延长焊接接头疲劳寿命的方法

2018-06-08吴连强

电焊机 2018年5期

吴连强，陈强，王磊

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

0 前言

疲劳寿命的长短直接影响焊接节点的使用寿命，进而影响工件或设备的使用年限，因此如何延长疲劳寿命的方法一直是焊接界的重点研究方向。提高焊接接头的疲劳寿命可以从多方面入手，如：改善工艺技术，增加母材厚度，改变接头设计等。本研究分析了当书面工艺获得工程师批准后，通过调整关键性的焊缝外观细节来提高焊接接头疲劳寿命的方法。

1 疲劳寿命

1.1 定义

受交变应力（或应变）作用的零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力（或应变）的反复作用下，经过一定的循环次数后，在应力集中部位萌生裂纹，并在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏。

材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命[1]。

1.2 焊缝疲劳断裂过程

焊缝疲劳断裂过程：焊缝应力集中部位或焊缝内部缺陷→微裂纹产生→裂纹扩展→断裂[2]。焊缝疲劳断裂剖面如图1所示。

2 调整关键性的焊缝外观细节来提高焊接接头的疲劳寿命

焊接接头是钢结构工程中常见的接头形式。焊趾处截面几何突变，焊趾位于焊接热影响区，而热影响区晶粒特殊，经过循环载荷的作用，焊趾处最易产生应力集中，因此研究焊趾处应力集中的分散、改善焊接接头外观设计和外观加工细节，对于提高焊接接头的安全性和延长接头疲劳寿命具有重要的意义。

图1 焊缝疲劳断裂剖面示意

2.1 改善焊缝的剖面形状

对于疲劳节点焊缝而言，理想的焊缝剖面形状为凹形，其最小半径是壁厚的50%，并与邻近母材光顺熔合，以避免在焊趾处产生应力集中，如图2所示。通常对于角焊缝，若无特殊要求，焊工一般会将焊缝焊接成平或凸的剖面形状（见图1）。直接利用盖面焊道难以达到凹形剖面形状，需通过打磨来实现，打磨整个焊缝成光顺的剖面形状是较省钱且有效的[3]。

图2 凹形角焊缝

（1）凹形焊缝打磨要求。

①打磨工具要求使用碳化物砂轮或圆磨头。

②凹形最终打磨要用抛光片进行抛光，打磨和抛光要求打磨纹路与焊缝受力方向一致，如图3所示。这主要考虑打磨纹路微观状态是属于尖锐的应力集中点，打磨纹路与焊接接头受力方向相同可有效避免焊缝在打磨纹路的应力集中点处开裂，如图4所示。

（2）凹形焊缝外观检查要求。

完工焊缝的剖面形状大多用目视检查。首先检查设计要求的角焊缝有效焊喉尺寸，再使用判定轮廓线形状的圆盘或焊缝外观检测尺来检测焊缝的凹形尺寸，如图5所示。如果形状上不能完全吻合或有缺口，在它与设计规定的圆盘之间能插进0.04in（1mm）的钢丝，则无论该缺口是在焊趾处还是焊道中间，都判为不合格。

图3 打磨纹路

图4 微观状态下的打磨纹路

图5 凹形焊缝外观检测尺

2.2 焊趾打磨

焊趾打磨是利用砂轮或蘑菇头状磨头用打磨方法仅修整焊缝趾部。

经过统计大量的外观缺陷产生部位和断裂产生部位可知，焊趾是产生断裂的主要部位。经缺口应力分析和断裂力学研究，凹形的焊缝形状对广大厚度范围内改善焊接节点的疲劳特性方面更为有效，建议利用轻微打磨来修整焊趾缺陷，例如咬边或微观裂纹。

英国剑桥焊接研究所研究发现，除了GTAW以外的所有焊接方法形成的焊缝沿着焊趾均有一条微观的焊渣侵入线，且所有的焊接方法均生成不同程度的趾部咬边，即使理想的焊缝剖面形状也是如此，如图6所示[4]。这表明所有焊缝均有早已生成的缺陷，或呈现微观的咬边，或呈现微观的焊渣侵入，或两种均存在。正常的检测方法无法探测到这些缺陷，它们在现代焊接技术条件下难以避免。

图6 微观侵入

焊趾打磨要求：焊缝趾部打磨应沿焊趾中心线进行，所有接头形式均如此。推荐工具是带有碳化钨磨头的高速砂轮机。磨头半径根据板材厚度确定，磨头半径越大越有力。打磨纹路要求平行于焊道的受力方向。打磨深度要求：最小深度为低于板材表面0.8～1mm，或低于最低咬边底部0.5～0.8mm，使打磨总深度小于等于2mm，或者是板厚的5%，两者取较大值。打磨时，磨头轴线与母材成45°角，磨头轴线与移动方向的最大夹角为45°，确保打磨痕迹垂直于焊趾线，即平行于应力方向。承受纵向应力的焊缝端部也需谨慎打磨，保持打磨的有效性，如图7所示。打磨完成的槽道应光顺，然后进行外观检查和MT或PT检查。