呂曉春 張志毅 李愛民

(1.中國兵器工業(yè)第五二研究所,山東煙臺 264003； 2.南車青島四方機車車輛股份有限公司,山東青島 266111)

焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度，在很大程度上取決于構(gòu)件應力集中情況。如果焊接構(gòu)件有應力集中，在受到循環(huán)載荷條件下，焊接結(jié)構(gòu)普遍會出現(xiàn)嚴重的斷裂破壞。焊縫幾何尺寸及焊接過程中產(chǎn)生的各種缺陷是產(chǎn)生應力集中的主要原因[1，2]。然而這些原因如何影響焊接構(gòu)件的疲勞壽命，對于一種新材料，或者對于在一種特殊條件下使用的材料來說，應當受到特別的關(guān)注。AQ400NH鋼是一種耐候材料，在使用結(jié)構(gòu)中，該材料的焊接結(jié)構(gòu)承受著高速動載的作用，使用條件特殊，所以研究產(chǎn)生應力集中的原因、應力集中對該焊件疲勞性能的影響，對提高焊件疲勞壽命具有重要意義。

筆者著眼于焊縫趾部余高與焊接構(gòu)件應力集中的關(guān)系，探討余高產(chǎn)生的應力集中對該焊件疲勞性能的影響。為此，對這種材料的母材、光滑焊件(余高為零的焊件)、帶余高焊件分別進行疲勞試驗。繪制它們的S-N曲線；觀察靜態(tài)載荷下焊趾處應力的變化；用ANSYS有限元分析程序計算了各種狀態(tài)下焊接構(gòu)件的應力分布狀態(tài)，以及余高變化產(chǎn)生應力集中的趨勢。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與設備

電液伺服材料試驗機: Instron1251型，英國Instron公司。

1.2 材料成分、力學性能

實驗所用材料為耐候材料AQ400NH，其主要化學成分見表1，母材與焊件的基本力學性能見表2。

表1 材料的主要化學成分 %

1.3 焊接接頭幾何尺寸

疲勞試件共分為3組，一組為母材試件；一組為光滑焊件，即為焊后去掉余高，并進行了精加工，其表面光潔度與母材試件相同；另一組為帶余高焊件。三組試件的名義尺寸為，試樣寬度B×厚度W×平行段長度L0：24 mm×12 mm×70 mm。光滑焊件的試樣厚度比母材略小。試件接頭形式為對接焊接頭，其試樣形式和焊縫堆高名義尺寸如圖1所示。焊接方法為MAG半自動焊接。

表2 材料力學性能

圖1 焊縫堆高名義尺寸

焊縫幾何參數(shù)用焊縫寬度b和余高h表示。帶有余高的試件共有5個，試樣的焊縫寬度b和余高h的實際尺寸見表3。

表3 焊縫尺寸平均值

1.4 疲勞試驗

疲勞方式采用循環(huán)應力恒負荷軸向脈動拉伸疲勞。波形為正弦波；應力比R=0；頻率10～20 Hz；循環(huán)次數(shù)5×104～1×107；應力等級分8個級別。因該材料疲勞性能較為穩(wěn)定，每個應力級別只做一個試樣。試驗在Instron 1251試驗機上完成，疲勞控制方式為恒應力控制。為了便于比較，將三組疲勞強度與循環(huán)受命關(guān)系的S-N曲線繪于圖2中。三組疲勞試驗得到的疲勞極限為：母材試件疲勞極限為σu=425 N/mm2；光滑焊件疲勞極限為σu=410 N/mm2；余高焊件疲勞極限為σu=220 N/mm2。光滑焊件的疲勞極限和母材比較接近，而平均余高為1.65 mm焊件，其疲勞極限要明顯低得多。

圖2 三組試件的S-N曲線

1.5 應力集中系數(shù)的確定

通過試驗的方法，可得到焊接接頭處實際應力集中系數(shù)[3]，即有效應力集中系數(shù)kσ按式(1)計算：

(1)

式中：σ0—光滑試件的疲勞極限；

本次試驗母材的疲勞極限σu=425 MPa，光滑焊件的疲勞極限是σu=410 MPa，堆高焊件的疲勞極限σu=220 MPa，母材與光滑焊件所產(chǎn)生的實際應力集中系數(shù)為kσ1=1.036 6。母材與焊接后帶堆高試件所產(chǎn)生的實際應力集中系數(shù)為kσ2=1.931 8。帶有余高焊件的應力集中系數(shù)接近前者的兩倍。

2 有限元計算

使用ANSYS有限元程序進行有限元計算。計算焊趾應力時采用二維模型和四邊形8結(jié)點單元，根據(jù)單元要求，輸入0.5 mm的厚度，焊件橫截面單元分布如圖3所示。計算時所加載荷為220 MPa，低于材料的屈服強度，故計算時材料始終處于彈性狀態(tài)。計算中取材料的彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比v=0.33，并假設整個試件內(nèi)性能相同。計算時焊件的余高是1.65 mm。計算結(jié)果表明在焊縫趾部應力最大，最大值達到446 MPa，相當于所加載荷的兩倍，結(jié)果如圖4所示。

圖3 對接接頭局部有限元網(wǎng)格

圖4 對接接頭最大主應力局部放大圖

3 分析與討論

3.1 S-N曲線分析

從圖2中看出，母材和光滑焊件的疲勞強度與循環(huán)壽命關(guān)系差別不是很大，二者的疲勞極限也很接近，只是母材S-N曲線的拐點要比光滑焊件的S-N曲線拐點明顯，母材與光滑焊件數(shù)據(jù)點分散性也很小。余高焊件的S-N曲線與前兩者的變化趨勢明顯不同，數(shù)據(jù)點分散性增大，曲線沒有拐點，疲勞強度隨著疲勞壽命的增加明顯下降，疲勞極限下降幅度幾乎接近50%。根據(jù)表1中余高數(shù)據(jù)有一個波動范圍來看，數(shù)據(jù)點分散可能是余高不同所致。

3.2 斷裂位置及宏觀斷口形貌

光滑焊件的斷裂位置絕大部分出現(xiàn)在焊縫中，而有余高的焊件，疲勞斷裂均無例外地發(fā)生在焊趾處，而且斷裂源均位于表面焊縫趾部，這說明焊趾處為應力集中最大區(qū)域，這一現(xiàn)象恰與計算結(jié)果相一致，見圖4接頭局部應力放大圖，它表明有限元計算結(jié)果是正確的，用有限元計算方法分析余高焊件應力集中情況是有效性。

觀察宏觀斷口可以發(fā)現(xiàn)，光滑焊件斷面上的疲勞源內(nèi)總有微小焊接缺陷或微小氣泡(圖5)，這些缺陷成為疲勞裂紋的裂紋源。而在余高焊件的斷口上幾乎看不到什么宏觀缺陷，疲勞源均從焊縫趾部的某一位置開始(圖6)。這表明，同焊接微小缺陷相比，焊趾處應力集中也會成為裂紋源，而且應力集中對焊接結(jié)構(gòu)的危害比微小焊接缺陷要大。當有應力集中存在時，微小焊接缺陷的有害作用降低到次要位置。當采用合理的工藝降低或消除焊縫中的缺陷后，光滑試樣可提高構(gòu)件的疲勞壽命。而對于有一定余高的焊接構(gòu)件，即使通過合理的工藝消除焊縫中的缺陷，由于存在應力集中，也不能提高構(gòu)件的疲勞壽命。因此，要提高焊接構(gòu)件的疲勞壽命，必須對其進行光滑處理。

圖5 光滑焊件疲勞斷口

圖6 帶堆高焊件疲勞斷裂位置a及斷口形貌b

3.3 有限元計算分析焊縫余高的影響

采用和上面相同的有限元計算方法計算不同余高對焊接構(gòu)件應力集中的影響。計算中設定余高為5種，分別是0.0、0.1、0.3、0.5、3 mm。計算余高0.0、0.5、1.65、3 mm的應力分布圖如圖7所示。以余高做變量，焊趾處的應力和余高的變化關(guān)系如圖8所示，它們之間呈線性關(guān)系。從圖8中可以看出，在余高是0 mm時，焊趾處的應力和外載荷大小相同，表明此處沒有應力集中。這就說明光滑試樣的疲勞極限與母材相同的原因是光滑焊件沒有應力集中。當余高是1.65 mm時，焊趾處受到的應力是446 MPa，相當于載荷的兩倍。根據(jù)本疲勞試驗的結(jié)果，當余高引起的應力集中出的載荷達到外載荷的2倍時，疲勞裂紋源出現(xiàn)在焊趾處。余高3 mm時，焊趾處的應力達到605.93 MPa，接近載荷的3倍。表明余高越高，焊趾處的應力也越高。由此可以斷定，余高越大，應力集中越嚴重，導致材料的疲勞壽命越低。而降低余高可以降低應力集中，同時可以提高疲勞壽命。為了降低應力集中的程度，提高焊接構(gòu)件的疲勞壽命，在結(jié)構(gòu)焊接完后，應將余高打磨掉，以消除余高引起的應力集中。

比較母材、光滑試樣疲勞極限和余高1.65 mm焊趾處的應力可以看出，余高1.65 mm焊件結(jié)構(gòu)焊趾處的最大應力是446 MPa，這個應力和母材、光滑試樣疲勞極限相差不多。這就表明，當應力集中使最大應力達到光滑試樣的疲勞極限時，有余高的焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂。由此可見，應力集中降低疲勞壽命的原因是：盡管外載荷遠低于母材的疲勞極限，但應力集中處的應力卻能夠達到材料的疲勞極限，使材料發(fā)生疲勞斷裂。

圖7 余高對應力分布的影響

圖8 余高和焊趾處最大應力的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)當焊接接頭有1.65 mm的余高時，焊趾處存在的應力集中可以使其疲勞極限下降接近50%，即使焊縫中有微小缺陷，疲勞斷裂的裂源也出現(xiàn)在焊趾處；(2)余高和焊趾處最大應力間存在線性關(guān)系，焊趾處的最大應力隨余高增加而線性增加；(3)當應力集中處的應力達到母材的疲勞極限時，焊接構(gòu)件發(fā)生疲勞斷裂；(4)將焊接接頭的余高除掉，可以消除余高在焊趾處產(chǎn)生的應力集中，光滑焊件的疲勞極限只取決于內(nèi)部焊接缺陷。

[1] 霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評定[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2] 達伊D.焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[3] [蘇]Γ.C.批薩連科， A.Γ I.亞科符列夫.材料力學手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981.

[4] 賈法勇.鋁合金5083縱向角接板焊接接頭疲勞強度[J].機械工程學報，2005，41(8)：199-202.