焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响

吕晓春 张志毅 李爱民

(1.中国兵器工业第五二研究所,山东烟台 264003； 2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛 266111)

焊接结构的疲劳强度，在很大程度上取决于构件应力集中情况。如果焊接构件有应力集中，在受到循环载荷条件下，焊接结构普遍会出现严重的断裂破坏。焊缝几何尺寸及焊接过程中产生的各种缺陷是产生应力集中的主要原因[1，2]。然而这些原因如何影响焊接构件的疲劳寿命，对于一种新材料，或者对于在一种特殊条件下使用的材料来说，应当受到特别的关注。AQ400NH钢是一种耐候材料，在使用结构中，该材料的焊接结构承受着高速动载的作用，使用条件特殊，所以研究产生应力集中的原因、应力集中对该焊件疲劳性能的影响，对提高焊件疲劳寿命具有重要意义。

笔者着眼于焊缝趾部余高与焊接构件应力集中的关系，探讨余高产生的应力集中对该焊件疲劳性能的影响。为此，对这种材料的母材、光滑焊件(余高为零的焊件)、带余高焊件分别进行疲劳试验。绘制它们的S-N曲线；观察静态载荷下焊趾处应力的变化；用ANSYS有限元分析程序计算了各种状态下焊接构件的应力分布状态，以及余高变化产生应力集中的趋势。

1 实验部分

1.1 主要仪器与设备

电液伺服材料试验机: Instron1251型，英国Instron公司。

1.2 材料成分、力学性能

实验所用材料为耐候材料AQ400NH，其主要化学成分见表1，母材与焊件的基本力学性能见表2。

表1 材料的主要化学成分 %

1.3 焊接接头几何尺寸

疲劳试件共分为3组，一组为母材试件；一组为光滑焊件，即为焊后去掉余高，并进行了精加工，其表面光洁度与母材试件相同；另一组为带余高焊件。三组试件的名义尺寸为，试样宽度B×厚度W×平行段长度L0：24 mm×12 mm×70 mm。光滑焊件的试样厚度比母材略小。试件接头形式为对接焊接头，其试样形式和焊缝堆高名义尺寸如图1所示。焊接方法为MAG半自动焊接。

表2 材料力学性能

图1 焊缝堆高名义尺寸

焊缝几何参数用焊缝宽度b和余高h表示。带有余高的试件共有5个，试样的焊缝宽度b和余高h的实际尺寸见表3。

表3 焊缝尺寸平均值

1.4 疲劳试验

疲劳方式采用循环应力恒负荷轴向脉动拉伸疲劳。波形为正弦波；应力比R=0；频率10～20 Hz；循环次数5×104～1×107；应力等级分8个级别。因该材料疲劳性能较为稳定，每个应力级别只做一个试样。试验在Instron 1251试验机上完成，疲劳控制方式为恒应力控制。为了便于比较，将三组疲劳强度与循环受命关系的S-N曲线绘于图2中。三组疲劳试验得到的疲劳极限为：母材试件疲劳极限为σu=425 N/mm2；光滑焊件疲劳极限为σu=410 N/mm2；余高焊件疲劳极限为σu=220 N/mm2。光滑焊件的疲劳极限和母材比较接近，而平均余高为1.65 mm焊件，其疲劳极限要明显低得多。

图2 三组试件的S-N曲线

1.5 应力集中系数的确定

通过试验的方法，可得到焊接接头处实际应力集中系数[3]，即有效应力集中系数kσ按式(1)计算：

(1)

式中：σ0—光滑试件的疲劳极限；

本次试验母材的疲劳极限σu=425 MPa，光滑焊件的疲劳极限是σu=410 MPa，堆高焊件的疲劳极限σu=220 MPa，母材与光滑焊件所产生的实际应力集中系数为kσ1=1.036 6。母材与焊接后带堆高试件所产生的实际应力集中系数为kσ2=1.931 8。带有余高焊件的应力集中系数接近前者的两倍。

2 有限元计算

使用ANSYS有限元程序进行有限元计算。计算焊趾应力时采用二维模型和四边形8结点单元，根据单元要求，输入0.5 mm的厚度，焊件横截面单元分布如图3所示。计算时所加载荷为220 MPa，低于材料的屈服强度，故计算时材料始终处于弹性状态。计算中取材料的弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比v=0.33，并假设整个试件内性能相同。计算时焊件的余高是1.65 mm。计算结果表明在焊缝趾部应力最大，最大值达到446 MPa，相当于所加载荷的两倍，结果如图4所示。

图3 对接接头局部有限元网格

图4 对接接头最大主应力局部放大图

3 分析与讨论

3.1 S-N曲线分析

从图2中看出，母材和光滑焊件的疲劳强度与循环寿命关系差别不是很大，二者的疲劳极限也很接近，只是母材S-N曲线的拐点要比光滑焊件的S-N曲线拐点明显，母材与光滑焊件数据点分散性也很小。余高焊件的S-N曲线与前两者的变化趋势明显不同，数据点分散性增大，曲线没有拐点，疲劳强度随着疲劳寿命的增加明显下降，疲劳极限下降幅度几乎接近50%。根据表1中余高数据有一个波动范围来看，数据点分散可能是余高不同所致。

3.2 断裂位置及宏观断口形貌

光滑焊件的断裂位置绝大部分出现在焊缝中，而有余高的焊件，疲劳断裂均无例外地发生在焊趾处，而且断裂源均位于表面焊缝趾部，这说明焊趾处为应力集中最大区域，这一现象恰与计算结果相一致，见图4接头局部应力放大图，它表明有限元计算结果是正确的，用有限元计算方法分析余高焊件应力集中情况是有效性。

观察宏观断口可以发现，光滑焊件断面上的疲劳源内总有微小焊接缺陷或微小气泡(图5)，这些缺陷成为疲劳裂纹的裂纹源。而在余高焊件的断口上几乎看不到什么宏观缺陷，疲劳源均从焊缝趾部的某一位置开始(图6)。这表明，同焊接微小缺陷相比，焊趾处应力集中也会成为裂纹源，而且应力集中对焊接结构的危害比微小焊接缺陷要大。当有应力集中存在时，微小焊接缺陷的有害作用降低到次要位置。当采用合理的工艺降低或消除焊缝中的缺陷后，光滑试样可提高构件的疲劳寿命。而对于有一定余高的焊接构件，即使通过合理的工艺消除焊缝中的缺陷，由于存在应力集中，也不能提高构件的疲劳寿命。因此，要提高焊接构件的疲劳寿命，必须对其进行光滑处理。

图5 光滑焊件疲劳断口

图6 带堆高焊件疲劳断裂位置a及断口形貌b

3.3 有限元计算分析焊缝余高的影响

采用和上面相同的有限元计算方法计算不同余高对焊接构件应力集中的影响。计算中设定余高为5种，分别是0.0、0.1、0.3、0.5、3 mm。计算余高0.0、0.5、1.65、3 mm的应力分布图如图7所示。以余高做变量，焊趾处的应力和余高的变化关系如图8所示，它们之间呈线性关系。从图8中可以看出，在余高是0 mm时，焊趾处的应力和外载荷大小相同，表明此处没有应力集中。这就说明光滑试样的疲劳极限与母材相同的原因是光滑焊件没有应力集中。当余高是1.65 mm时，焊趾处受到的应力是446 MPa，相当于载荷的两倍。根据本疲劳试验的结果，当余高引起的应力集中出的载荷达到外载荷的2倍时，疲劳裂纹源出现在焊趾处。余高3 mm时，焊趾处的应力达到605.93 MPa，接近载荷的3倍。表明余高越高，焊趾处的应力也越高。由此可以断定，余高越大，应力集中越严重，导致材料的疲劳寿命越低。而降低余高可以降低应力集中，同时可以提高疲劳寿命。为了降低应力集中的程度，提高焊接构件的疲劳寿命，在结构焊接完后，应将余高打磨掉，以消除余高引起的应力集中。

比较母材、光滑试样疲劳极限和余高1.65 mm焊趾处的应力可以看出，余高1.65 mm焊件结构焊趾处的最大应力是446 MPa，这个应力和母材、光滑试样疲劳极限相差不多。这就表明，当应力集中使最大应力达到光滑试样的疲劳极限时，有余高的焊接结构发生疲劳断裂。由此可见，应力集中降低疲劳寿命的原因是：尽管外载荷远低于母材的疲劳极限，但应力集中处的应力却能够达到材料的疲劳极限，使材料发生疲劳断裂。

图7 余高对应力分布的影响

图8 余高和焊趾处最大应力的关系

4 结论

(1)当焊接接头有1.65 mm的余高时，焊趾处存在的应力集中可以使其疲劳极限下降接近50%，即使焊缝中有微小缺陷，疲劳断裂的裂源也出现在焊趾处；(2)余高和焊趾处最大应力间存在线性关系，焊趾处的最大应力随余高增加而线性增加；(3)当应力集中处的应力达到母材的疲劳极限时，焊接构件发生疲劳断裂；(4)将焊接接头的余高除掉，可以消除余高在焊趾处产生的应力集中，光滑焊件的疲劳极限只取决于内部焊接缺陷。

[1] 霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 达伊D.焊接结构疲劳强度[M].北京：机械工业出版社，1994.

[3] [苏]Γ.C.批萨连科， A.Γ I.亚科符列夫.材料力学手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1981.

[4] 贾法勇.铝合金5083纵向角接板焊接接头疲劳强度[J].机械工程学报，2005，41(8)：199-202.