十字焊接接头疲劳试验与宏观断口分析

魏国前, 胡政豪, 党 章, 何毅斌

(1.武汉科技大学 a.冶金装备及其控制教育部重点实验室，b.机械传动与制造工程湖北省重点实验室，武汉 430081；2.武汉工程大学 化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室，武汉 430205)

0 引 言

疲劳试验是确定材料、接头和结构疲劳性能的重要手段，相比其他力学性能试验而言，疲劳试验采用的载荷、试件、环境以及试验设备有很大差异，一般需要消耗大量的时间和财物。焊接结构的疲劳特性往往取决于焊缝接头，因此常常采用特定的焊接接头试件开展实验室环境下的疲劳试验研究。

Chapetti等[1]针对3种厚度的对接接头试件开展了四点弯曲疲劳试验，研究了对接焊缝的短/长裂纹统一模型。Ozler[2]针对全焊透对接接头、未焊透对接接头和横向加强板接头3种试件，开展了R=-1和R=0的拉伸疲劳试验，研究了平均应力对焊接接头疲劳寿命的影响。Saiprasertkit等[3]加工了不同渗透比值的承载型十字焊接接头试件，开展了高周和低周条件下的疲劳试验，研究了渗透比值对疲劳寿命的影响。Bertini等[4]针对管-板之间的连接角焊缝，开展了弯曲、扭转和混合载荷下的疲劳试验，研究了铁路转向架的疲劳性能。上述疲劳试验大多以焊接接头完全断裂作为疲劳寿命的判定指标，忽略了疲劳裂纹的初期行为。朱明亮等[5-6]针对不同的焊缝连接材料和焊接工艺，采用原位试验技术分析了试件表面和疲劳断口的微观形貌，研究了焊缝微区的微观裂纹行为，这些研究侧重疲劳破坏的微观机理，缺少对工程设计的明确指导意义。

实际上，疲劳断口作为记录裂纹萌生、扩展和断裂的主要物证，每个阶段都与内部、外部、力学、化学、物理的等诸多因素有关，包含了极其丰富的失效诊断信息。疲劳断口的宏观分析不仅可以获得有关加载类型和大小的有益线索，还可以分析裂纹源的位置以及裂纹演变过程。为此，本文针对十字焊接接头开展了拉伸疲劳试验，基于勾线法原理生成了典型的宏观海滩条带，通过宏观断口分析分析了焊趾裂纹的演变行为。

1 疲劳宏观断口

1.1 基本形貌特征

疲劳宏观断口具有重要性、全息性、唯一性和可分析性等特点，一般由疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和瞬时断裂区三部分组成[7]。稳定扩展区常常出现肉眼可识别的与裂纹扩展方向垂直的弧形线，即海滩条带(Bench Mark)。

海滩条带是疲劳裂纹瞬时前沿线宏观塑性变形的痕迹，是疲劳断口重要的宏观形貌特征，能够真实地反映裂纹前沿形状，是疲劳断口分析和判断的主要依据。由于试件材料的缺口敏感性、疲劳断裂源数量等因素，并不是所有的疲劳断口上都会出现海滩条带，焊接接头的疲劳断口[8-11]尤其如此。实验室环境下，一般采用勾线法人为地生成海滩条带。

1.2 勾线法基本原理

一般认为，海滩条带的产生与循环载荷的应力水平变化直接相关，恒幅加载条件下较难产生明显的海滩条带。为此，一些学者提出了勾线法[12-13]。勾线法是指在基线载荷谱中引入一定数量的标记载荷谱，标记载荷谱和基线载荷谱具有不同的应力水平，导致在断口上留下肉眼可区分的条带。基线载荷谱和标记载荷谱一般采用等幅方式，通常暗色条带对应高应力幅循环;亮色条带对应低应力幅循环。

等幅标记载荷谱需要考虑3个参量：载荷幅值、载荷平均值和循环次数。引入的标记载荷不仅要在断口上形成明显的条带色差和可识别的条带宽度，还要求载荷变化对裂纹扩展寿命的影响可以忽略不计。此外，如果采用升载勾线法，还要考虑过载迟滞现象及其可能造成的影响[14-16]。

2 疲劳试验

2.1 疲劳试件

本文采用图1所示的十字焊接接头试件，母材材料为Q345，其化学成分:C 0.15%,Si 0.38%,Mn1.36%,P 1.2×10-4%,S 3×10-5%,Alu 4×10-4%。基本力能参数:δs=355 MPa,δb=560 MPa,σ=22%,E=206 GPa,μ=0.3。硬度参数(HV5):母材176,焊缝210,热影响区309。采用手工电弧焊焊接方式，焊丝为CHW-50C6。为确保焊根处全熔透，薄板预先打磨并开坡口，坡口形式和尺寸符合GB/T985—1988和GB/T986—1988的规定，采取多层施焊直至焊脚尺寸达到要求。焊后采用锤击法消除残余应力。

2.2 试验载荷谱

疲劳试验在SDS100电液伺服疲劳试验机上开展，采用2种载荷谱块，一种为基线载荷谱块;另一种为标记载荷谱块。基线载荷谱块的载荷幅值为0～80 kN，载荷平均值为40 kN。为了获得清晰可辨的海滩条带，设计3种标记载荷谱块，其中，a型和b型标记载荷谱块的最大值与基线载荷谱块的最大值相同，幅值分别为基线载荷谱块幅值的1/2和1/4;c型标记载荷谱块的幅值为基线载荷谱块幅值的1/2，平均值不变。根据以往十字焊接结构疲劳试验的经验，预计裂纹萌生寿命不会低于整个疲劳寿命的30%，故将首次基线载荷谱块的循环加载次数设为30×104次，之后的基线载荷谱块的循环加载次数设为10×104次，而标记载荷块的的循环加载次数设为5×104次。完整的试验载荷谱如图2所示。

图2 疲劳试验载荷谱

2.3 试验过程

针对上述疲劳试件和试验载荷谱，开展了9根试件的疲劳试验，其中，每种载荷谱试验3根试件。试验装置如图3所示。

图3 试验装置图

试验中，每隔5×104次设置一次暂停，此时疲劳试验机虽然暂停工作，但仍处于前一次加载载荷的平均值加载状态，试件承受拉伸载荷，裂纹处于张开状态，有利于裂纹的观察。暂停期间，首先采用5～10倍放大镜观察焊趾部位，然后喷射渗透剂进行无损裂纹检测。一旦发现裂纹，做好记录和拍照工作。暂停之后继续加载，直至试件完全断裂。

3 试验结果

3.1 疲劳寿命分析

所有9根试件的萌生和断裂均发生于薄板焊趾部位，裂纹的萌生具有多发性和不同步性，将最先发现裂纹的循环加载次数定义为试验萌生寿命;将试件最终断裂的循环加载次数定义为试验总寿命，试验萌生寿命与试验总寿命的比值规律如图4所示。

由于基线载荷和标记载荷的幅值和平均值不同，相同加载次数下造成的疲劳损伤也不同。为便于比较，利用Goodman公式对不同的平均值进行等寿命处理，根据Miner 线性累计损伤法则和损伤等效原则，将标记载荷的加载次数转化为对应基线载荷的等效加载次数，试验寿命和计算寿命如表1所示。可以看出，无论是实验数据还是计算寿命，所有试件的萌生寿命占其总寿命的比值都较大，表明裂纹萌生阶段在焊接结构的疲劳设计中不可忽略。

图4 试验寿命示意图

按照总寿命由小到大进行排序，以疲劳寿命Ni的对数值定义随机变量xi，以xi由小到大排列的序数i估计试件的破坏概率Pi，计算式如下:

式中，n为样本数据的个数。

计算结果如表2所示。将表2中的xi，Pi点绘制在正态概率纸上，如图5所示，可以看出,图中各数据点基本呈线性分布，故上述试验获得的对数疲劳寿命服从正态分布，并具有一定分散性。

3.2 疲劳断口宏观分析

对所有试件的疲劳断口进行宏观分析，均可看到明显的疲劳区和瞬时断裂区分界线。3根a型载荷谱试件和2根b型载荷谱试件的疲劳断口上出现了清晰的疲劳海滩条带，另1根b型载荷谱试件的断口有肉眼可识别的海滩条带痕迹，而3根c型载荷谱试件的断口均未见明显的海滩条带，如图6所示。表明勾线载荷谱对海滩条带的形成有重要作用，载荷幅值和载荷平均值越大，海滩条带越清晰。

表2 总寿命概率分析

图5 总寿命概率分布

(b) b型载荷谱试件(L28-5)

(c) c型载荷谱试件(L28-7)

(d) a型载荷谱试件(L28-3)

宏观断口分析发现了3种基本的裂纹演变形态：

(1) 边裂纹致断裂型。如图7(a)所示,首先在靠近试件侧面的焊趾上萌生一个半椭圆形表面裂纹，表面裂纹沿板厚和焊趾方向同时扩展形成角裂纹，角裂纹进一步扩展形成边裂纹，边裂纹向另一侧扩展直至试件断裂。

(2) 贯穿裂纹致断裂型。如图7(b)所示,首先在焊趾中部萌生一个半椭圆形表面裂纹，表面裂纹沿板厚和焊趾方向同时扩展，由于没有其他可能萌生裂纹的影响，已萌生的裂纹率先形成贯穿裂纹，贯穿裂纹向两边纵向扩展直至试件断裂。

(3) 多裂纹融合型。如图7(c)所示,这种类型的演变情况较为复杂，比较典型的演变过程是，首先在焊趾中部区域萌生半椭圆形表面裂纹，表面裂纹沿板厚和焊趾方向同时扩展，期间已萌生裂纹的附近焊趾部位又萌生新的表面裂纹。这些表面裂纹不断扩展、融合，逐渐形成一条狭长形裂纹，主要沿焊趾扩展，未等贯穿板厚即丧失承载能力，导致试件断裂。如果形成的长形裂纹靠近一侧，则会先形成角裂纹，继而形成边裂纹，最后直至试件断裂，如图7(d)所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

图7 疲劳裂纹演变示意图

上述裂纹演变形态主要取决于裂纹萌生的部位和数量。如果初始裂纹萌生于焊趾端部，端部侧面抵抗裂纹向该方向的阻力较小，裂纹沿焊趾方向扩展的速率比沿板厚方向为快，容易以上述(1)形态演变。如果初始裂纹萌生于焊趾中部，裂纹前沿处于平面应变状态，更容易以(2)形态演变。如果多个初始裂纹同时或者在较短间隔时间内萌生，则容易以(3)形态演变。值得注意的是，实际工程结构中的焊缝一般都较长，如果焊趾条件不佳，容易导致多处萌生初始裂纹，因此容易出现长条状的未贯穿裂纹。相反，如果焊趾条件良好，初始裂纹数量少，其沿长度方向的扩展会受到抑制，这对焊接结构的疲劳性能是极其有益的。

4 结 论

(1) 针对十字焊接接头开展了9根试件的拉伸疲劳试验，结果表明焊接接头的萌生寿命占疲劳寿命的

较高比值，传统的断裂力学法求解焊接结构剩余寿命过于保守。

(2) 通过3种标记载荷的试验研究，表明勾线法是生成海滩条带的有效方法，标记载荷的幅值、平均值和循环次数是影响海滩条带生成效果的重要因素，保留载荷最大值的半幅标记载荷谱容易获得较明显的疲劳海滩条带。

(3) 宏观断口分析揭示了3种焊趾裂纹的演变形态，初始裂纹的萌生部位和数量是影响裂纹演变形态的主要因素，而这些因素与焊缝焊趾的几何形貌和有较大关系。

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