焊接裂纹对钢结构寿命影响的论述

卢华强 耿金贯 赵俊林

摘要：本文通过对焊缝裂纹对钢结构寿命的论述得出在满足构件使用寿命的前提下，构件制造过程中应允许焊接裂纹的存在。避免无谓过高的探伤要求，从而降低了人工检测及返修成本。

关键词：焊接结构;裂纹

在全球范围内，随着工业现代化的进程，焊接结构不断向大型化、重型化、精密化和高参数化发展，尤其大型化及重型化钢结构的出现必然会对焊接工艺提出越来越高的要求。由于焊接是物理学、冶金学及力学综合作用的复杂过程，从而导致焊接过程中必然会在结构件中产生一系列缺陷【1】。如：裂纹、气孔及夹杂等，以及焊接过程中的热应力、残余应力及变形所引起的开裂、咬边等，尤其以焊接裂纹对钢结构影响为甚。

裂纹缺陷的特点为宽度方向比长度方向小的多，且两端尖锐（图一）。尖锐的裂纹容易产生尖端效应，不仅应力集中敏感，而且会形成三向应力状态，裂纹容易失稳和扩展【2】（图二）。

图一     Q345B焊缝初始裂纹（×300）

图二    Q345B焊缝初始裂纹扩展（×60）

注：焊接方式为药芯焊丝气体CO2保护焊，焊材为GFL-71。

通常观念认为有纹必裂【1】。各焊接结构企业都在不遗余力的通过一系列检测手段（UT、PT、MT、RT等）追求关重部件焊接过程无裂纹化。对于要求探伤的焊缝，无论采用哪种探伤方法，均不得有裂纹出现。过分追求焊接无裂纹化必然会增大人工检测及返修成本，况且目前焊缝返修大部分都是通过碳刨问题焊缝，而后重新补焊来实现。碳刨及二次补焊会造成焊缝热影响区母材二次、三次受热，在一定程度上会影响母材自身材料特性。以牺牲母材自身特性去保证焊缝无裂纹化这种做法是否可取？另外焊接裂纹的存在必然会导致结构件失效这种观念是否可取？本无试图通过理论推导来论证这一问题。

试验表明：构件焊缝具有小于临界尺寸的初始裂纹，在静载荷作用下，只要其应力不高于临界载荷，裂纹不会扩展，构件也不会断裂。但在交变载荷下，即使交变应力水平远低于临界载荷，初始裂纹也将发生缓慢扩展，当裂纹达到临界尺寸时，构件即会发生突然断裂【2】。

假定初始裂纹尺寸为a0，临界断裂尺寸ac。dN为交变应力的循环次数增量，da为相应的裂纹长度增量。则可求得裂纹扩展至断裂的循环次数为―――――――（1）

已知帕里斯公式――――――――――――――――――――――（2）

注：C、m为材料常数，为应力强度应子幅。参数关系如图三所示。

图三与关系走势

另，则―――――――――――――――――――――（3）

注：针对特定某一种材料Y为常数。

由以上推导可得裂纹寿命公式为

【2】

裂纹断裂临界尺寸可以由试验得出，只需查阅相关手册即可得出公式中所需其他参数，即可以得出在一定交变载荷下焊接裂纹不失稳的循环次数（即寿命）。

通过以上论述可知，焊接缺陷总是不可避免的。通常情况下，含有小裂纹的结构件并不一定会开裂，只有当初始裂纹扩展到临界值时，才会突然断裂。

以下提出几点提高焊缝寿命的几点建议：

（1）正确选择设计材料。结构件设计选择时单考虑机械性能是不够的。应全面考虑材料性能，包括KC、K1c、K1scc、da/dN和da/dt等;除了进行结构件母材进行强度计算外，还须对构件焊缝进行寿命计算。在设计重载荷或零件时，设计者往往倾斜与选择高强度材料;但是由循环寿命公式可以得出焊缝寿命随着材料屈服强度的增大而呈几何级数急剧降低，钢结构的寿命很大程度取决于焊缝的寿命。因此，在大型钢结构设计中不可过分通过高强度材料来对实现结构轻量化设计，在设计中，在满足结构设计强度的前提下，优先选用强度低而KIC较高的材料;

（2）合理焊接接头强度设计。首先应对预使用材料的强度、韧性做全面了解。在此基础上，应尽量遵循以下原状：针对低强度钢，无论母材或者焊缝都要较高的韧性储备，宜选用等强度焊接接头;针对高强度刚，母材或焊缝存储的韧性较低，宜选用低强度焊接接头，从而一定程度上保证了焊接接头韧性，减缓焊缝裂纹开裂的速率值;

（3）对于结构件主要受冲击力部位优先考虑弹性设计，在满足结构设计功能情况下使得受力构件最大程度通过自身弹性变形吸收能量，防止受到不均匀刚性冲击;

（4）尽量避免焊缝应力集中。合理设计焊接接头形式，在设计中优先考虑对接焊缝【3】。焊接过程中注意焊接电流，防止焊缝热影响区过烧而影响母材材料性能，从而增加焊缝裂纹应力集中系数。焊接完成后打磨光滑，关重部件焊趾焊缝尽量打磨与母材平滑过渡;

（5）关重部件切割火坡口开设时尽量采用机械切割方式。如不得已采用热量切割切割后，应对与焊接边缘及坡口打磨清除熔渣、氧化层，降低焊缝热影响区裂纹形核数量，从而减小初始裂纹长度a0;

（6）在满足结构件设计要求前提下，材料应尽量选择较薄厚度。材料厚度在一定程度决定对接焊缝厚度。焊缝随着厚度的增大到一定程度其自身断裂韧性变为平面应力状态;

（7）通过工艺改变焊缝应力状态变为压应力。在焊接过程中通过小锤敲击（仅针对多层多道焊）及焊后冲砂喷丸来满足。通过以上措施可以使得焊缝表面产生残余压应力，从而大大降低构件焊缝裂纹扩展速率值;

因此最好的解决办法是在钢结构设计过程中应根据大致结构优先设计焊缝形式，在结构细化阶段时刻不忘焊缝接头设计。结构件制造过程中应承认缺陷的存在，对裂纹尺寸做出合理限制，通过后续工艺优化缺陷焊缝受力状态。借助一系列试验数据，通过计算得出焊缝寿命。只要焊缝寿命大于结构件使用寿命就可认定焊缝是合格的。除此之外，为了减轻构件焊缝断裂所造成的危害，在焊缝裂纹发生和发展的初期，应及早的发现它并进行标记，制定出定期进行裂纹检测的规范，通过实际测量数据得出焊缝裂纹的扩展规律，借此合理推断出焊缝剩余寿命。

参考文献：

[1]陈裕川.焊接工艺分析与实例分析[M].北京：机械工业出版社2009

[2]杨广里.断裂力学及应用[M]. 北京：中国铁道出版社1990

[3]吴守军.拼焊板车门焊缝布置及尺寸优化设计方法[J].机械工程学报，2013，24（1）.