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第43卷第6期 2015年l2月 现代冶金 Modern Metallurgy Vo1．43 No．6 Dec．2O15 焊接接头疲劳行为研究 许科华，张国珍 (江苏法尔胜泓异集团有限公司，江苏江阴 214446) 摘要：为了研究焊接接头的疲劳行为和焊接疲劳裂纹在焊接接头不同区域的扩展规律，设计了焊接接头的轴向疲 劳试验和疲劳裂纹扩展试验。通过轴向疲劳试验，得出了在不同条件下的S-N曲线和S—N方程；通过疲劳裂纹扩 展试验，得出疲劳裂纹扩展的门槛值，以及从疲劳裂纹产生到失效的疲劳寿命。 关键词：焊接接头；轴向疲劳；疲劳裂纹扩展 中图分类号：TG405 引 言 现在的钢结构失效案例中，大多是因为疲劳问 题引起的。疲劳破坏都是在交变载荷的作用下产生 的，它的整个过程包括裂纹的产生、裂纹的扩展及瞬 间破坏的过程[1]。桥梁钢桥面板是由桥梁钢焊接而 成的，对于整个焊接结构件来说，它的焊接接头就有 可能是整个构件中的薄弱环节，在日常的桥梁运行 中，由于车流和风力等的作用，桥梁用钢处于变动载 荷下工作。而且由于车辆行驶部位的随机性，桥梁 面板各个部位的受力状况在不断的变化而且是各不 相同的。这种不断变化的应力相当于是在对桥梁结 构进行疲劳破坏，随着时间的推移，在某些薄弱结 构，如焊接接头处，就容易产生疲劳裂纹，并随着疲 劳裂纹的扩展，最终导致桥梁的损坏。近年来，由于 这种失效而导致的桥梁破坏比比皆是，造成了很大 的经济损失。如1994年1O月21日，韩国圣水大桥 突然断裂，断裂段塌入江中，导致了32人丧生的严 重后果，这次事故的一个主要原因是设计工艺存在 先天的缺陷，焊接接头全部被盖板盖住，影响了对焊 接接头疲劳裂纹的发现。 焊接接头疲劳试验 焊接接头的疲劳试验，主要分两部分进行：第一 部分在16 kJ·cm_。，20 kJ·cm 和36kJ·cm 三种热输入量条件下，针对不同应力载荷进行疲劳 试验，分别绘制S—N曲线，并通过回归分析得出它 们的疲劳曲线方程，试验参数如表1所示；第二部分 主要研究疲劳裂纹在焊缝区、热影响区和母材的扩 展规律，分别得出它们的Paris方程，并估算出构件 的剩余寿命。 表1疲劳试验参数 d ／MPa 240 240 240 240 240 240 240 240 240 (d +d。)／MPa 440 42O 4lO 400 390 382 380 376 370 2焊接接头应力疲劳行为 随着疲劳试验研究的不断发展，有限寿命设计 已经成为一些大型构件包括大型桥梁的一个重要方 法[2]，这就要求有可靠准确的疲劳性能数据。疲劳 强度一般包括疲劳极限强度和条件疲劳强度，试样 抵抗无限多次的应力循环而不断裂的强度称为极限 疲劳强度，而在经历规定多次的疲劳时试样不发生 疲劳破坏的强度，则称作条件疲劳强度，条件疲劳强 度是在指定的疲劳寿命时通过S—N曲线方程确定 的，因而得出准确的S-N曲线并推导出疲劳曲线方 程具有很重要的意义。 收稿日期：2015—08—13 作者简介：许科华(1979一)，工程师。电话：13912456465；E-mail：35505038@qq．corn a— 一∞∞ ∞∞铊∞ ∞ ／一2 1 1 l 1 1 1 1 1 d一 盟 。 第4期 许科华，等：焊接接头疲劳行为研究 2．1 焊接接头S—N曲线 表2是在三个不同热输入量下的疲劳试验数据 和结果计算，通过这些数据绘制出不同热输入量下 的S—N曲线如图1所示，根据这些可以看出 Q345qD的疲劳极限强度和焊接工艺中的热输入量 有一定的关系，在热输入量为16 ld·cm叫和20 在应力幅为130 MPa时，试件达到3 000万次而没 有发生疲劳破坏，而热输入量为36 kJ·cm矗1时，当 应力幅为122 MPa时在疲劳次数为9 944 308次发 生疲劳破坏，继续降低应力幅，在应力幅为105 MPa 时，试件达到3 000万次而没有发生疲劳破坏，根据 S_N曲线，热输入量为16 kJ·cm-1和2O kl·cm 条件下的疲劳极限强度都为376 MPa，这个数值比 kJ·cm-1时，当应力幅在140 MPa时，试件的疲劳 较接近屈服强度，而36 kJ·cm 条件下的疲劳极 次数超过1 000万次才发生断裂，继续降低应力幅， 限强度为355 MPa，与屈服强度相比有一定的下降。 表2疲劳试验数据 图1 S-N曲线 2．2焊接接头疲劳方程 对于S—N曲线，常规的通用表达式为 S一 ×(2N，) (1) L为疲劳强度指数 ，为疲劳强度系数；N，为 疲劳次数；S为疲劳峰值应力。 对式(1)两边取对数，得到下式的疲劳曲线方程 lgS—lga，+Llg(2 N，) (2) 式中 S和N，都已经在表2中给出，设定疲劳曲 线方程的基本形式如下式 Y一口+bx (3) 式中 Y代表lgS， 代表lg(2 N，)。y和z的值可 以根据表2中给出的数据算出，根据这些值利用最 小二乘法回归出疲劳曲线的疲劳曲线方程。具体见 下式： 16 kJ·cm_。： S一612×(2N，) 。。 (4) 20 kJ·cm_。： S=643×(2N，) ·。。¨ (5) 36 kJ·cm_。： S一629×(2N，) ·。。 。 (6) 根据所得到的S—N方程，绘制lg(2N，)一lgS瞳 线如图2所示。根据图2可以看出，在相同的应力 水平下，热输入量为20 kJ·cm_1所能承受的疲劳 次数最多，而36 kJ·cm 所能承受的疲劳次数 最少。 图2 lg(2N，)一lgS曲线曲线 2．3焊接接头疲劳断口分析 · 疲劳断口是指结构件在疲劳断裂后形成的断裂 表面，该断裂面一般由三个区域组成，它们分别是： 疲劳源、裂纹缓慢扩展的疲劳裂纹扩展区以及瞬间 O O O O O O O O O O O O 舵仉∞ “ 弘 日 ＼备gb 第4期 许科华，等：焊接接头疲劳行为研究 同[5]。本次试验利用SE(B)试样对焊接接头的母 材、焊缝金属和热影响区进行疲劳裂纹扩展试验。 在试验的过程中，疲劳裂纹的扩展速率同步测定，通 过计算确定出在三个区域Paris公式中的C和m 值，模拟出各个区域的da／dN-△K曲线，通过最小 二乘法回归出了da／dN-△K方程并确定了疲劳裂 纹扩展的门槛值。 3．1疲劳裂纹扩展曲线 本试验采用的平均载荷为8 kN，交变载荷为 7．2 kN，在试验过程中疲劳裂纹每扩展0．5 mm左 右记录一次疲劳次数，疲劳裂纹扩展长度的读取用 手持式数显显微镜读取，整个试验过程中试验频率 在1O5～ll0 Hz之间变化。根据记录下的疲劳裂纹 在焊缝金属、热影响区和母材的扩展数据，利用 Originpro软件绘制a-N曲线，具体如图7所示。 50 000 45 000 40000 35 o0O 3O 00O 25 000 2O0oO 15 0oo 1OOoo 5 ooO O 一5 Ooo 3 4 5 6 7 8 9 10l11213 1415 1617 a／n吼 图7矿N曲线 从图7上可以看出，在疲劳裂纹扩展相同长度 的情况下，母材区域的疲劳次数是最少的，热影响区 次之，焊缝区的疲劳次数是最高的，说明疲劳裂纹在 焊缝区扩展的抗力比其它区域都大，裂纹的扩展速 度最慢，而在母材区域，裂纹的扩展速度却是最 快的。 3．2疲劳裂纹扩展及寿命预估 为了更好的说明裂纹在焊缝区、热影响区和母 材的扩展规律，通过a-N曲线拟合出da／dN-AK 和lgda／dN-lgAK曲线，具体如图8和图9所示。 从图8和图9可以看出，疲劳裂纹在母材、热影 响区和焊缝区的扩展速度是不一样的，其中在母材 区域，裂纹的扩展速度最快，而在焊缝区，裂纹的扩 展速度是最慢的，而且，母材区域的疲劳裂纹扩展速 度随着△K的增加，它的速度增量比较大，而焊缝 区和热影响区却基本相同。 疲劳裂纹在中速扩展区的曲线基本上是呈线性 的，该区域的疲劳裂纹扩展速率可以用Paris公式 -2．4 -2．6 -2．8 -3．O -3．2 -3．4 一3．6 -3君． -4．2 一_4．4 -4．6 -4．8 —5．0 -5．2 —5．i 图8 da／dN-△K的关系曲线图 图9 lgda／dN-lgAK关系曲线图 表刁 。 da／dN—c△K (7) 式中 m，C为材料常数；△K为应力强度幅值； da／dN为疲劳裂纹扩展速率。 根据国家标准GB／T 6398—2000，SE(B)试样的 △K计算公式见下式 △K一 [2．9口 一4．6a。 +21．8口 。一37．6a 。+38．7口。 ] (8) 式中B为试样厚度(mm)；W为试样宽度(ram)； S为跨距(mm)；△P为力值范围(N)；Ot=a／W在高 速扩展区，是疲劳裂纹快速扩展的一个区域，进入这 一区域，试样将很快就会失稳破坏，对于整个疲劳寿 命周期来说，这一阶段可以忽略不计。 对Paris公式两边取对数得到下式 Lgda／dN—lgc+mlg／hK (9) 通过回归计算，可以得出母材、热影响区和焊缝 区的Paris方程，如下式： 母材区Paris公式为da／dN=3．49×10 ×△K4’” 。 (10) 热影响区Paris公式为daMN=9．03×10 ×△ ‘嘲 (11) ∞ ∞ 加：2 m ∞ O O O O O O 0 O 0 鲫∞吣∞∞∞ O O O O 0 O 0 O O ^ ．g哪J 弓、等 34 现代 冶金 第43卷 焊缝区Paris公式为da／dN=1．75×1O叫 ×△K ”。 (12) 一般认为，da／dN~10 mm时，可以认为裂纹 是不扩展的，所以把da／dN≤10 mm时的△K值 确定为疲劳裂纹扩展门槛值△K 。通过计算，母材 区疲劳裂纹门槛值△K【h为35．24 MPa·m ，热影 响区疲劳裂纹门槛值△Klh为42．85 MPa·m ，焊 缝区疲劳裂纹门槛值△K h为48．08 MPa·m“。。 如表3所示。 表3 AK值 KIc／(MPa·rll 。)△Kth／(MPa·m ／。) 把式(1o)～(12)变换为如下形式： dN—da／(3．49×101 ×△K ·“ ) (13) dN—da／(9．03×10 X AK ＆。 ) (14) dN—da／(1．75 x 1O_。×△K · ¨。) (15) 设定疲劳裂纹扩展到10 mm时认为构件失效， 把式(13)～(15)两边积分，得到母材区域从裂纹产 生到最终失效的疲劳寿命N一8．94x 10 次；热影 响区从裂纹产生到最终失效N一4．62×1O 次；焊 缝区从裂纹产生到最终失效N一1．01×1O。次。 4 结 论 (1)Q345qD焊接接头疲劳试样的疲劳极限与 热输入量有一定的关系，热输入量为16 kJ·cm 和20 kJ·cm 条件下的疲劳极限强度都为376 MPa， 这个数值比较接近屈服强度，而36 kJ·cm 条件 下的疲劳极限强度为355 MPa，与屈服强度相比有 一定的下降。 (2)根据疲劳试验数据进行回归，得到16 kJ·cm_。，20 kJ·cm 和36 kJ·cm 三种热输入 量情况下的的 N曲线方程，它们分别为： S一612×(2N r) ·∞¨ ，S一643 X(2N，) ·∞¨ ，S =629×(2N，)一。·。。 0。 (3)通过对裂纹扩展疲劳裂纹扩展试验，得出母 材△K h一35．24 MPa·m“ ，从裂纹产生到最终失 效的疲劳寿命N一8．94×10 次；热影响区△K 一 42．85 MPa·m“。，从裂纹产生到最终失效N一4． 62×lO 次；焊缝区△KIh一48．08 MPa·rn“。，从裂 纹产生到最终失效N一1．O1×l0 次。 参考文献： [1]郭春华，任伟平．焊接钢桥结构细节疲劳裂纹成因及 解决对策[J]．铁道建筑，2O11，(4)：18-一21． [2] 姜苏．基于断裂力学的正交异性钢桥面板与纵肋焊接 细节疲劳寿命评估rD]，西南交通大学，2o14． 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