轨道车辆焊接结构抗疲劳设计过程中的认识误区
2016-09-26兆文忠李季涛方吉
兆文忠,李季涛,方吉
(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*
轨道车辆焊接结构抗疲劳设计过程中的认识误区
兆文忠,李季涛,方吉
(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*
针对当前轨道车辆制造行业内在焊接结构的疲劳失效治理上出现的认识问题，论文从理论与方法上将这些问题归纳为五个认识误区：将用于金属疲劳强度设计的理论用于焊接结构；将用于母材的修正Goodman图用于焊接结构；认为提高母材的屈服强度使焊接接头的抗疲劳能力也提高；认为焊接质量问题应该为焊接结构的疲劳失效负主要责任；认为焊接结构残余应力也应该为其负主要责任.针对这些理论与方法上的认识误区，论文重点讨论了一个有助于澄清这些认识误区的重要理论基础——基于焊接结构疲劳失效机理的、已经写进美国标准的预测焊接结构疲劳寿命的结构应力法，其中包括有能力识别焊缝上应力集中的结构应力的力学内涵，以及基于裂纹两阶段扩展模型的疲劳寿命积分.最后，论文用一个发生在某高速动车组转向架上焊接吊架的疲劳隐患治理，证明了扎实的理论基础是澄清上述模糊认识的一个必要条件.
轨道车辆；焊接结构；疲劳寿命；认识误区；结构应力法；疲劳隐患治理
0 引言
焊接结构在轨道车辆产品中扮演了一个极为重要的角色，主要是由于焊接结构具有许多独特的优点，然而焊接结构也存在一些不足的地方，如焊接结构的抗疲劳能力明显低于母材，焊接接头一直是轨道车辆结构系统可靠性中的薄弱环节之一，发生在焊缝上的一系列疲劳失效案例已经证明了这一特点.
面对焊接结构疲劳失效问题，多少年来我国轨道车辆制造行业从上到下一直在努力治理，并且取得了一定进展确保了轨道车辆的服役安全，但同时依然还存在一些认识上的误区，假如我们能从这些认识误区中尽快地走出来，治理效果将可能会更好一些.
1 认识误区
1.1认识误区之一：将用于金属疲劳强度设计的理论用于焊接结构
以原铁道部1996年颁布的标准《铁道车辆强
度设计及试验鉴定规范》(TB/T1335- 1996)为例：在这个标准中的“车辆主要零部件疲劳强度评估方法”一节中，它首先指出：“本方法是铁道车辆主要承载零部件或构件的疲劳分析指南，适用于各型铁道车辆的主要承载件的疲劳评估”[1]，可见该标准的内容并不区分被评估的对象是否是焊接结构.事实上，焊接结构的疲劳强度设计理论与方法与金属疲劳强度设计的理论与方法不同，其理由是它们疲劳破坏的机理不同，二者不可互相替代.
在定义疲劳寿命时，该标准认为疲劳寿命是“构件疲劳裂纹萌生寿命与裂纹扩展寿命之和”，然而焊接结构的疲劳开裂过程中并没有裂纹萌生阶段.
比较而言，金属疲劳研究要回答“裂纹从何处萌生？”，而对焊接接头来说，它不需要回答这个问题，它没有裂纹萌生过程，图1是美国空军对一个看似完美的焊缝的放大观察，结果发现在原始焊态的焊缝上“大于零”的微裂纹是客观存在，焊趾处是这样，未焊透的焊根处也是这样[2].简言之：
金属疲劳三阶段——裂纹萌生、裂纹扩展、开裂；
焊接接头两阶段——微裂纹被选择以后的裂纹扩展、开裂.
图1 不同放大倍数下观察到的同一个焊缝中的细节
注意：微裂纹选择阶段(由应力集中控制)寿命很短；裂纹扩展阶段(由应力强度因子控制)寿命最长；断裂阶段(由断裂韧性控制)的寿命最短.
1.2认识误区之二：将用于母材的修正Goodman图用于焊接结构
在评估金属材料(焊接接头母材)的疲劳寿
命时，使用的是考虑应力比R(一次循环中最小应力与最大的应力比)的“修正的Goodman图”.即认为疲劳极限随不同的R值变化.后来原铁道部又颁布了一个关于车辆强度设计的一个暂行规定，然而在这个暂行规定中它依然将用于金属疲劳的理论与方法用于焊接结构.
事实上，英国焊接研究所的疲劳试验数据早已经证明：修正Goodman图用来处理焊接结构的疲劳强度问题是不恰当的，至少一个理由是平均应力对焊接接头疲劳寿命的影响看不到；第二个理由是R的影响看不到；第三个理由是基于名义应力的S-N曲线斜率相同，而金属疲劳问题不是这样[3- 4].图2是不同R值得试验数据，数据表明虽然R值不同，但是均落在一个窄带里了.图3是5个不同平均应力的试验数据，数据表明虽然平均应力水平不同，但是也落在同一个窄带里了.图4与图5则表明焊接接头疲劳等级不同但是它们的S-N曲线斜率相同.
图2 R值不同的试验数据
图3 不同平均应力的试验数据
图4 金属材料S-N曲线斜率与焊接接头S-N曲线斜率的对比
图5 互相平行的焊接接头的S-N曲线族
1.3认识误区之三：认为提高母材的屈服强度使焊接接头的抗疲劳能力也提高
这也是一个常见的误区.国内轨道车辆制造工厂的有些设计人员或决策部门在力图提高焊接结构的抗疲劳能力时，常倾向于选用屈服强度高的母材，他们误认为高屈服强度母材的焊接接头的抗疲劳能力也必然随之提高.对于金属疲劳问题，这一点观点是成立的，例如文献《抗疲劳设计—方法与数据》[5]中曾用试验数据证明了“材料的疲劳极限与材料的抗拉强度之间有着较好的相关性”，甚至给出了一个近似估算公式：
结构钢：σ-1=38+0.43σb(MPa)
然而对于焊接结构来说，这一观点是不成立的.假如持有这一观点的人能有机会阅读一下英国1993年颁布的标准：BS7608《Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures》(钢结构疲劳设计与评估实用标准)[3]，他们就有可能不被误导，因为BS7608标准已经用数据明确证明：它所提供的焊接接头的S-N曲线数据对屈服强度低于700 MPa以下的结构钢都适用，这就意味着：同一个焊接接头，只要使用的母材的屈服强度低于700 MPa以下，例如屈服强度为345 MPa的Q345与屈服强度为435 MPa的Q435，它们的S-N曲线数据是没有区别的.关于这一点，国际焊接学会(IIW) 在2003年甚至将这个屈服强度范围提高到了960 MPa[4].
可以简单地用图6所示的那样给出一个解释：疲劳载荷相同、几何形状也相同的焊接接头的抗疲劳能力仅由它产生的应力集中控制，而应力集中的或高或低则不由母材的屈服强度控制[2]，而图7则是用4组数据证明了这一点.
图6 疲劳应力工作区间与母材屈服强度无关
图7 母材屈服强度对S-N曲线数据影响的试验数据
1.4认识误区之四：认为焊接质量问题应该为焊接结构的疲劳失效负主要责任
的确，在过去很长的一段时间里有过这样的教训，焊接质量很差，焊接缺陷严重而导致一些焊缝短时间内疲劳失效.在吸取质量上的教训之后，现阶段焊接质量已经有了明显的改善，出厂质量严格把关，但是疲劳失效问题还继续发生，例如图8所示的某动车组设备舱裙板焊接支架上焊缝的疲劳开裂就是其中的一个典型案例.非常严格的检查表明该处焊接质量没有任何问题，然而服役不久还是出现了疲劳失效问题.这个案例表明：将应力集中产生的原因简单地归结为焊接质量是不完整的.应力集中可以产生于制造阶段，但是也可以产生于设计阶段，不同的阶段应该有不同的责任，虽然逻辑上责任问题不是一个科学问题，但是责任不清导致治理上的错位也不可掉以轻心.
图8 裙板支架焊缝疲劳开裂
1.5认识误区之五：认为焊接结构残余应力也应该为其负主要责任
关于焊接结构残余应力本身，国内许多焊接专家的著作中对残余应力产生的机制都有过详细的阐述，一致认为焊接结构内部存在着相当复杂的残余应力.简言之，是焊接变形的互相妥协而导致的应力牵制.
关于残余应力的存在对焊接结构疲劳强度的影响究竟有多大，这的确让我国甚至国外的许多研究者困惑很久.围绕这一问题的研究文献很多，但是它们的看法并不一致.为此，日本的增渊博一在他1985年出版专著《焊接结构分析：Analysis of Welded Structures》中就曾这样评论过：“残余应力如何影响疲劳强度仍然是科学家争论的问题”[6].
为什么科学家会对这个问题有如此的争论呢？一个合乎逻辑的感性推理是：在很高的焊接残余拉应力客观存在时，人们会很容易地产生这样的一种感觉：当它在焊趾上与外加的拉伸应力叠加以后，一定会加速疲劳失效的进程，这自然不利于疲劳强度.例如，有的文献就曾经这样认为：“应力集中和焊接残余应力是影响焊接接头疲劳强度的两个最主要的因素，焊接过程常常产生拉伸残余应力，拉伸残余应力相当于增加了拉伸平均应力，一般会使疲劳强度降低.因此，采用热处理方法消除或减少残余应力，可以提高焊接接头的疲劳强度”.关于用热处理的方法消除或减少残余应力以提高焊接接头的疲劳强度的讨论，这也是一个有争论的话题，不过本文暂且将这个话题搁置，留待以后交流.
不用浏览太多的文献，类似的看法就可以看到很多.然而，在谈到残余应力对疲劳寿命或疲劳失效到底有什么样影响时，英国焊接研究所的T.R.格尼博士在他的专著《Fatigue of Welded Structures》[7]中曾有过这样一段精彩的描述：“把焊接结构发生的破坏，归咎于残余应力的影响，这种看法并没有几年，但是最近的研究已经趋向于要证明这种观点是一个误解，即使在某些情况下残余应力无疑会有危害，但它们并不总是要负主要责任.
那么，残余应力对焊接结构的疲劳强度的影响到底是很大还是很小？看来要想给出一个让人信服的答案，第一，需要用足够的试验数据来说话，在这一点上，董平沙教授拥有当今世界上规模最完备的焊接接头疲劳试验数据库.根据这些数据，他给出了一个理性的答案：“过去数量较少的试验数据不足以给出规律性结论，通过大量的统计数据表明，与应力集中相比较，残余应力对焊接结构疲劳失效的影响并不显著，而且残余应力的影响表现在试验数据里而不需要另外考虑；第二，作为平均应力的残余应力不是影响疲劳结果的主要参量，也需要理论上的证明，在这一点上，美国ASME标准(2007)中给出的疲劳寿命估算公式，残余应力的贡献是看不到的.关于这一点，法国2012年给出的标准也给出了明确的结论：“一般条件下, 对于焊接引起的残余应力效应是不需要考虑的，通过对数千个小试样和实物试验数据分析, 只有极少数数据表明高平均载荷效应的影响，如近期的FPSO小尺寸试验, 试验中分别使用了50%和85%名义屈服强度作为平均应力”[8].
2 基于焊接结构疲劳破坏机理的理论与方法
为了澄清上述认识误区，认真消化与吸收董平沙教授的研究成果极为必要，因为董平沙教授已经明确指出[9- 16]：
(1)与金属疲劳现象不同，焊接接头的疲劳失效模式是确定的，即它可能从何处开始出现裂纹是可以事先预判的；一旦出现裂纹，裂纹的扩展方向也存在一定的规律，即存在以下两种失效模式：一种是板破坏，称为模式A，起始点可能在焊趾或焊根处，依赖于焊接接头的具体形状；另一种是焊缝破坏，称为模式B，它穿透焊缝而破坏;
(2)只要有放大倍数足够强大的观察手段，一定能观察到焊趾、焊根处在外载荷施加之前已经有微小裂纹存在，因此断裂力学的理论可以直接用来计算焊接接头裂纹的扩展寿命.
考虑到焊接接头上应力分布的高度非线特征，董平沙教授将这个非线性应力分解为两部分，如图9所示：一是与外载荷平衡的结构应力；二是自平衡的缺口应力.结构应力是一个非常重要的力学概念，它不仅可以用来描写焊缝上的应力集中，同时也为断裂力学理论的度量裂纹扩展的Paris公式的执行提供了入口.
图9 截面内的应力分解示意
由于Paris公式已经指出给定材料常数以后裂纹扩展速率仅与应力强度因子△K值有关，因此与结构应力、缺口应力的定义对应，K值的估计也对应处理为：无缺口应力影响的K解以及有缺口效应的K解.
(1)无缺口应力影响的K解
对于一个具有板边裂纹的二维断裂力学试样，不考虑缺口效应的I模式(张开型)的应力强度因子Kn可以使用叠加原理求得：
(1)
式(1)中的参数是众所周知的关于a/t的无量纲函数，适用于膜和弯曲分量，在许多断裂力学手册里都可查到.
(2)有缺口效应的K解
自平衡应力反映了缺口效应的影响，且不影响牵拉伸状态下假定裂纹平面的整体平衡.但是，当裂纹无限小时的应力状态下的自平衡的应力分布将扩大，从而使局部应力强度控制裂纹的扩展.为了使应力状态下的自平衡与应力强度因子求解相关联，从叠加原理的角度，在假定的裂纹面上(实际上并不存在)需要定义一个等效的裂纹面上的压力.为了实现这一目的，假定由缺口引起的自平衡分应力可以通过任意深度条件下的等效平衡牵拉力求得.历经一个较为复杂的推导过程，包括缺口效应的I模式的应力强度因子在任意给定的裂纹大小a以后的表达式为：
(2)
(3)关于特征深度与裂纹扩展的两阶段模型
董平沙教授的研究认为：如图10所示，局部缺口应力效应只在a/t≤0.1时表现得才比较明显，即应力强度因子求解只在a/t≤0.1时受缺口效应影响，在此特征深度以后，平衡远场应力的应力强度因子的变化比较显著.
