全運(yùn)行，人們一直在努力尋找能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度的方法，同時(shí)對(duì)焊接缺陷、焊接殘余應(yīng)力、焊趾區(qū)的幾何外形對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究，也發(fā)展了焊接結(jié)構(gòu)的延壽技術(shù)。本文介紹了焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法、影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的因素和延壽技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。

疲勞評(píng)定方法

根據(jù)焊接接頭周圍的應(yīng)力分布，可將其分為3 個(gè)區(qū)，分別是名義應(yīng)力區(qū)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力區(qū)、缺口應(yīng)力區(qū)，如圖2 所示，由此發(fā)展出3 種焊接結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)定方法：名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法、局部法[4-5]。

圖2 焊接接頭附近的應(yīng)力分布

名義應(yīng)力法

名義應(yīng)力法是假定焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命由材料的疲勞壽命決定，結(jié)合焊接接頭的名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)得到一個(gè)當(dāng)量應(yīng)力，再根據(jù)材料的應(yīng)力–壽命（S–N）曲線得到相應(yīng)的壽命。名義應(yīng)力法注重對(duì)焊接結(jié)構(gòu)壽命的預(yù)測(cè)和疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)[6]，若有多級(jí)載荷，則需結(jié)合損傷積累理論[3]。

該方法以名義應(yīng)力為疲勞評(píng)估參量，依據(jù)不同的接頭形狀和其加載方式把焊接接頭分為質(zhì)量不同的多個(gè)類型，再通過大量的疲勞試驗(yàn)建立起對(duì)應(yīng)的S–N 曲線，在評(píng)價(jià)焊接接頭疲勞壽命的時(shí)候依據(jù)實(shí)際情況選取相應(yīng)質(zhì)量等級(jí)的S–N 曲線。但正因?yàn)槊x應(yīng)力法的S–N 曲線和結(jié)構(gòu)的接頭形狀、載荷類型、幾何形式等因素緊密相關(guān)，導(dǎo)致很多復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)不能找到與之適配的S–N 曲線，使得疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)變得十分繁瑣，這便是名義應(yīng)力法的不足之處。但對(duì)于一些簡(jiǎn)單焊接接頭的疲勞評(píng)定還是比較便捷有效的。

熱點(diǎn)應(yīng)力法

熱點(diǎn)應(yīng)力也叫結(jié)構(gòu)應(yīng)力，是國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推薦的評(píng)定焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的一種方法，是指危險(xiǎn)截面上危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力。熱點(diǎn)是裂紋起源的部位，應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，在疲勞載荷的作用下應(yīng)力集中最嚴(yán)重處會(huì)發(fā)熱[7]，故稱之為熱點(diǎn)疲勞。熱點(diǎn)疲勞大多發(fā)生在焊趾處，因焊趾處存在缺口效應(yīng)，故焊趾處的應(yīng)力又叫缺口應(yīng)力 σln。缺口應(yīng)力的組成如式（1）和（2）所示，結(jié)構(gòu)應(yīng)力在焊趾處達(dá)到最大，即為熱點(diǎn)應(yīng)力。焊趾處的應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 熱點(diǎn)處板厚方向典型的非線性應(yīng)力分布

式中，σs為結(jié)構(gòu)應(yīng)力、σnlp為非線性應(yīng)力峰值、σm和 σb分別為膜應(yīng)力和彎應(yīng)力。

為了獲得較為準(zhǔn)確的熱點(diǎn)應(yīng)力值，通常使用熱點(diǎn)應(yīng)力外推法。其思想來源于實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法[8]，在焊趾端部一定距離內(nèi)選取2～3 個(gè)點(diǎn)，測(cè)量這些點(diǎn)的應(yīng)變，從而換算得到其應(yīng)力值，再使用外推的方法就能得到焊趾處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，該值即為熱點(diǎn)應(yīng)力值，如圖4 所示。

圖4 測(cè)量結(jié)果線性外推

1 點(diǎn)距離焊趾處的位置與板厚t和熱點(diǎn)類型有關(guān)，一般熱點(diǎn)在焊接結(jié)構(gòu)上的位置有3 種類型，如圖5 所示：“a”、“c”型熱點(diǎn)位于板面上，“b”型熱點(diǎn)位于板的邊緣處。對(duì)于“a”、“c”型熱點(diǎn)，參考點(diǎn)距離焊趾處的距離可以分為3 種[9]：第1 種是國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推薦的0.4t、1.0t處選取2 個(gè)參考點(diǎn)；第2 種是船級(jí)社推薦在0.5t、1.5t處選取2 個(gè)參考點(diǎn)；第3 種是不需要外推直接選取距離焊趾處0.5t處的應(yīng)力作為熱點(diǎn)應(yīng)力。其中第2 種船級(jí)社推薦的方法比較適合在海洋工程中的焊接結(jié)構(gòu)。而對(duì)于“b”型熱點(diǎn)焊趾處的應(yīng)力分布和t無關(guān)，而是在板面方向上分布，裂紋也沿著版面方向擴(kuò)展，因此對(duì)于參考點(diǎn)的選取也和t無關(guān)，一般而言選取距離焊趾4、8 和12 mm 3 個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力值[10]，再利用三點(diǎn)二次外推得到焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力。

圖5 焊接結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)類型

除了外推法，F(xiàn)ircke[9]在如何利用有限元分析來獲得更精確的參考點(diǎn)應(yīng)力值大小方面做了很多的工作，并取得了船級(jí)社的認(rèn)可，在海洋工程上廣泛使用。

同樣借助有限元分析方法的厚度線性法（Through Thickness at the Weld Toe，TTWT）[11]，把板厚方向上的應(yīng)力分布線性化后得到的焊趾表面應(yīng)力作為熱點(diǎn)應(yīng)力，如式（3）和（4）所示：

式中，σx(y)是板厚方向上的正應(yīng)力分布。但TTWT法對(duì)有限元網(wǎng)格大小十分敏感，為了獲得更接近真實(shí)的熱點(diǎn)應(yīng)力值，可以讀取焊趾前端的應(yīng)力值[12]。

為了克服TTWT 法的上述缺點(diǎn)，Dong[13]提出熱點(diǎn)應(yīng)力可由焊趾前端沿著板厚方向上的應(yīng)力分布獲得，如圖6 所示。還考慮了剪應(yīng)力的影響，該模型對(duì)二維試驗(yàn)有著較高的精度[14-15]。

圖6 板厚方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法

式中，L為距離焊趾的距離；τxy(y)為板厚方向上的切應(yīng)力分布。

Xiao 和Yamada[16]利用有限元方法發(fā)現(xiàn)焊趾部位的局部應(yīng)力在板面方向距離焊趾2.5 mm 處消失，在板厚方向距離焊趾1 mm 處消失，而提出新的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法：“1 mm”法。該方法的熱點(diǎn)應(yīng)力選擇的是板厚方向距離焊趾1 mm 處的應(yīng)力計(jì)算值，其在一定程度上考慮了厚度效應(yīng)的影響，具有較高的精度。

局部法

缺口應(yīng)力法

缺口應(yīng)力法是以熱點(diǎn)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力法為基礎(chǔ)發(fā)展而來的，以缺口處的非線性應(yīng)力峰值為評(píng)估參量的方法。Neuber[17]的微觀支持理論是將局部范圍 ρ?內(nèi)的平均應(yīng)力作為缺口等效應(yīng)力，分析方法是在缺口處建立一個(gè)虛擬圓弧，其半徑為 ρf，如圖7 所示，用該圓弧段內(nèi)的最大應(yīng)力值來代表約束微范圍 ρ?內(nèi)的平均應(yīng)力值。虛擬半徑 ρf和缺口半徑的關(guān)系為：

圖7 虛擬圓弧定義

式中，S為缺口約束因子；ρ為實(shí)際缺口半徑。

國(guó)際焊接協(xié)會(huì)建議：對(duì)于沒有進(jìn)行任何焊后處理的鋼制焊接接頭而言，焊趾實(shí)際情況十分惡劣，可視為實(shí)際缺口半徑ρ=0；缺口約束因子S=2.5；約束范圍 ρ?=0.4 mm，所以虛擬缺口半徑則為 ρf=1 mm。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)為厚度超過5 mm 的鋼板或鋁板時(shí)，虛擬圓弧半徑可取1 mm[18]。

臨界距離法

缺口構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度取決于應(yīng)力集中處一定距離范圍內(nèi)的應(yīng)力水平，這個(gè)距離就叫做臨界距離（Critical distance）。以該范圍內(nèi)的平均應(yīng)力作為局部參量，當(dāng)其大于臨界值時(shí)即認(rèn)為焊接結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞，這就是臨界距離法（Critical Distance Method,CDM），具體分為點(diǎn)（Point method,PM）、線（Line method,LM）、面（Area method,AM），其關(guān)鍵在于確定臨界距離參數(shù)a0，其值可由式（8）計(jì)算得到。

式中，?Kth與 ? σ0分別為給定循環(huán)特性R的光滑式樣的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值和疲勞極限[19]。

Taylor 經(jīng)過分析得到了當(dāng)?Kth=?K即疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值和等效應(yīng)力強(qiáng)度因子相等時(shí)，PM、LM、AM 法分別在距離裂紋尖端r=a0/2處的應(yīng)力、r=0～2a0線段上的平均應(yīng)力、r=a0為半徑的半圓形面積內(nèi)的平均應(yīng)力為 ?σ0、?σ0、1.1? σ0[20]。這種方法還可適用于多軸應(yīng)力和變幅應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞研究[21]。

臨界體積法

臨界體積是指在應(yīng)力集中處附近低于最大應(yīng)力10%的三維區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的平均應(yīng)力決定疲勞損傷[22-23]。Qilafku[22]通過有限元分析指出在載荷模式和式樣一定的情況下其臨界體積是唯一的，同時(shí)還指出在給定疲勞壽命的情況下，有效剪切應(yīng)力 τef和平均正應(yīng)力pm表示的疲勞強(qiáng)度是橢圓曲線（τef為橫軸，pm為縱軸）如式（9）所示：

式中，a，b為材料常數(shù)。

在進(jìn)行疲勞評(píng)定時(shí)利用光滑與缺口式樣的扭轉(zhuǎn)拉壓試驗(yàn)的S–N 曲線結(jié)合數(shù)值分析，確定材料常數(shù)a，b的值，得到不同疲勞壽命下的疲勞強(qiáng)度，再計(jì)算受載荷構(gòu)件的 τef與pm，并與之前的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行比較，從而來預(yù)測(cè)構(gòu)建的疲勞壽命。Amarir 等[24]利用臨界體積法對(duì)汽車焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)定，得到了較為精確的結(jié)果，并指出臨界體積法與現(xiàn)行應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中的其他方法相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。

影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的因素

焊接結(jié)構(gòu)的接頭類型、焊接缺陷、殘余應(yīng)力、焊趾區(qū)幾何形狀等都會(huì)對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生影響[25]。

接頭類型

焊接接頭處的應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展。在對(duì)接、十字和T 型這3 種接頭中，對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)最小，是工程中常用的焊接接頭；而另外2 種接頭由于焊縫處的截面變化較大，故應(yīng)力集中系數(shù)較大，接頭類型如圖8 所示。對(duì)于開坡口的十字接頭，斷裂只在焊趾處發(fā)生；對(duì)于不開破口的承載角焊縫十字接頭，斷裂也有可能在焊根處發(fā)生。

圖8 接頭類型：(a)T 型；(b)對(duì)接；(c)十字

焊趾區(qū)幾何形狀

即使焊接材料和接頭類型相同，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命也會(huì)出現(xiàn)較大的差別，這是由焊趾區(qū)的幾何外形不同造成的。有研究表明[2,26-27]，焊趾區(qū)的幾何外形對(duì)疲勞性能的影響最大，并且這種影響隨著母材的強(qiáng)度等級(jí)升高而增大。焊趾區(qū)的幾何參數(shù)如圖9所示。

如圖9 所示，ρ和θ分別是焊趾區(qū)的過渡半徑和傾斜角。有研究表明[27]：ρ的增加會(huì)降低應(yīng)力集中，使疲勞強(qiáng)度增加；焊縫寬度W和焊縫高度H變化時(shí)，只要保持焊趾角度θ不變則應(yīng)力集中系數(shù)不變，疲勞強(qiáng)度也不改變；而θ增加會(huì)使應(yīng)力集中程度增大導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度減小。

焊接缺陷

圖10 分別為裂紋、咬邊、未焊透、氣孔和夾雜，這些焊接缺陷都會(huì)造成應(yīng)力集中，進(jìn)而降低焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度[28-29]。并且表面上的缺陷對(duì)疲勞壽命帶來的影響比內(nèi)部的缺陷更嚴(yán)重。

焊接殘余應(yīng)力

焊接結(jié)構(gòu)的焊縫及其附近區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力可高至材料的屈服點(diǎn)，因此在施加循環(huán)載荷后[27]，焊縫附近實(shí)際所承受的平均應(yīng)力和應(yīng)力峰谷值會(huì)高出很多，進(jìn)而降低焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，因?yàn)樵谳d荷幅值相等的前提下，平均應(yīng)力越大，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命就越短，而焊接殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，所以焊接結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)楹附託堄鄳?yīng)力的存在而大大降低其疲勞壽命[3,30]。

焊接結(jié)構(gòu)的延壽方法

焊趾的打磨

當(dāng)焊縫沒有明顯缺陷的條件下，用機(jī)加工的方式把焊縫的余高打磨平滑，可有效提升焊縫的疲勞強(qiáng)度。因?yàn)榇蚰ズ缚p的過程中去除了導(dǎo)致焊縫開裂的缺陷，同時(shí)也增大了焊趾的過渡半徑ρ，如圖11所示，減小了焊趾區(qū)的應(yīng)力集中，進(jìn)而提高了焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。但當(dāng)焊縫處有未焊透以及裂紋時(shí)，打磨反而會(huì)使疲勞強(qiáng)度降低。無論何種接頭類型，對(duì)焊趾打磨的方式都相同，但同樣的打磨方式對(duì)于“對(duì)接”、“十字”和“T 型”等不同的接頭類型所帶來的延壽效果有何差異目前并不明朗。

錘擊和噴丸

在焊接結(jié)構(gòu)焊縫及其附近引入壓應(yīng)力也是延長(zhǎng)疲勞壽命的有效方法，因?yàn)閴簯?yīng)力會(huì)減小材料所受到的循環(huán)載荷的平均應(yīng)力，進(jìn)而提高疲勞壽命。如圖12 所示，對(duì)焊趾反復(fù)錘擊，引入殘余壓應(yīng)力來降低平均應(yīng)力，從而達(dá)到延壽的目的。

圖12 焊趾錘擊的效果圖[31]

噴丸是通過噴槍噴出高速丸粒去轟擊工件的表面，給工件表面引入殘余壓應(yīng)力，起到延壽的效果[3]。

TIG 熔修

TIG 熔修的技術(shù)思路同焊趾打磨類似，目的是為了去除焊趾處的焊接缺陷和增大焊趾的過渡半徑ρ，以減小應(yīng)力集中系數(shù)，能有效延長(zhǎng)疲勞壽命[32]。因?yàn)門IG 焊接接頭的質(zhì)量好、疲勞強(qiáng)度很高，于是利用TIG 焊炬對(duì)焊趾處一定范圍內(nèi)的金屬重熔，以達(dá)到延壽目的。TIG 熔修過程示意圖如圖13 所示。

結(jié)束語

名義應(yīng)力法是最早應(yīng)用在焊接結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)定的方法，名義應(yīng)力法相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)簡(jiǎn)單焊接結(jié)構(gòu)的疲勞進(jìn)行評(píng)估較為簡(jiǎn)便，但精度偏低，且難以評(píng)定復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)。熱點(diǎn)應(yīng)力法精度比名義應(yīng)力法高，由于無需考慮焊縫細(xì)節(jié)，所以當(dāng)接頭類型相同時(shí)，可用同一條S–N 曲線，但只能評(píng)估焊趾處的應(yīng)力狀態(tài)，被大量應(yīng)用在海洋工程領(lǐng)域。局部法的評(píng)定精度與復(fù)雜程度都高于前兩者，所反映的應(yīng)力狀態(tài)也更加準(zhǔn)確。通過打磨和TIG 熔修消除焊接缺陷和增大焊趾過渡半徑ρ，通過錘擊和噴丸引入殘余壓應(yīng)力，這些延壽措施可以消除或者緩解各種缺陷對(duì)壽命帶來的不利影響。

目前，在焊接結(jié)構(gòu)單軸疲勞評(píng)定方面已有大量的研究，也發(fā)展出了許多評(píng)定方法。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，大部分的焊接構(gòu)件承受的并非單軸載荷，而是復(fù)雜交變的多軸載荷。關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)多軸疲勞的評(píng)定還處于研究初期，疲勞評(píng)定體系不完善，相應(yīng)的研究工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，因此針對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的多軸疲勞問題還應(yīng)繼續(xù)深入研究，以期能找到用于焊接結(jié)構(gòu)多軸疲勞評(píng)定的有效方法。