孔小青

中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 450000

水利水電工程的金屬結(jié)構(gòu)包括壓力鋼管、鋼閘門(mén)和各種設(shè)備的啟閉設(shè)備。根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)資料表明，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)，約占失效結(jié)構(gòu)的90%，如弧形鋼閘門(mén)支臂運(yùn)行時(shí)的斷裂，平板鋼閘門(mén)吊耳板的疲勞斷裂以及壓力鋼管的疲勞爆裂等事故。因此，提高焊接質(zhì)量，消除焊接缺陷對(duì)減少水工金屬結(jié)構(gòu)疲勞事故的發(fā)生有著非常重要的意義。

1 疲勞裂紋源分類(lèi)

疲勞裂紋源區(qū)大致分一下幾個(gè)方面：1）有缺陷的材料表面或次表面；2）材料冶金質(zhì)量或焊接弧坑冶金質(zhì)量，如非金屬夾渣、氣孔、弧坑裂紋等；3）電弧劃痕；4）內(nèi)部空洞；5）刀痕，如加工傷等。

2 疲勞斷裂的過(guò)程

在水工金屬結(jié)構(gòu)中焊接接頭中，不僅有應(yīng)力集中，而且這些接頭更容易產(chǎn)生焊接缺陷，同時(shí)焊后的焊道殘余應(yīng)力以及弧坑所形成的冷熱和延遲裂紋也比較高在交變載荷的作用下，構(gòu)件或接頭從疲勞裂紋源處都可出現(xiàn)宏觀或者微觀的上的塑性變形，在交變應(yīng)力的作用下會(huì)在某些部位的局部地區(qū)產(chǎn)生微觀和宏觀裂紋，這些裂紋裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展到最后的斷裂區(qū)域。就會(huì)引起破斷，由此可見(jiàn)疲勞斷裂過(guò)程一般有3個(gè)階段所組成。

1）疲勞裂紋源的激活：在疲勞裂紋源處由于外載荷的影響起到了導(dǎo)火索的作用，從而在應(yīng)力集中產(chǎn)生初始疲勞裂紋源；

2）疲勞裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段：疲勞裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中在交變載荷的繼續(xù)作用下，每一次的應(yīng)力作用都將加深裂紋的擴(kuò)展；

3）疲勞斷裂階段：疲勞裂紋在循環(huán)載荷的不斷作用下，不斷向前擴(kuò)展，當(dāng)進(jìn)一步擴(kuò)展到最后斷裂區(qū)域后，就可造成構(gòu)件斷裂。

因此疲勞斷裂的特征是：1）需要多次加載；2）疲勞裂紋擴(kuò)展緩慢，具有一定的隱蔽性，有時(shí)需長(zhǎng)達(dá)數(shù)年或數(shù)10年，在此方面尤其應(yīng)該引起注意；3）疲勞斷裂一般從應(yīng)力集中處開(kāi)始，在焊接接頭處斷裂。

3 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素

在水工金屬結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中，如果交變載荷的數(shù)值和方向變化頻繁時(shí)，即使載荷的數(shù)值比凈載強(qiáng)度極限小的多，甚至比材料的屈服極限低的多，構(gòu)件仍然可能遭到破壞。由此可見(jiàn)焊接接頭的疲勞破壞的范圍廣，破壞性大。

1）應(yīng)力集中的影響

焊接結(jié)構(gòu)中不同的焊接接頭形式和形狀，由于在接頭部位具有不同的應(yīng)力集中，就可能對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度發(fā)生程度不同的不利影響。

（1）搭接接頭的的疲勞強(qiáng)度是很低的，因?yàn)樗鄬?duì)于疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度被大大削弱，只有其一半。

（2）丁字和十字接頭，由于在焊縫向基本金屬過(guò)渡處有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)比對(duì)接接頭的高，因此其疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于對(duì)接接頭，未開(kāi)坡口的角焊縫的十字接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其疲勞斷裂發(fā)生母材與焊縫趾端交界處和焊縫上的薄弱環(huán)節(jié)上。

（3）對(duì)接接頭由于形狀變化不大，因此應(yīng)力集中比其他接頭形式要小，只是焊縫加強(qiáng)高和過(guò)渡角處會(huì)使接頭疲勞強(qiáng)度下降。

2）截面尺寸、表面狀態(tài)的影響

（1）當(dāng)截面的形狀不規(guī)則或截面不是平滑過(guò)渡時(shí)，經(jīng)過(guò)應(yīng)力循環(huán)后尖銳過(guò)渡處經(jīng)歷一次銳化，再鈍化，然后再銳化的循環(huán)過(guò)程。裂紋在交變載荷的作用下，不斷向前擴(kuò)展到一定程度后，結(jié)構(gòu)即進(jìn)入斷裂階段。

（2） 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小，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)提高。

3）增加載荷的情況

通常情況下對(duì)焊接接頭在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中遵循一定的載荷分析和安全系數(shù)。當(dāng)交變載荷無(wú)論是力的增加或者載荷方向的增加或改變，都將改變焊接接頭疲勞強(qiáng)度的大小。

4）周?chē)橘|(zhì)的影響

（1）焊接結(jié)構(gòu)件只要處于周?chē)沫h(huán)境中，不免都要受到酷暑嚴(yán)寒、風(fēng)吹雨淋以及腐蝕介質(zhì)影響。但最終的微觀作用歸結(jié)為化學(xué)應(yīng)力腐蝕(Stress Corrosion Cracking)簡(jiǎn)稱(chēng)SCC，這是目前非常普遍而又十分復(fù)雜的問(wèn)題。它涉及到力學(xué)、電化學(xué)、金屬物理、焊接性能等多方面的學(xué)科。

（2）金屬材料并不是任何腐蝕介質(zhì)中都產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，材質(zhì)與介質(zhì)有一定的匹配性，也就是某種材料只有在某種介質(zhì)中才產(chǎn)生SCC。對(duì)于純金屬一般不產(chǎn)生SCC，只有合金(即使含有微量的合金元素)在某種介質(zhì)環(huán)境下才產(chǎn)生。此外介質(zhì)的溫度、濃度、腐蝕性強(qiáng)弱等，對(duì)SCC的產(chǎn)生與擴(kuò)展也有影響。

（3）電化學(xué)應(yīng)力腐蝕加交變載荷后開(kāi)裂機(jī)理

①陽(yáng)極腐蝕開(kāi)裂，它的腐蝕在應(yīng)力作用下，陽(yáng)極發(fā)生M+-溶解，即金屬以離子狀態(tài)溶入介質(zhì)：

M → M+-+e

②陰極氫脆開(kāi)裂，與陽(yáng)極腐蝕開(kāi)裂同時(shí)發(fā)生，電子e在金屬內(nèi)部直接從陽(yáng)極流向陰極(即金屬表面)。如果金屬表面存在介質(zhì)中的H+-，那么電子e與H+-結(jié)合成氫原子H，即：

H+-+ e → H

根據(jù)化學(xué)原理，在此系統(tǒng)中必然有電流導(dǎo)通，同時(shí)在交變載荷的作用下，腐蝕應(yīng)力和外載應(yīng)力同時(shí)作用，這樣就形成了:源裂紋 → 應(yīng)力裂紋 → 腐蝕裂紋 → 應(yīng)力裂紋的循環(huán)過(guò)程，這就更加改變焊接接頭疲勞強(qiáng)度的大小。

5）接頭部位近焊縫區(qū)性能的改變

（1）焊接過(guò)程中近縫區(qū)金屬性能的變化對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響也是很大的。焊接熱影響區(qū)的組織分布是不均勻的，這是由于在焊接線能量的影響下距離線能量中心的遠(yuǎn)近造成了熱影響區(qū)組織分布的不同。

（2）從焊縫中心（線能量中心區(qū)域）到母材劃分以下幾個(gè)區(qū)域：焊縫金屬 → 熔合區(qū) → 粗晶粒區(qū)（過(guò)熱區(qū)） → 晶粒區(qū)（相變重結(jié)晶區(qū)）→ 不完全重結(jié)晶區(qū) →時(shí)效脆化區(qū) → 母材。

焊縫熱影響區(qū)的組織分布特征及性能

（3）不同熱影響區(qū)的硬度變化，實(shí)際是不同部位不同金相組織性能的反映。因此這與焊接材料和母材的成分以及焊前、焊中、焊后的溫度條件有很大的關(guān)系。

6）焊接殘余應(yīng)力及缺陷的影響

焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度的降低起到了內(nèi)因激化作用。同時(shí)焊接缺陷的影響也是不可低估的。

（1）表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；

（2）未焊透、未熔合、裂縫比圓形缺陷（如氣孔）影響大；

（3）缺陷受力方向與作用力垂直的影響比其他方向大；

（4）位于殘余拉應(yīng)力內(nèi)的缺陷比位于殘余拉壓力內(nèi)的缺陷影響大；

（5）位于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的缺陷比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中的同樣缺陷影響大；

（6）當(dāng)缺陷對(duì)材料的敏感度高時(shí)，那么它的影響高于其他缺陷。

4 提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施

4.1 焊接接頭的設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))

不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但難于制造，而且提高生產(chǎn)成本，同時(shí)也可能降低焊接接頭的承載能力和使用壽命。

4.2 母材及焊接材料的選擇

選擇材料必須根據(jù)結(jié)構(gòu)接頭的使用要求，如強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫等。選擇對(duì)各種缺陷綜合敏感度較小的材料（即材料的可焊性），如果選用的母材及焊接材料不當(dāng)，同樣會(huì)導(dǎo)致接頭的早期破壞。

4.3 從焊接接頭的工藝措施上考慮

焊接接頭的施工工藝措施主要是為了減少應(yīng)力集中和盡量消除焊接過(guò)程層間的殘余應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。從幾方面來(lái)注意：焊縫形狀平滑過(guò)渡，采用連續(xù)焊比斷續(xù)焊縫有利；盡量少采用角焊縫，當(dāng)不得已采用時(shí)必須采取綜合措施，如角接板的形狀和機(jī)械加工端部；制定合理的工藝規(guī)程，如焊前加熱、焊接線能量、焊接順序和焊中與焊后的消應(yīng)力捶擊處理等。

4.4 機(jī)械加工和表面強(qiáng)化處理

用表面機(jī)械加工的方法，消除焊縫及其附近的刻槽，可以降低構(gòu)件的應(yīng)力集中程度。在焊接接頭處用風(fēng)錘敲擊、用小輪擠壓或噴丸處理。這樣處理后不但材料表面形成壓應(yīng)力，而且材料局部加工硬化，可很大提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。

4.5 焊后熱處理

焊后熱處理不僅可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，而且可以降低冷裂、脆斷傾向，同時(shí)也可以降低腐蝕裂紋的傾向和改善接頭的組織。局部熱處理可以采用火焰、紅外、電阻、感應(yīng)等加熱方式。

4.6 焊后表面處理

通過(guò)表面涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。

l）在噴涂前必須嚴(yán)格基體金屬表面的處理，進(jìn)行脫脂凈化和噴射處理，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的清潔度和粗糙度；

2）經(jīng)表面處理，并進(jìn)行檢查合格后進(jìn)行金屬熱噴涂處理；

3）最終根據(jù)設(shè)計(jì)需要在結(jié)構(gòu)表面涂刷保護(hù)漆。水工金屬結(jié)構(gòu)涂料涂裝常用涂刷、滾涂、壓縮空氣噴涂和高壓無(wú)氣噴涂四種施工方法。

5 結(jié)論

隨著國(guó)內(nèi)水電事業(yè)的不斷發(fā)展， 近年來(lái)水工金屬結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事故，仍然不斷發(fā)生，而且隨著各種水電站的大量投入還有所增加。因此，從安全角度出發(fā)，我們更應(yīng)對(duì)它投入大量的人力、財(cái)力、物力去重視、去研究。