未焊透焊缝疲劳寿命估算

供稿|胡静波，胡 鹏，靳 慧，冯月贵

未焊透焊缝疲劳寿命估算

供稿|胡静波1，胡 鹏2，靳 慧2，冯月贵1

未焊透是起重机焊缝中最常见的缺陷之一，采用有限元软件ANSYS对未焊透的起重机焊缝试件进行仿真，通过数据拟合获得修正后的未焊透缺陷应力强度因子的表达式。利用断裂力学经典理论，结合疲劳试验数据和仿真数据估算各试件的疲劳寿命，与实验结果进行比较，为起重机未焊透焊缝的疲劳寿命计算提供了一种新的方法和手段。

起重机的金属结构为典型的焊接结构。起重机在工程实践中的损坏往往也是从焊接接头处开始的。主要原因是焊接接头在制造、安装和使用过程中存在焊接缺陷。常见的焊接缺陷包括未焊透、未融合、气孔、夹渣、裂纹等。这些焊接缺陷在载荷作用下通常会产生局部区域的应力集中，从而降低整个金属结构的疲劳寿命。在所有起重机结构的焊接缺陷中，未焊透缺陷是最为常见和危害最大的一种。未焊透是指焊接时母材金属之间应该熔合而未焊上的部分，一般出现在单面焊的坡口根部及双面焊的坡口钝边位置。未焊透缺陷会造成焊缝有效面积的减小，从而使接头强度下降，还会引起缺陷位置的应力集中，造成更大的危害。因此对焊缝的性能进行评定，研究未焊透缺陷对焊缝疲劳寿命的影响，可以为起重机金属结构在经济、安全的条件下合理使用提供理论及实践经验的保障。

如果对未焊透缺陷的研究完全采用工艺实验的方法，不仅会增大研究成本，且周期也会很长。随着断裂力学理论、计算机技术和有限元理论的发展，采用疲劳试验和有限元仿真相结合的方法，已被广泛采用，因此本文即采用此方法进行实验研究。

实验研究

对未焊透焊缝疲劳寿命的实验研究中，经常采用小试样实验的方法。如果所采用小试样的材质、尺寸、焊接工艺等参数与实际结构一致，那么实验结果和实际结构测试数据就不会有明显区别。根据实验室疲劳试验机夹具尺寸，依据国家标准“金属材料疲劳试验轴向力控制方法”(GB/T 3075—2008)中的相关要求选取实验所用的小试样，如图1所示。对载荷波形进行加载，振动波形选择等幅疲劳，如图2所示。

在所有未焊透试件中，选取未焊透宽度在3 mm附近的5个试件，编号分别为1～5，其中无缺陷焊缝的疲劳寿命由选取的无缺陷焊缝S-N曲线相应的应力幅计算得来。各试件的应力幅及相应疲劳寿命的减少量分布，详见表1。

图1 带未焊透缺陷焊缝试件

图2 试验机加载波形

有限元模型

采用通用有限元分析软件ANSYS对带未焊透缺陷的焊缝试件进行建模。试件的未焊透部分尺寸平均为3 mm×0.6 mm，在建模时可将其作为长方体空洞减去，如图3所示。

考虑到未焊透部分上下两端的凹凸不平，将未焊透部分上下两端模拟为初始裂纹。首先将包含裂纹部分的一小块体积从整体模型中独立出来，这部分作为整体模型的局部裂纹体。然后对整体模型和裂纹体模型进行布尔搭接运算，将含有裂纹部分的局部体积从整体结构中分离出来，再将含裂纹面以外的实体粘接在一起，最后完成带裂纹的实体模型的创建。对裂纹部分的模型采用ANSYS中的特殊单元进行网格划分，裂纹位置见图3。余下的部分则采用常规自由网格划分，这样就生成了整个裂纹体的有限单元模型，即未焊透试件网格化后整体模型，详见图3。

图3 含裂纹体的整体模型网格划分

表1 各试件疲劳寿命试验数据分布表

疲劳寿命估算

在已知初始裂纹尺寸、临界裂纹尺寸、相应的应力强度因子表达式和材料的疲劳裂纹扩展速率表达式之后，就可以用断裂力学中的Paris公式对结构的剩余疲劳寿命进行估算。其中应力强度因子和断裂判据是采用断裂力学进行疲劳寿命估算时关键的两个问题。

采用ANSYS有限元分析的方法获得应力强度因子表达式。通过运用获得的裂纹前缘各点应力强度因子表达式计算各个试件的裂纹初始尺寸。

未焊透裂纹位于未焊透部分上下两端，在该处试件厚度为t=2.5 mm，裂纹设置为长方形裂纹面。分别选取裂纹深度为a=0.4、0.8、1.2、1.6、2.0mm五种情况进行分析。将裂纹沿前缘划分为80份共81个前缘尖端点，结构关于y=20 mm面对称，每侧各40份，每4份取一个前缘尖端点计算应力强度因子，共11个点。全部五种裂纹长度下，各条裂纹面路径计算得到的应力强度因子KI值分布，见表2

表2 各裂纹长度下未焊透裂纹前缘应力强度因子KI计算值(MPa

表2 各裂纹长度下未焊透裂纹前缘应力强度因子KI计算值(MPa

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选取裂纹前缘应力强度因子最大的点，即第2个计算点位置。由公式计算形状因子f的值，其中σ为未焊透模型所加荷载在焊缝截面产生的应力。将数据用曲线拟合，得到曲线，详见图4。多项式拟合曲线的公式为：

中间未焊透部分宽度为3 mm，未焊透上下两端裂纹处试件厚度为2.5 mm，将t=0.0025 m代入上式，即得到以a为自变量的f表达式：

图4 未焊透裂纹第2个计算点处形状因子数据拟合图

第2个计算点处应力强度因子的表达式为：

根据试验疲劳寿命结果，将所需参数按照流程步骤，计算得到各试件的初始裂纹长度0a。计算所需参数及结果，详见表4。

考虑到初始裂纹的计算结果较小，但在仪器可探测范围之外，因此采用所计算出的初始裂纹的最大值0.01 mm作为初始裂纹尺寸。用Paris公式对其它试件进行寿命估算，结果相对比较保守，偏安全。其估算结果及差值见表5。

表4 试件初始裂纹计算结果

表5 未焊透试件保守疲劳寿命估计

结束语

使用有限元软件ANSYS，对带有典型未焊透缺陷的起重机焊缝式样，进行三维实体建模。通过有限元仿真获得式样中裂纹前缘各节点的应力强度因子值，并通过数据拟合，获得修正后的未焊透缺陷的应力强度因子表达式。通过该表达式，结合试验疲劳寿命和最终裂纹的数据，采用断裂力学的方法获得试件的初始缺陷尺寸，从而进一步获得各试件的疲劳寿命。采用该方法估算的疲劳寿命比试样的实验疲劳寿命短，估算的结果偏保守。

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Fatigue Life Estimation of Weld Seam with Incomplete Penetration

/ HU Jing-bo1, HU Peng2, JIN Hui2, FENG Yue-gui1

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.03.18

胡静波(1980—)，男，工学硕士，工程师，长期从事机电类特种设备安全检验检测技术研究工作。通信地址：210017江苏省南京市嘉陵江东街3号南京质监大厦9楼南京市特检院，E-mail：hubertert@163. com。

1. 南京市特种设备安全监督检验研究院，南京 210017 2. 东南大学，南京 210096