提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术.doc

提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术天津大学材料科学与工程学院霍立兴王东坡王文先1焊接结构的疲劳问题以及研究意义1.1焊接结构的疲劳问题自从20世纪初涂药焊条发明至今一百年来焊接已经成为应用最为广泛的工艺方法很难找出另一种发展如此之快并在应用规模和多样化方面能与焊接相比的工艺以至于当代许多最重要的技术问题必须采用焊接才能解决例如：造船、铁路、汽车、航空、航天、桥梁、锅炉、大型厂房和高层建筑等都离不开焊接技术的支持。如果焊接没有发明的话许多结构甚至坦率的说整个工业是不会产生的。毋庸置疑目前在工程生产上焊接是最主要的连接方法焊接结构的重量已占钢铁总产量的50%以上工业发达国家的这一比例已经接近70%。然而焊接结构经常不断发生断裂事故其中90%为疲劳失效。疲劳破坏一直被认为是船舶及海洋工程结构的一种主要的破坏形式自钢质海船诞生至今因结构中疲劳裂纹的生成、扩展最后导致船舶破坏的事例屡有报道。美国海岸警卫队船舶结构委员会(ShipStructureCommitteeU.S.CoastGuard)曾组织力量对六种不同类型的77艘民用船舶及9艘军舰中六十多万个结构细部进行了调查研究和统计分析结果表明有约九分之一的破坏与疲劳有关。历史上海洋平台的几次重大事故如1965年日本为美国建造的Sedco型半潜式平台在交货途中破损沉没造成13人死亡；1980年Alexan—derKeyland号半潜式平台在北海翻沉使一百余人葬身海底调查分析的结果表明结构的疲劳是造成事故的重要原因之一。同样疲劳失效也频繁发生在铁路公路桥梁和发电站的管道上。在五六十年代欧洲公路网得到高速发展当时大多采用焊接技术建造钢桥由于那时对公路桥梁疲劳认识不足在规范中没有规定进行抗疲劳设计出现了许多设计不合理的焊接接头在今天日益繁忙和加重的交通运输载荷下加快了疲劳损伤过程许多焊接钢桥出现了疲劳裂纹。在我国焊接结构因疲劳问题而失效的工程事例也不断出现例如九十年代末高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂以及水轮机叶片根部的疲劳断裂等都给国家和企业造成了巨大的经济损失。1.2焊接结构疲劳失效的原因焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：①客观上讲焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材；而承受交变动载荷时其承受能力却远低于母材而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；②早期的焊接结构设计以静载强度设计为主没有考虑抗疲劳设计或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头；③工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式；④焊接结构日益广泛而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量化导致焊接结构的设计载荷越来越大；⑤焊接结构有往高速重载方向发展的趋势对焊接结构承受动载能力的要求越来越高而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。1.3提高焊接结构疲劳性能方法的研究意义疲劳事故的频繁发生在一定程度上制约了焊接结构的进一步广泛应用使一些场合不得不放弃使用焊接结构甚至怀疑焊接结构能否适用于承受动载的工程实际故而焊接结构的抗疲劳问题引起国内外有关专家和工程技术人员尤其是国际焊接学会疲劳专业委员会的普遍关注。在大量疲劳试验与工程实践的基础上焊接结构抗疲劳设计规范不断出台如英国桥梁疲劳设计规范BS5400、欧洲钢结构协会的疲劳设计规范、日本的钢桥设计规范、美国铁路桥梁以及高速公路设计规范、国际焊接学会的循环加载焊接钢结构的疲劳设计规范IIW.DOC-639-8l以及我国的钢结构设计规范GB-17-88。世界各主要造船及海洋资源开发国家都在船舶及海洋工程结构的设计建造和检验入级规范中对焊接结构的疲劳强度作出了规定和要求。由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用其疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。所以焊接结构的疲劳强度取决于接头的疲劳性能即焊接接头的抗疲劳性能关系着焊接结构能否安全使用。因此为了保证焊接结构可靠性在设计承受交变动载荷的焊接结构时设计规范规定以焊接接头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强度而不采用基本金属的疲劳强度显然这造成极大浪费。即使如此在接头处局部应力集中作用下仍然会发生整体结构的过早疲劳失效。为了使焊接结构很好地满足工程上对其提出的承受动载的要求能够采取的措施主要有两点。一方面增加对焊接结构抗疲劳性能的了解精心设计结构形式及接头形式使所设计的焊接结构更合理具有更高的疲劳强度；同时提高和严格控制焊接质量防止和减少焊接缺陷的产生；另一方面直接面对焊接接头疲劳性能较差的弱点在焊接结构制造过程中、完成后以及使用过程中采取有效的工艺措施提高接头的疲劳强度增