探讨焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用

摘要：现代科学技术的不断发展，不仅提高了社会发展的速度，还给人们的生活带来方便，与此同时，焊接成为结构连接的一个主要连接方法。随着焊接结构的广泛应用，焊接结构的疲劳失效问题越来越受到关注。本文分析了引起焊接结构疲劳失效的原因以及预防措施，为提高焊接结构的抗疲劳能力提供指导意义。

关键词：焊接结构; 抗疲劳; 优化设计；应用

中图分类号：S611文献标识码： A

结构可靠性的研究起始于20世纪40年代，当时主要是围绕飞机失效进行研究，随着科学技术的发展，结构的安全程度评价也受到各个领域的重视。焊接结构已经广泛的应用在航天、电力、机械、船舶、车辆、铁路等各个生产工程领域，尤其是在钢铁结构的接连中，焊接结构已经占钢铁使用量的50%，其中发达国家已经达到了 70%。焊接结构是一种联接各个部件既有效而又经济的连接方式，它在不削弱构件截面的条件下，将两个构件实现无缝结合，既节省材料，而且易于加工和实施，便于日常生产。然而，焊接过程中也会产生各种缺陷，焊接结构70%~90%会由于疲劳失效发生断裂事故，因此，研究焊接结构的抗疲劳技术具有重要意义。

一、焊接结构疲劳失效的产生原因

影响焊接结构疲劳强度的原因有很多，焊接缺陷、接头类型、焊缝形状与残余应力等都是影响焊接结构疲劳失效的原因。焊接缺陷主要是指焊接后出现裂纹、焊接中清理不彻底出现夹渣、焊接不完全产生气孔和咬边等等，这些焊接缺陷都有可能引发疲劳裂纹。焊接接头一般有对接、十字接、T形接和搭接等类型，不同的接头类型有不同的应力承载能力。焊接形状不同应力集中系数也不相同，因此疲劳强度具有较大分散性。

在实际的生产中，焊接结构疲劳失效的原因有以下几点：

1.在选择焊接接头材料时，一般我们都尽量选择和母材一致的材料。如果母材材料不够时选用其他备用材料代替母材进行接合。两者接合时其各自的承载能力不一致，因此焊接接头类型和焊接结构形式是引起焊接接头疲劳失效的一个重要因素。

2. 焊接疲劳设计包括焊接接头设计、焊接结构类型、焊接形状选择等，如果不合理的焊接疲劳设计，也会造成焊接疲劳失效。

3. 每一种材料的焊接结构疲劳设计准则和结构要求都不一样，如果焊接人员对焊接结构的疲劳性能不够了解，错误地照搬其他金属结构的疲劳设计，也会造成疲劳失效。

4. 焊接结构一味追求低成本和低重量也会造成焊接结构疲劳失效。

5. 焊接技术水平的高低直接影响着焊接结构的疲劳，因此焊接结构的科研和技术水平决定着焊接结构的发展趋势。

二、焊接结构抗疲劳设计中两个因素

由于焊接结构的复杂性和技术的专业性要求，焊接疲劳寿命的影响因素也更为复杂，但是总结起来，也就是“内因”和“外因”、“绝对”和“相对”两个主要因素。

1.“外因”与“内因”

外因是指焊接结构外部的荷载变化。这些荷载可能随机变化，也可能受温度、湿度等原因影响发生改变。因载荷而导致的应力变化范围的微小增长，都将导致疲劳寿命的高度非线性下降。

内因，指的是焊接结构自身的抗疲劳能力。焊接结构疲劳寿命与应力范围时非线性的双曲线型关系，微小的应力变化都会导致焊接结构疲劳寿命的变化，而且两者的变化方向相反。

2.“绝对”与“相对”

以前我们在抗疲劳设计过程中，一般都是通过数值仿真计算来达到抗疲劳设计，许多人认为“焊缝上的疲劳寿命是算不出来的”，甚至以某些日本人的焊疲劳试验是唯一手段”为理由而排斥或拒绝计算，而事实上，焊缝焊缝上的疲劳寿命是一个概率问题，只有统计意义上的解。焊接结构计算寿命的模型有一定的置信度，就会有意义的解，设计人员可以通过“相对比较”而确认哪一些焊缝将来有可能会出问题。

三、焊接结构抗疲劳优化措施

1.降低应力集中

应力集中是焊接结构疲劳失效的主要原因，因此，解决焊接结构疲劳失效的一个措施就是降低应力集中现象发生。

（1）焊接形状有多种，一般为了降低应力集中我们应当尽量减少断面中的尖角或者拐角，选用曲率半径较大的圆弧形状。

（2）焊接结构设计规划时，应让母材、焊缝、接合体的承载均匀一致，避免焊缝处荷载过大或者接合体与母材的承载能力不一致现象，防止局部承受载荷集中。

（3）对接接头的合理设计也是以降低应力集中为目的，尽量选用对接方式，避开尖角拐角，尽可能地减小对接接头焊缝余高，焊后最好能够磨平。在焊接过程中，尽量连续焊接，如果断续焊接，焊缝各位置的应力分布不均匀，会导薄弱地区应力集中，造成焊接结构疲劳破坏。

2. 降低焊接残余应力

焊接残余应力可以通过结构设计和焊接工艺措施等加以调节和控制。

（1）焊缝设计过程中，尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。焊缝的数量与应力场的大小成正比，焊缝的间距应当合理设置，若果过密或者过疏，会导致应力分布不均匀。可以采用较小的焊缝形式，减小残余应力的存在。

（2）焊接残余应力是由于焊缝区金属的纵向和横向收缩不均匀引起的。不同的焊接技术对于余应力影响较大。一般我们会让焊缝自由收缩，使焊缝在较小的约束力下进行收缩，从而减小焊接余应力。

（3）用木锤、橡皮锤、紫铜锤等敲击焊接结构的合适部位，可以激起结构的共振效应，会使金属材料内部晶体产生错位，减小焊接结构的固有频率和振动幅度，起减振作用。有些实际生产过程中用手锤均匀均匀有频率地敲击焊缝，就是为了促使金属产生塑性变形而快速硬化，产生共振减小表面的残余压应力，以此提高焊接结构的疲劳强度。

（4）有些焊接结构接合时两个物件高度不一致，产生余高，通过打磨焊缝的余高可以有效降低余应力。通过模拟计算和评价，可以确定出焊缝的危险区，通过调节危险区的残余应力，可以提高焊接疲劳强度。在这些焊缝危险区，可以提醒我们避免焊缝不连续等现象。还有一种方法有利于提高焊接疲劳强度的残余压应力场，那就是局部加热。

3.焊接缺陷妥善处理

提高焊缝质量、严格控制各种缺陷是提高接头疲劳强度、延长使用寿命的重要手段。

（1）对焊缝进行整体磨光，不仅可以改善焊缝的形状参数，而且可以彻底消除焊缝的表面缺陷，因而可以大幅度提高焊缝的疲劳强度"对角焊缝进行磨光，也会产生类似的效果，但是工艺比较复杂，这是因为角焊缝被整体磨光后，必须确保规定的焊缝尺寸。

（2）局部磨光是用砂轮打磨焊趾附近区域，以改善焊缝几何参数的方法。与整体磨光相比，局部磨光在很大程度上减小了工作量，并且基本上获得与整体磨光提高疲劳强度相近的效果"用这种方法磨光，不但焊缝几何形状得到了改善，而且使焊趾附近部位变得光滑圆顺，消除了在受载过程中成为应力集中的缺陷，从而可以提高焊接结构的疲劳强度。

4. 改善材料组织

通过提高母材的冶金质量和焊缝金属的质量，可以增强焊接结构的疲劳强度。为了保证纯度，重要构件可采用真空除气!真空冶炼等材料加工工艺。为了提高疲劳寿命，可以在室温下细化晶料，并且通过热处理来获得最佳的组织状态。材料的塑性变形可以吸收变形功、削减应力峰值，使得高应力重新分布的同时，可以使得缺口和裂纹尖端得以钝化，裂纹的扩展速度得到缓和甚至停止，可以通过改善材料组织，将材料的强度、塑性和韧性合理配合，提高材料的塑性和韧性，从而可以改善其抗疲劳的能力。

四、结语

在我国，焊接结构抗疲劳设计是一个一直没有得到很好解决的难题。焊接结构的抗疲劳设计不仅需要专业的技术，而且还需要有焊接人员的高度耐心和责任心，除此之外，前沿的科技力量也是不可缺少的。我国焊接技术科研方面还比较薄弱，在当代机遇与挑战并存的时代，我们应当集中力量搞科研，学习国外先进技术，带动我国焊接技术不断向前发展。

参考文献

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