駱波，邵力，張洵浩，盧曦

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

T 型焊接接頭廣泛應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)中，而交變載荷是其服役過程中常見載荷種類之一，且疲勞裂紋往往出現(xiàn)在焊接接頭附近，因此，對于承受交變載荷機(jī)械結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中必須要考慮到焊接件疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。通常，通過對焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，測定焊接接頭在交變載荷作用下的疲勞壽命[1]，以及確定焊接接頭的疲勞強(qiáng)度[2]。目前，有一些文獻(xiàn)表明焊接接頭的疲勞斷裂位置出現(xiàn)在焊趾處[3]，但并未充分分析其內(nèi)在原因。本文將以Q345 鋼T 型單邊焊接接頭為研究對象，對其進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，并用理論和仿真的方法對焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)一步探究初始疲勞裂紋產(chǎn)生原因。

1 材料和方法

1.1 材料

研究所用試樣為T 型焊接試樣，焊接試樣以Q345 鋼為母材，采用單邊焊接，熔透焊。查文獻(xiàn)[4]可知，Q345 鋼屈服強(qiáng)度[4]為345 MPa，抗拉強(qiáng)度為531 MPa，材料化學(xué)成分如表1 所示。

表1 焊接母材的化學(xué)成分含量Tab.1 Chemical composition content of welding base meta

試樣底端總長為150 mm，寬度為30 mm，高度為25 mm，底座兩端各有直徑為22 mm 的中心圓，中心距為102 mm。上端長度為25 mm，寬度為16 mm，最上端距底端距離為100 mm。T 型模型如圖1 所示。

1.2 方法

（1）根據(jù)GBT 232-2010《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》[5]對T 型單邊焊接試件做疲勞試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2 所示。

圖1 T 型模型圖Fig.1 T-shaped model

圖2 帶試樣的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Diagram of experimental device with sample

實(shí)驗(yàn)中，將試件簡化為受彎曲交變應(yīng)力的懸臂梁結(jié)構(gòu)，對T 型尾端進(jìn)行彎曲疲勞加載。通過靜載荷和動載荷的疊加實(shí)現(xiàn)加載。先施加靜載荷，然后通過共振疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)與試件的共振加載動載荷。加載位置在離焊根55 mm 處，實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)力比為0.1。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先 選 定160，180，200，220 MPa四個應(yīng)力等級，進(jìn)行一定的實(shí)驗(yàn)后，根據(jù)4 個應(yīng)力等級的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再對實(shí)驗(yàn)等級進(jìn)行補(bǔ)充或者刪減，最后確定最大應(yīng)力等級共分為7 個，分別為 160，180，200，220，230，240，250 MPa。

（2）實(shí)驗(yàn)停止后，用肉眼對疲勞裂紋進(jìn)行觀測，并記錄實(shí)驗(yàn)裂紋位置。

（3）對焊接件受力狀態(tài)進(jìn)行理論和仿真分析，得到理論最大應(yīng)力處和實(shí)際最大應(yīng)力處，并分析裂紋處產(chǎn)生的原因。

實(shí)驗(yàn)采用Rumul 100 kN 共振疲勞試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)頻率為60 Hz，試件的疲勞壽命為失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)。實(shí)驗(yàn)失效形式為：（1）當(dāng)試件發(fā)生斷裂時(shí)，試件失效，試驗(yàn)機(jī)停止工作；（2）實(shí)驗(yàn)頻率降低10%時(shí)，試件與試驗(yàn)機(jī)不能共振，試驗(yàn)機(jī)停止加載。

2 研究結(jié)果和分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，有21 個試件出現(xiàn)疲勞裂紋，有17 個加載失敗，16 個沒有出現(xiàn)裂紋。200 MPa應(yīng)力等級下，3 個試樣出現(xiàn)明顯裂紋，裂紋位置為47.44，47.80，48.50 mm；220 MPa 應(yīng)力等級下，5 個試樣出現(xiàn)裂紋，裂紋位置為40.96，41.10，43.40，49.60，47.00 mm；230 MPa 應(yīng) 力等級下，5 個試樣出現(xiàn)明顯裂紋，裂紋位置為45.50，45.40，41.50，46.30，46.80 mm；240 MPa應(yīng)力等級下，5 個試樣出現(xiàn)明顯裂紋，裂紋位置為46.20，47.30，42.00，40.40，45.80 mm；250 MPa應(yīng)力等級下，共有3 個試件，均出現(xiàn)裂紋，裂紋位置為38.5，41.9，47.9 mm。

實(shí)驗(yàn)有7 個應(yīng)力等級，共54 個實(shí)驗(yàn)，按照實(shí)驗(yàn)的先后順序，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄。產(chǎn)生裂紋的所有試樣如圖3 所示，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖3 所有產(chǎn)生裂紋的試件圖Fig.3 Diagram of all cracked specimens

表2 所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 All experimental results

2.2 裂紋位置

由圖3 知，裂紋位置主要出現(xiàn)在焊趾處，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中選取應(yīng)力幅為220 MPa的C07號試件，其放大的裂紋形貌如圖4 所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2 可知，C07 幾何尺寸和具體斷裂位置，其受到最大應(yīng)力幅為220 MPa，厚度為16.05 mm，寬度為30.12 mm的試件為例進(jìn)行分析。如果使用懸臂梁名義應(yīng)力計(jì)算，加載以及支撐方式可用圖5 進(jìn)行代替。

圖4 典型裂紋位置圖Fig.4 Typical crack location

圖5 未考慮截面變化的懸臂梁Fig.5 Cantilever beam without considering section change

AFBC 是未考慮截面變化的懸臂梁結(jié)果。其中，AFB 為固定邊，CF 的長度為裂紋出現(xiàn)處，即55 mm。F 的大小為6.32 kN。

引入應(yīng)力公式

由式（1）得最大應(yīng)力為259.5 MPa。最大應(yīng)力在F 處，但是實(shí)際疲勞出現(xiàn)在D 處，與名義最大應(yīng)力處不符。

但是名義應(yīng)力的計(jì)算并沒有考慮到懸臂梁的截面變化，因此計(jì)算結(jié)果并不準(zhǔn)確。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的試件加載和支撐方式如圖6 所示。

圖6 考慮截面變化的懸臂梁Fig.6 Cantilever beam with considering section change

AEFBDNCM 是考慮截面變化的懸臂梁結(jié)果[6]。其中，DE 為焊接增厚邊，DN 的長度為裂紋出現(xiàn)處，即43.4 mm。AEFB 為固定邊，CN 處承受載荷均值為6.32 kN。

由式（1）求得D 處（L=43.4mm）的應(yīng)力為212.1 MPa。DEF 段可簡化為楔形梁結(jié)構(gòu)。

式中：ε——h2處的慣性矩，。

當(dāng)x=0，y=12 時(shí)，求得E 處的應(yīng)力值大小為120.3 MPa。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論解的準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行了有限元仿真，采用ANSYS 軟件，用solid 8node183 單元對試件進(jìn)行仿真。材料屈服強(qiáng)度為345 MPa，泊松比為0.3。在網(wǎng)格劃分時(shí)，采用每條邊被分為40 份時(shí)的立方體單元進(jìn)行劃分。在處理邊界時(shí)，AEFB x 方向、y 方向、z 方向的位移為0，對AEFB 進(jìn)行固定約束，在CN 平面內(nèi)施加作用于node 上的沿CN 方向的6.32 kN 的作用力。其他邊界為自然邊界，不做約束。做 plot results von mises stress 。仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 仿真結(jié)果圖Fig.7 Simulation result

由理論求得D 處的應(yīng)力為212.1 MPa，而仿真所得的D 處的實(shí)際應(yīng)力為298 MPa，由此可知，理論應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力相差86 MPa，因?yàn)槔碚撚?jì)算不如仿真所得準(zhǔn)確，所以采用仿真所得數(shù)據(jù)。

通過變截面梁理論計(jì)算和有限元仿真結(jié)果可知，試件實(shí)際最大應(yīng)力處在43.4 mm，與裂紋出現(xiàn)位置相符，因此，本文推測裂紋的出現(xiàn)是此處發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致，而實(shí)驗(yàn)中通常采取的名義應(yīng)力計(jì)算方法是有一定誤差的，并不能準(zhǔn)確反映T型焊接接頭的實(shí)際應(yīng)力分布。

3 結(jié)論

本文按照焊接接頭彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)做彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，記錄并觀察了試件的彎曲疲勞裂紋位置，又對裂紋位置在焊址處的原因進(jìn)行了適當(dāng)分析，得出以下結(jié)論：（1）疲勞試驗(yàn)結(jié)果中，沒有產(chǎn)生斷裂的情況，只有一部分試件未加載成功。剩下的試件一部分發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生疲勞裂紋，另一部分沒有發(fā)生疲勞破壞。應(yīng)力幅越大，越容易發(fā)生疲勞失效，產(chǎn)生疲勞裂紋；（2）對于失效的試件，試件裂紋處在實(shí)際最大應(yīng)力處。

本文對T 型焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布和裂紋位置進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中的名義應(yīng)力計(jì)算方法并不能準(zhǔn)確得到T 型焊接結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力處，而通過變截面梁的理論計(jì)算和有限元計(jì)算能較準(zhǔn)確地找出實(shí)際應(yīng)力最大處，以此推測疲勞裂紋的出現(xiàn)原因是此處應(yīng)力最大，超過了材料的疲勞強(qiáng)度，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。