盧華強(qiáng) 耿金貫 趙俊林

摘要：本文通過對焊縫裂紋對鋼結(jié)構(gòu)壽命的論述得出在滿足構(gòu)件使用壽命的前提下，構(gòu)件制造過程中應(yīng)允許焊接裂紋的存在。避免無謂過高的探傷要求，從而降低了人工檢測及返修成本。

關(guān)鍵詞：焊接結(jié)構(gòu);裂紋

在全球范圍內(nèi)，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程，焊接結(jié)構(gòu)不斷向大型化、重型化、精密化和高參數(shù)化發(fā)展，尤其大型化及重型化鋼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)必然會(huì)對焊接工藝提出越來越高的要求。由于焊接是物理學(xué)、冶金學(xué)及力學(xué)綜合作用的復(fù)雜過程，從而導(dǎo)致焊接過程中必然會(huì)在結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生一系列缺陷【1】。如：裂紋、氣孔及夾雜等，以及焊接過程中的熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力及變形所引起的開裂、咬邊等，尤其以焊接裂紋對鋼結(jié)構(gòu)影響為甚。

裂紋缺陷的特點(diǎn)為寬度方向比長度方向小的多，且兩端尖銳（圖一）。尖銳的裂紋容易產(chǎn)生尖端效應(yīng)，不僅應(yīng)力集中敏感，而且會(huì)形成三向應(yīng)力狀態(tài)，裂紋容易失穩(wěn)和擴(kuò)展【2】（圖二）。

圖一???? Q345B焊縫初始裂紋（×300）

圖二?? ?Q345B焊縫初始裂紋擴(kuò)展（×60）

注：焊接方式為藥芯焊絲氣體CO2保護(hù)焊，焊材為GFL-71。

通常觀念認(rèn)為有紋必裂【1】。各焊接結(jié)構(gòu)企業(yè)都在不遺余力的通過一系列檢測手段（UT、PT、MT、RT等）追求關(guān)重部件焊接過程無裂紋化。對于要求探傷的焊縫，無論采用哪種探傷方法，均不得有裂紋出現(xiàn)。過分追求焊接無裂紋化必然會(huì)增大人工檢測及返修成本，況且目前焊縫返修大部分都是通過碳刨問題焊縫，而后重新補(bǔ)焊來實(shí)現(xiàn)。碳刨及二次補(bǔ)焊會(huì)造成焊縫熱影響區(qū)母材二次、三次受熱，在一定程度上會(huì)影響母材自身材料特性。以犧牲母材自身特性去保證焊縫無裂紋化這種做法是否可取？另外焊接裂紋的存在必然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件失效這種觀念是否可取？本無試圖通過理論推導(dǎo)來論證這一問題。

試驗(yàn)表明：構(gòu)件焊縫具有小于臨界尺寸的初始裂紋，在靜載荷作用下，只要其應(yīng)力不高于臨界載荷，裂紋不會(huì)擴(kuò)展，構(gòu)件也不會(huì)斷裂。但在交變載荷下，即使交變應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于臨界載荷，初始裂紋也將發(fā)生緩慢擴(kuò)展，當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件即會(huì)發(fā)生突然斷裂【2】。

假定初始裂紋尺寸為a0，臨界斷裂尺寸ac。dN為交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)增量，da為相應(yīng)的裂紋長度增量。則可求得裂紋擴(kuò)展至斷裂的循環(huán)次數(shù)為―――――――（1）

已知帕里斯公式――――――――――――――――――――――（2）

注：C、m為材料常數(shù)，為應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)子幅。參數(shù)關(guān)系如圖三所示。

圖三與關(guān)系走勢

另，則―――――――――――――――――――――（3）

注：針對特定某一種材料Y為常數(shù)。

由以上推導(dǎo)可得裂紋壽命公式為

【2】

裂紋斷裂臨界尺寸可以由試驗(yàn)得出，只需查閱相關(guān)手冊即可得出公式中所需其他參數(shù)，即可以得出在一定交變載荷下焊接裂紋不失穩(wěn)的循環(huán)次數(shù)（即壽命）。

通過以上論述可知，焊接缺陷總是不可避免的。通常情況下，含有小裂紋的結(jié)構(gòu)件并不一定會(huì)開裂，只有當(dāng)初始裂紋擴(kuò)展到臨界值時(shí)，才會(huì)突然斷裂。

以下提出幾點(diǎn)提高焊縫壽命的幾點(diǎn)建議：

（1）正確選擇設(shè)計(jì)材料。結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)選擇時(shí)單考慮機(jī)械性能是不夠的。應(yīng)全面考慮材料性能，包括KC、K1c、K1scc、da/dN和da/dt等;除了進(jìn)行結(jié)構(gòu)件母材進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算外，還須對構(gòu)件焊縫進(jìn)行壽命計(jì)算。在設(shè)計(jì)重載荷或零件時(shí)，設(shè)計(jì)者往往傾斜與選擇高強(qiáng)度材料;但是由循環(huán)壽命公式可以得出焊縫壽命隨著材料屈服強(qiáng)度的增大而呈幾何級數(shù)急劇降低，鋼結(jié)構(gòu)的壽命很大程度取決于焊縫的壽命。因此，在大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可過分通過高強(qiáng)度材料來對實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中，在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，優(yōu)先選用強(qiáng)度低而KIC較高的材料;

（2）合理焊接接頭強(qiáng)度設(shè)計(jì)。首先應(yīng)對預(yù)使用材料的強(qiáng)度、韌性做全面了解。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量遵循以下原狀：針對低強(qiáng)度鋼，無論母材或者焊縫都要較高的韌性儲(chǔ)備，宜選用等強(qiáng)度焊接接頭;針對高強(qiáng)度剛，母材或焊縫存儲(chǔ)的韌性較低，宜選用低強(qiáng)度焊接接頭，從而一定程度上保證了焊接接頭韌性，減緩焊縫裂紋開裂的速率值;

（3）對于結(jié)構(gòu)件主要受沖擊力部位優(yōu)先考慮彈性設(shè)計(jì)，在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能情況下使得受力構(gòu)件最大程度通過自身彈性變形吸收能量，防止受到不均勻剛性沖擊;

（4）盡量避免焊縫應(yīng)力集中。合理設(shè)計(jì)焊接接頭形式，在設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮對接焊縫【3】。焊接過程中注意焊接電流，防止焊縫熱影響區(qū)過燒而影響母材材料性能，從而增加焊縫裂紋應(yīng)力集中系數(shù)。焊接完成后打磨光滑，關(guān)重部件焊趾焊縫盡量打磨與母材平滑過渡;

（5）關(guān)重部件切割火坡口開設(shè)時(shí)盡量采用機(jī)械切割方式。如不得已采用熱量切割切割后，應(yīng)對與焊接邊緣及坡口打磨清除熔渣、氧化層，降低焊縫熱影響區(qū)裂紋形核數(shù)量，從而減小初始裂紋長度a0;

（6）在滿足結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)要求前提下，材料應(yīng)盡量選擇較薄厚度。材料厚度在一定程度決定對接焊縫厚度。焊縫隨著厚度的增大到一定程度其自身斷裂韌性變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài);

（7）通過工藝改變焊縫應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閴簯?yīng)力。在焊接過程中通過小錘敲擊（僅針對多層多道焊）及焊后沖砂噴丸來滿足。通過以上措施可以使得焊縫表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而大大降低構(gòu)件焊縫裂紋擴(kuò)展速率值;

因此最好的解決辦法是在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)大致結(jié)構(gòu)優(yōu)先設(shè)計(jì)焊縫形式，在結(jié)構(gòu)細(xì)化階段時(shí)刻不忘焊縫接頭設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)件制造過程中應(yīng)承認(rèn)缺陷的存在，對裂紋尺寸做出合理限制，通過后續(xù)工藝優(yōu)化缺陷焊縫受力狀態(tài)。借助一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得出焊縫壽命。只要焊縫壽命大于結(jié)構(gòu)件使用壽命就可認(rèn)定焊縫是合格的。除此之外，為了減輕構(gòu)件焊縫斷裂所造成的危害，在焊縫裂紋發(fā)生和發(fā)展的初期，應(yīng)及早的發(fā)現(xiàn)它并進(jìn)行標(biāo)記，制定出定期進(jìn)行裂紋檢測的規(guī)范，通過實(shí)際測量數(shù)據(jù)得出焊縫裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，借此合理推斷出焊縫剩余壽命。

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