国内外对焊接结构的疲研究现状评述

2021-12-23

自上世纪中期，国内外学者对焊接结构的疲劳进行了广泛深入的研究，对焊接接头疲劳行为的特殊性也有了系统的认识。本节将对此进行简要概述。.

1、焊接接头疲劳问题的特殊性

焊接过程的集中热效应及材料局部熔化凝固过程会对接头的力学和材料性能造成特殊影响。这些影响包括接头形状的不连续性，存在较大的残余应力与变形，焊接缺陷的引入，以及接头附近材料组织不均匀及力学性能下降等方面。这使得焊接接头的疲劳行为与传统的材料疲劳行为有很大不同。下面对焊接接头疲劳最显著的两个特殊性进行重点阐述：

（1）焊接接头位置的应力奇异性

焊接接头由于几何形状不连续，导致了接头处应力场奇异，对此Lazzarin and Tovo[2], Wei et al.[3], 和 Lou et al.[4]均有明确阐述，如图 1所示。

图 1(a)中，由于几何突变，接头焊趾附近物质点的应力

与该点到焊趾根部的距离r的关系为

。其中

是焊趾角度

的函数，且

, 所以从理论上讲，当

时，焊趾根部的应力趋于无穷。这与传统的狗骨拉伸试样很不相同。如图 1(b)所示，在一般用于材料疲劳试验的狗骨试样中，材料所承受的应力即为名义应力，可以明确确定。焊接接头处应力的奇异性直接导致了在传统有限元计算中，焊趾处的应力网格敏感。亦即，接头附近有限元网格尺寸越小，计算得到的应力越大，并且应力不会随着网格尺寸变小而收敛（见图 1(c)）。

对于简单的拉伸试样进行疲劳分析时，往往采用试样承受的应力作为疲劳控制参数绘制S-N曲线。但是在对焊接接头进行疲劳分析时，由于焊趾处的应力没有明确定义，不能直接用作疲劳参数。因此在焊接接头的疲劳分析中要充分考虑到接头应力状态的特殊性，并确定一个可以有效刻画接头疲劳本质的疲劳控制参数。名义应力、热点应力、缺口应力强度因子等都是常见的疲劳控制参数。

图 1 焊接接头应力场与普通狗骨试样应力场对比：(a) 焊接接头奇异应力场分布，(b) 狗骨拉伸试样应力场分布，(c) 焊趾处应力场网格敏感性示意

（2）焊接接头S-N曲线与材料疲劳的S-N曲线有明显差异

早至1970年，Gurney[5]，Maddox[6] 等学者通过大量试验和观察发现，相对于非焊接试件，焊接接头的S-N疲劳曲线的斜率更大。并且不同几何形式焊接接头基于名义应力范围的S-N曲线具有相同的斜率（相互平行）。图 2(a)（引自Maddox 著作[6]）对这一现象有着直观的说明。各种国际标准与机构，如BS7608, 国际焊接学会等都针对焊接接头这一特点，为不同类型的焊接接头制定了相互平行的设计曲线，如图 2(b)所示。

图 2 (a) 焊接接头S-N曲线与非焊接结构疲劳S-N曲线的对比（引自文献 [6]），(b) 国际焊接学会对不同类型接头推荐的疲劳设计曲线（引自文献 [7] ）

图 3 钢、铝合金、钛合金、镁合金焊接接头疲劳曲线对比

不同类型的焊接接头S-N曲线相互平行这一特点还在不同母材的接头之间有类似的体现。申请者汇总了王苹 [8], Xing [9], Karakas[10],等学者报道的铝合金，钛合金，镁合金接头的疲劳试验数据，并且绘制了对应的S-N曲线，如图 3所示。从图中看出虽然各类金属接头疲劳曲线的斜率虽然略有不同但是非常接近平行。