郭廣輝 張衍坤

摘 要：自焊接工藝誕生之日起至今，其得到了飛快的發(fā)展和普及，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，甚至已經(jīng)成為很多重要技術(shù)的工藝支撐。從制造行業(yè)到建筑行業(yè)，從造車(chē)造船到建筑高樓廠房，無(wú)一離得開(kāi)焊接工藝的使用。因此焊接工藝對(duì)整個(gè)工業(yè)行業(yè)來(lái)說(shuō)都有至關(guān)重要的基礎(chǔ)意義。當(dāng)前焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞是影響焊接技術(shù)發(fā)揮作用的最主要問(wèn)題所在，因此本文從行業(yè)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的探索，并對(duì)焊接接頭與結(jié)構(gòu)的疲勞延壽技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了淺析，以期推動(dòng)焊接工藝的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：焊接接頭;焊接結(jié)構(gòu);疲勞強(qiáng)度;延壽

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.022

1 焊接工藝應(yīng)用概述

1.1 當(dāng)前焊接工藝?yán)帽尘?/p>

焊接是利用加熱、高溫或者高壓的方法，使熱塑性材料結(jié)合在一起的一種制造工藝。當(dāng)前焊接這種連接方式被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。比方說(shuō)汽車(chē)制造行業(yè)、船舶制造行業(yè)、航天航空行業(yè)、鐵路橋梁建設(shè)行業(yè)，以及住宅廠房寫(xiě)字樓等的建設(shè)建筑行業(yè)等?？梢哉f(shuō)涉及到熱塑性材料相接連的地方，大都需要焊接工藝。但也正因?yàn)楹附庸に囍写嬖诘牟蛔?，?dǎo)致在一些高精尖要求的行業(yè)中，焊接技術(shù)制造的構(gòu)件還沒(méi)辦法滿足其要求。這也一定程度的阻礙了焊接工藝應(yīng)用的廣度和深度。

1.2 當(dāng)前焊接工藝存在的問(wèn)題

由定義可知焊接是將熱塑性材料焊連在一起，因此焊接構(gòu)件的主要問(wèn)題是焊接接頭與結(jié)構(gòu)的疲勞失效問(wèn)題。在焊接技術(shù)的應(yīng)用中，因焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效造成的行業(yè)制約和經(jīng)濟(jì)損失有很多。例如，在海洋及船舶制造行業(yè)，焊接結(jié)構(gòu)疲勞時(shí)造成船舶損壞的主要原因之一，同時(shí)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞也是制約海洋平臺(tái)建設(shè)，甚至造成海洋平臺(tái)事故發(fā)生的重要原因之一;在陸路交通行業(yè)，焊接結(jié)構(gòu)疲勞會(huì)妨害鐵路的行使安全、縮短機(jī)車(chē)的使用年限，同樣公路橋梁建設(shè)中焊接接頭的疲勞也會(huì)導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生裂紋，無(wú)法安全承載交通負(fù)荷;在航空領(lǐng)域，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞嚴(yán)重影響著飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)翼等重要部件的使用壽命;此外在一些機(jī)械制造行業(yè)，焊接結(jié)構(gòu)疲勞也是制約行業(yè)企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一……有統(tǒng)計(jì)曾顯示，焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂事故的原因中，有九成是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)疲勞。因此必須重視焊接構(gòu)件疲勞的問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行延壽技術(shù)改善。

2 引起焊接構(gòu)件疲勞產(chǎn)生的原因

隨著焊接工藝的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)已經(jīng)有了很大的提升。當(dāng)前引起焊接構(gòu)件疲勞失效造成斷裂等問(wèn)題的因素可以總結(jié)成下面幾點(diǎn)：首先，焊接接頭的疲勞。當(dāng)焊接構(gòu)件處在靜態(tài)，即所受外力不隨時(shí)間變化，并且其各點(diǎn)的狀態(tài)也不隨時(shí)間發(fā)生改變時(shí)，焊接接頭的載荷能力同原材料是一樣的，但當(dāng)焊接構(gòu)件處于交變動(dòng)態(tài)，即受到大小、方向隨時(shí)間呈周期性變化的作用力時(shí)，其載荷承受能力就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及原材料的能力，這是造成焊接接頭出現(xiàn)疲勞失效的主要因素之一。其次，隨著各個(gè)對(duì)焊接有需求的工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，對(duì)焊接構(gòu)件的動(dòng)態(tài)載荷承受能力的要求也越來(lái)越高，而當(dāng)前的焊接工藝方面抗疲勞技術(shù)的發(fā)展跟不上需求速度，導(dǎo)致生產(chǎn)出的焊接構(gòu)件容易產(chǎn)生疲勞失效。第三，部分專(zhuān)門(mén)技術(shù)人員對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞程度不熟悉、或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)不規(guī)范、或在焊接構(gòu)件的制造過(guò)程中成本質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，最終造成焊接構(gòu)件不能滿足荷載需求，從而容易發(fā)生疲勞失效事故。

3 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響元素及延壽技術(shù)的應(yīng)用研究

3.1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響元素

由上文可知除了人為因素和行業(yè)發(fā)展因素的影響，焊接工藝中實(shí)際造成焊接構(gòu)件疲勞失效的主要原因是焊接接頭疲勞。可以說(shuō)焊接接頭的抗疲勞程度決定著焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。焊接接頭處容易有焊接缺陷，而且還有應(yīng)力集中與殘余拉伸應(yīng)力等的多重因素影響，這些都是影響焊接構(gòu)件抗疲勞性能的主要元素。

3.2 焊接構(gòu)件延壽技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用

針對(duì)上述的影響元素，當(dāng)前我國(guó)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范，將過(guò)去以原材料疲勞強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)改成以焊接接頭的抗疲勞程度為整個(gè)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)規(guī)定不但會(huì)造成材料浪費(fèi)，而且仍然會(huì)因焊接接頭處出現(xiàn)的問(wèn)題，造成整體焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效。因此必須針對(duì)各個(gè)影響元素采取相應(yīng)的技術(shù)措施來(lái)延長(zhǎng)焊接構(gòu)件的壽命。

（1）降低焊接接頭處的焊接缺陷。焊接接頭處容易有兩大類(lèi)焊接缺陷，一種是表面型的，如有未熔合或未焊透、有裂紋等;一種是體積缺陷，如有氣孔或夾渣等。因此要努力提高焊接技術(shù)，在焊接過(guò)程中嚴(yán)控焊接的質(zhì)量，來(lái)預(yù)防、減少和杜絕焊接缺陷的出現(xiàn)。

（2）降低應(yīng)力集中系數(shù)。焊接接頭處會(huì)有應(yīng)力集中的情況出現(xiàn)，其中焊接接頭的形式和焊縫的形狀都會(huì)對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的大小產(chǎn)生影響。行業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明，通常情況下焊接接頭的疲勞裂縫會(huì)開(kāi)始于焊根或焊趾處。若消除了焊接根部的裂縫開(kāi)裂危險(xiǎn)，則焊趾處的裂縫防范就十分重要。因此要在焊接接頭處改善焊趾的形狀，來(lái)降低應(yīng)力集中系數(shù)。當(dāng)前較常使用的方法有以下幾種：鎢惰性氣體熔修、對(duì)無(wú)缺陷的焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工或砂輪打磨、使用新型特別焊條和錘擊法、噴丸法等。

（3）減少焊接殘余拉伸應(yīng)力。減少焊接殘余拉伸應(yīng)力，引入殘余壓縮應(yīng)力，可以延長(zhǎng)焊接結(jié)構(gòu)的壽命，提高其可靠性。當(dāng)前比較常用的方法主要有局部加熱法、預(yù)過(guò)載、錘擊法、擠壓法、噴丸法等。

3.3 焊接構(gòu)件延壽技術(shù)的新應(yīng)用

最近幾年又產(chǎn)生了新的焊接接頭和結(jié)構(gòu)延壽技術(shù)：超聲沖擊法和低相變點(diǎn)焊接材料法。其中超聲沖擊法能通過(guò)比較輕巧的設(shè)備降低焊趾應(yīng)力集中系數(shù)，并產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，具有很好的靈活性和可控性，在使用過(guò)程中受到的約束較少，且低成本低耗能，是一項(xiàng)高效率的新技術(shù)。低相變點(diǎn)焊接材料法是一種操作簡(jiǎn)單的焊中處理方法，可以較方便的產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，對(duì)不能進(jìn)行焊后處理的焊接接縫，尤其適用在使用其的過(guò)程中可以通過(guò)低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修的辦法來(lái)降低其成本。

4 結(jié)語(yǔ)

焊接工藝關(guān)系到很多行業(yè)的發(fā)展，因此必須重視焊接接頭與結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)焊接技術(shù)的升級(jí)，為其他行業(yè)的發(fā)展提供更好的支撐作用。

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作者簡(jiǎn)介：郭廣輝（1975-），男，山東東平人，中專(zhuān)，研究方向：焊接。