聶春戈，張旭，管明珠，李曉峰

(大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028)

0 前言

焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能取決于接頭局部區(qū)域的應(yīng)力集中程度[1-2]。而焊接接頭的細(xì)節(jié)特征，如焊腳尺寸、裝配間隙、熔深等，則是影響接頭的應(yīng)力集中的關(guān)鍵因素，并進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命。因此，為保證焊接結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性，需要在接頭設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定細(xì)節(jié)參數(shù)，并在制造時(shí)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，以判定焊縫的缺欠質(zhì)量等級(jí)是否滿足要求。例如，用于鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的EN 15085標(biāo)準(zhǔn)[3]引用ISO 5817[4]，ISO 1042[5]等標(biāo)準(zhǔn)，作為定義焊縫缺欠質(zhì)量等級(jí)的依據(jù)。

這些國(guó)際主流標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫細(xì)節(jié)和缺欠的評(píng)估往往基于經(jīng)驗(yàn)，只根據(jù)缺欠形貌尺寸來(lái)確定焊縫質(zhì)量等級(jí)[4-5]，并不考慮接頭在服役過(guò)程中的受力狀態(tài)。一個(gè)典型例子是在評(píng)估角焊縫中的氣孔缺欠時(shí)，只根據(jù)氣孔的大小分為B，C，D等級(jí)，而氣孔具體位置和接頭受力特征則關(guān)注很少。這種判斷方法由于缺乏理論根據(jù)，可能給結(jié)構(gòu)帶來(lái)疲勞隱患，也有可能會(huì)過(guò)于保守，導(dǎo)致制造成本的提高。因此，利用先進(jìn)的數(shù)值方法和試驗(yàn)手段對(duì)焊縫質(zhì)量等級(jí)的判斷依據(jù)進(jìn)行研究，具有重要的工程價(jià)值。

角焊縫接頭在工程結(jié)構(gòu)中有廣泛應(yīng)用, 其疲勞性能也得到深入研究[6-7]。根據(jù)焊縫是否傳遞載荷，可以將接頭分為承載角焊縫接頭和非承載角焊縫接頭。工程經(jīng)驗(yàn)及常見(jiàn)疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[8]均表明，后者的疲勞性能顯著高于前者。然而在指定焊腳尺寸、規(guī)定裝配間隙和熔深等檢驗(yàn)指標(biāo)時(shí)，兩者卻往往取用同一標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)其合理性進(jìn)行研究。

文中基于網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法[9-10]，對(duì)不同焊腳尺寸的非承載角焊縫十字接頭疲勞性能進(jìn)行數(shù)值分析，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。然后，分析了裝配間隙和焊縫熔深對(duì)接頭抗疲勞能力的影響，從而為焊接結(jié)構(gòu)非承載角焊縫的焊腳尺寸設(shè)計(jì)和焊接質(zhì)量定義標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論基礎(chǔ)。

1 角焊縫接頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力定義

角焊縫接頭是結(jié)構(gòu)局部剛度發(fā)生顯著變化的位置，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。圖1為焊趾截面結(jié)構(gòu)應(yīng)力定義，以焊趾截面的法向應(yīng)力為例，其實(shí)際分布如圖1a所示，具有典型的非線性特征，并在焊趾位置達(dá)到峰值。由于焊趾往往是常規(guī)有限元計(jì)算的應(yīng)力奇異位置，計(jì)算結(jié)果受網(wǎng)格尺寸、單元類型等因素影響很大，導(dǎo)致利用有限元方法進(jìn)行疲勞評(píng)估的精度不高。為此，董平沙[9]提出了具有網(wǎng)格不敏感性特征的結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法將截面上的應(yīng)力分解為線性應(yīng)力部分(圖1b)和高階自平衡應(yīng)力部分(圖1c)，并將其中的線性應(yīng)力部分稱為結(jié)構(gòu)應(yīng)力，而線性應(yīng)力又可以分解為膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力兩部分。

圖1 焊趾截面結(jié)構(gòu)應(yīng)力定義

與常規(guī)有限元的應(yīng)力計(jì)算方法不同的是，結(jié)構(gòu)應(yīng)力利用有限元結(jié)果中的單元節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行計(jì)算。以平面實(shí)體有限元模型為例(圖2)，焊趾截面法向結(jié)構(gòu)應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算根據(jù)以下步驟：①提取圖2a中截面A-A右側(cè)共N個(gè)單元以定義焊趾截面；②提取截面上各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)N+1(圖2b)；③根據(jù)平衡等效原理將截面上的節(jié)點(diǎn)力轉(zhuǎn)化為合力Fy′和相對(duì)于截面中點(diǎn)的彎矩Mz′(圖2c)；④最后利用材料力學(xué)公式計(jì)算A-A截面的結(jié)構(gòu)應(yīng)力如式(1)所示：

(1)

式中：σm為膜應(yīng)力；σb為彎曲應(yīng)力；t為板厚。

圖2 平面有限元模型中焊趾截面節(jié)點(diǎn)力的提取

結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法目前主要用于焊接接頭疲勞問(wèn)題的分析?；诮Y(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N曲線方法已經(jīng)被ASME等多部國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)吸收，并在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用[11-12]。與名義應(yīng)力方法相比，結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法作為一種先進(jìn)的數(shù)值方法，其應(yīng)力結(jié)果可以反映焊縫細(xì)節(jié)對(duì)接頭應(yīng)力集中的影響，并進(jìn)而描述不同細(xì)節(jié)特征焊接接頭的疲勞性能。

2 焊腳尺寸對(duì)非承載角焊縫接頭疲勞性能的影響

2.1 接頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算與分析

為研究焊腳尺寸對(duì)非承載角焊縫十字接頭疲勞性能的影響，如圖3所示。針對(duì)圖3a中板厚為10 mm的十字接頭，建立一系列具有不同焊腳尺寸s的有限元模型。根據(jù)接頭的幾何和載荷特征，計(jì)算時(shí)取1/4結(jié)構(gòu)，并使用了平面應(yīng)變單元，其中s=10 mm的典型有限元網(wǎng)格如圖3b所示。

按照在接頭上施加單位拉伸載荷，按照上文描述的流程就可以計(jì)算所關(guān)心位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。需要指出的是，由于接頭對(duì)稱，拉伸載荷下整個(gè)焊趾截面的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖3c所示，因此計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)，式(1)中的參數(shù)t取實(shí)際板厚的一半，即5 mm。對(duì)于非承載角焊縫十字接頭而言，疲勞薄弱位置是焊趾截面，因此這里只給出焊趾位置結(jié)構(gòu)應(yīng)力與焊腳尺寸之間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。為了對(duì)比，圖中還給出了文獻(xiàn)[7]研究的相應(yīng)焊腳尺寸的承載角焊縫接頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖3 十字接頭幾何與有限元模型

由圖4可以看出，隨著焊腳尺寸的增加，非承載角焊縫接頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈單調(diào)上升趨勢(shì)，而承載角焊縫接頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力卻單調(diào)下降。這表明，增大焊腳尺寸會(huì)提高前者的應(yīng)力集中，反而使疲勞壽命降低，這與承載角焊縫接頭明顯不同。當(dāng)然也要看到，與后者相比，不同焊腳尺寸的非承載角焊縫接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化很小，比如k=s/t=1.8時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)只比k=s/t=0.3時(shí)高約5%，這說(shuō)明焊腳尺寸對(duì)該接頭的疲勞壽命影響并不大。

圖4 兩種接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力與焊腳尺寸的關(guān)系

兩種接頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力基本收斂于一個(gè)約為1.4的常數(shù)，說(shuō)明焊腳尺寸較大時(shí)，兩種接頭的疲勞性能接近。這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在對(duì)焊接機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞評(píng)估時(shí)予以關(guān)注，而不僅僅是將兩者視為兩種完全不同的接頭。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

文獻(xiàn)[11]已經(jīng)深入研究了焊腳尺寸對(duì)承載角焊縫接頭疲勞性能的影響。這里為驗(yàn)證上述關(guān)于非承載角焊縫接頭的數(shù)值計(jì)算和分析的正確性，設(shè)計(jì)不同焊腳尺寸的十字接頭試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試件幾何如圖5所示。試件板厚t=10 mm，焊腳尺寸分別為s= 5 mm，6 mm，8 mm，10 mm和12 mm，共5種。每種焊腳尺寸的試件個(gè)數(shù)為6個(gè)，總計(jì)30個(gè)。

圖5 試件幾何

所有試件母材均為AH36鋼，采用藥芯焊絲電弧焊(Fluxed-cored arc welding, FCAW)方法焊接。為了使疲勞試驗(yàn)結(jié)果更接近于工程實(shí)際，全部試件委托工廠按照實(shí)際生產(chǎn)所使用的工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化焊接。其中焊腳尺寸分別為6 mm和12 mm的兩種典型接頭宏觀形貌如圖6所示。

試驗(yàn)在MTS 200 KIPs通用液壓測(cè)試設(shè)備上完成，試樣均為原始焊態(tài)，不作任何處理。試驗(yàn)采用的兩級(jí)應(yīng)力水平分別為±105 MPa和±210 MPa, 加載頻率為12 Hz。

在BS 7608標(biāo)準(zhǔn)[8]中，非承載角焊縫十字接頭的疲勞等級(jí)為F級(jí)。為驗(yàn)證疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度，這里將疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)與BS 7608標(biāo)準(zhǔn)中的F級(jí)均值S-N曲線作對(duì)比，如圖7所示。

圖7中，虛線為BS 7608中的F級(jí)均值S-N曲線?？梢钥闯鲈囼?yàn)數(shù)據(jù)全部位于該條曲線右側(cè)，表明試件疲勞壽命顯著大于該條S-N曲線的預(yù)測(cè)值。造成這一結(jié)果的關(guān)鍵原因是該疲勞試驗(yàn)的加載條件與標(biāo)準(zhǔn)中的S-N曲線對(duì)應(yīng)的條件不同。BS7608標(biāo)準(zhǔn)中由拉-拉條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到S-N曲線，而該試驗(yàn)為拉-壓(R=-1)加載條件。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在計(jì)算焊趾截面的母材斷裂問(wèn)題的疲勞壽命時(shí)，需要進(jìn)行應(yīng)力修正。具體做法是將負(fù)應(yīng)力部分乘以0.6再計(jì)算應(yīng)力范圍。針對(duì)R=-1條件，得到的修正后的應(yīng)力范圍為實(shí)際應(yīng)力范圍的0.8倍。為便于比較，文中利用這一原則將BS 7608標(biāo)準(zhǔn)中提供的S-N曲線修正為R=-1條件下的曲線，即圖7中的實(shí)線。可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)位于修正曲線的兩側(cè)附近，證明數(shù)據(jù)可信，同時(shí)也表明在評(píng)估非承載角焊縫疲勞性能時(shí)進(jìn)行應(yīng)力修正的必要性。

根據(jù)應(yīng)力水平為±210 MPa時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果可以得到接頭疲勞壽命與焊腳尺寸之間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 疲勞壽命與焊腳尺寸的關(guān)系

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，具有較大焊腳尺寸的試件，其疲勞壽命反而較低，這與前文對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的分析結(jié)論一致，從而證明了結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法的可靠性。另外，與文獻(xiàn)[7]中的承載角焊縫接頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，圖5中的幾種不同焊腳尺寸試件的疲勞壽命的差別并不大，從試驗(yàn)的角度證明了焊腳尺寸不會(huì)顯著影響非承載角焊縫接頭的疲勞性能。因此，在非承載角焊縫的接頭設(shè)計(jì)和焊縫質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，可以適當(dāng)放松對(duì)于焊腳尺寸的要求。

3 裝配間隙與熔深對(duì)非承載角焊縫接頭疲勞性能的影響

為保證角焊縫具有足夠的有效承載面積和力學(xué)性能，需要限定板之間的裝配間隙。ISO 5817標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了從高到底不同焊縫質(zhì)量等級(jí)接頭的裝配間隙(圖9)限值如下：①B級(jí)：h≤0.5 mm + 0.1a, 且最大值2 mm;②C級(jí)：h≤0.5 mm + 0.2a, 且最大值3 mm;③D級(jí)：h≤1.0 mm + 0.3a, 且最大值4 mm。

圖9 角焊縫接頭的裝配間隙

為提高接頭疲勞性能，接頭設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)指定坡口尺寸以增大焊縫熔深。為從理論上研究這兩個(gè)參數(shù)對(duì)非承載角焊縫接頭疲勞性能的影響，這里仍然利用結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法對(duì)不同裝配間隙和焊縫熔深的接頭進(jìn)行分析。

以板厚t=10 mm，焊腳尺寸s=10 mm的非承載角焊縫十字接頭為研究對(duì)象，首先分別建立包含不同裝配間隙和焊縫熔深的平面有限元模型，其中裝配間隙h=2 mm，熔深p=3 mm的接頭1/4有限元模型分別如圖10所示。

圖10 含裝配間隙和熔深的十字接頭有限元模型

在水平板施加1.0 MPa拉伸載荷，分別計(jì)算不同裝配間隙和焊縫熔深時(shí)焊趾位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，結(jié)果如圖11所示。其中裝配間隙只計(jì)算到μ=h/t=0.5；而由于接頭幾何對(duì)稱，圖11中的ν=p/t=0.5即代表了全熔透焊縫。

圖11 結(jié)構(gòu)應(yīng)力與裝配間隙和焊縫熔深的關(guān)系

根據(jù)當(dāng)前的焊腳尺寸，質(zhì)量等級(jí)為B，C，D級(jí)的接頭對(duì)應(yīng)的相對(duì)裝配間隙(h/t)分別為0.12，0.19和0.31。由圖11可以看出，隨著裝配間隙的增大，接頭的傳力路徑有所改變，焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐步變小，表示其疲勞壽命反而增大，意味著標(biāo)準(zhǔn)里的判據(jù)并不適用于非承載角焊縫接頭。而從絕對(duì)數(shù)值來(lái)看，圖中應(yīng)力最多只降低不到3%，表明裝配間隙也不是顯著影響該類型接頭疲勞壽命的參數(shù)，在進(jìn)行焊縫質(zhì)量等級(jí)檢測(cè)時(shí)，該參數(shù)也可以適當(dāng)放松。

圖11顯示，隨著焊縫熔深的增加，結(jié)構(gòu)應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化，表明熔深對(duì)接頭的疲勞性能基本沒(méi)有影響。這一特征也與文獻(xiàn)[7]中承載角焊縫接頭的結(jié)果有明顯差異，說(shuō)明接頭的應(yīng)力集中特征與其受力特點(diǎn)關(guān)聯(lián)性很大，也體現(xiàn)了進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)時(shí)考慮接頭受力特征的必要性。

4 結(jié)論

(1)非承載角焊縫接頭的焊腳越大，應(yīng)力集中增加，疲勞性能反而越低，因此接頭設(shè)計(jì)可以選擇較小的尺寸，質(zhì)量檢測(cè)時(shí)也可以適當(dāng)放松對(duì)這一參數(shù)的要求。

(2)非承載角焊縫接頭的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)過(guò)應(yīng)力修正的F級(jí)S-N曲線吻合，證明了進(jìn)行疲勞性能評(píng)估時(shí)進(jìn)行應(yīng)力修正的必要性。

(3)裝配間隙和焊縫熔深對(duì)非承載角焊縫接頭的疲勞性能影響很小，在定義焊縫質(zhì)量等級(jí)時(shí)可適當(dāng)放寬標(biāo)準(zhǔn)。

(4)細(xì)節(jié)特征對(duì)接頭性能的影響程度與接頭受力狀態(tài)直接相關(guān)。因此，在接頭設(shè)計(jì)和焊縫缺欠質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮接頭在結(jié)構(gòu)中的受力狀態(tài)，從而制定合理的控制參數(shù)。這對(duì)于降低結(jié)構(gòu)制造成本有重要的工程價(jià)值。