提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术

提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术
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焊接结构的疲劳问题以及研究意义
1.1 焊接结构的疲劳问题
自从 20 世纪初涂药焊条发明至今一百年来，焊接已经成为应用最
为广泛的工艺方法，很难找出另一种发展如此之快，并在应用规模和多样化
方面能与焊接相比的工艺，以至于当代许多最重要的技术问题必须采用焊接
才能解决，例如：造船、铁路、汽车、航空、航天、桥梁、锅炉、大型厂房
和高层建筑等都离不开焊接技术的支持。如果焊接没有发明的话，许多结构
甚至坦率的说整个工业是不会产生的。毋庸置疑，目前在工程生产上，焊接
是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的 50%以上，工业发
达国家的这一比例已经接近 70%。然而焊接结构经常不断发生断裂事故，其
中 90%为疲劳失效。
疲劳破坏一直被认为是船舶及海洋工程结构的一种主要的破坏形式，自
钢质海船诞生至今，因结构中疲劳裂纹的生成、扩展，最后导致船舶破坏的
事例屡有报道。美国海岸警卫队船舶结构委员会(Ship Structure Committee,
U.S.Coast Guard)曾组织力量对六种不同类型的 77 艘民用船舶及 9 艘军舰中
六十多万个结构细部进行了调查研究和统计分析，结果表明，有约九分之一
的破坏与疲劳有关。历史上海洋平台的几次重大事故，如 1965 年日本为美
国建造的 Sedco 型半潜式平台在交货途中破损沉没，造成 13 人死亡；1980
年 Alexan—derKeyland 号半潜式平台在北海翻沉，使一百余人葬身海底，调
查分析的结果表明，结构的疲劳是造成事故的重要原因之一。
同样，疲劳失效也频繁发生在铁路公路桥梁和发电站的管道上。在五六
十年代，欧洲公路网得到高速发展，当时大多采用焊接技术建造钢桥，由于
那时对公路桥梁疲劳认识不足，在规范中没有规定进行抗疲劳设计，出现了
许多设计不合理的焊接接头，在今天日益繁忙和加重的交通运输载荷下，加
快了疲劳损伤过程，许多焊接钢桥出现了疲劳裂纹。
在我国焊接结构因疲劳问题而失效的工程事例也不断出现，例如，九十
年代末，高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂，以及水轮机叶片根部的疲
劳断裂等，都给国家和企业造成了巨大的经济损失。
1.2 焊接结构疲劳失效的原因
焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：① 客观上讲，焊接接头
的静载承受能力一般并不低于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却远
低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。这是引起一
些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；② 早期的焊接结
构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设
计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头；③
工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结
构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式；④ 焊接结构日益广
泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接
结构的设计载荷越来越大； ⑤ 焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对
焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研
水平相对滞后。
1.3 提高焊接结构疲劳性能方法的研究意义
疲劳事故的频繁发生在一定程度上制约了焊接结构的进一步广泛应用，
使一些场合不得不放弃使用焊接结构，甚至怀疑焊接结构能否适用于承受动
载的工程实际，故而焊接结构的抗疲劳问题引起国内外有关专家和工程技术
人员，尤其是国际焊接学会疲劳专业委员会的普遍关注。在大量疲劳试验与
工程实践的基础上，焊接结构抗疲劳设计规范不断出台，如英国桥梁疲劳设
计规范 BS5400、欧洲钢结构协会的疲劳设计规范、日本的钢桥设计规范、
美国铁路桥梁以及高速公路设计规范、国际焊接学会的循环加载焊接钢结构
的疲劳设计规范 IIW.DOC-639-8l 以及我国的钢结构设计规范 GB-17-88。世
界各主要造船及海洋资源开发国家，都在船舶及海洋工程结构的设计建造和
检验入级规范中对焊接结构的疲劳强度作出了规定和要求。
由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用，其
疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。所以焊接结构的疲劳强度取决
于接头的疲劳性能，即焊接接头的抗疲劳性能，关系着焊接结构能否安全使
用。因此为了保证焊接结构可靠性，在设计承受交变动载荷的焊接结构时，
设计规范规定以焊接接头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强度，而不采用基
本金属的疲劳强度，显然这造成极大浪费。即使如此，在接头处局部应力集
中作用下，仍然会发生整体结构的过早疲劳失效。为了使焊接结构很好地满
足工程上对其提出的承受动载的要求，能够采取的措施主要有两点。一方面，
增加对焊接结构抗疲劳性能的了解，精心设计结构形式及接头形式，使所设
计的焊接结构更合理，具有更高的疲劳强度；同时提高和严格控制焊接质量，
防止和减少焊接缺陷的产生；另一方面，直接面对焊接接头疲劳性能较差的
弱点，在焊接结构制造过程中、完成后以及使用过程中采取有效的工艺措施，
提高接头的疲劳强度，增加其承受动载的能力、延长其使用寿命。
因此提高和改善焊接接头疲劳强度具有极大的潜在经济效益和社会效
益，长期来，它是国内外有关专家研究的热点课题。
2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素
2.1 静载强度对焊接结构疲劳强度的影响
在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻
的自身重量去承担较大的负载重量，因为相同重量的结构可以具有极大的承
载能力；或是同样的承载能力可以减轻自身的重量。所以高强钢应运而生，