Silver Bridge坍塌的罪魁禍首——焊接疲勞缺陷

焊接結構在眾多工程領域中都有著大量的應用[1]，在服役過程中會受到復雜的循環(huán)載荷作用，長此以往易發(fā)生疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計90%的焊接結構破壞都是由焊接接頭的疲勞失效造成的[2]，某些焊接接頭疲勞失效甚至會帶來災難性的后果，正如上世紀美國的Silver Bridge坍塌事件，Silver Bridge是一座鋼結構橋梁，位于西弗吉尼亞州歡樂點（Point Pleasant）與俄亥俄州加利波利斯（Gallipolis）之間，由于兩條疲勞裂紋未能及時地被發(fā)現(xiàn)，大橋于1967年12月倒塌，倒塌后的大橋如圖1所示，整個倒塌過程不足20 s，造成46人死亡的重大事故[3]。

圖1 Silver Bridge坍塌[3]

為保證設備的安全運行，人們一直在努力尋找能準確預測焊接結構疲勞壽命和疲勞強度的方法，同時對焊接缺陷、焊接殘余應力、焊趾區(qū)的幾何外形對焊接結構疲勞壽命產(chǎn)生的影響進行了研究，也發(fā)展了焊接結構的延壽技術。本文介紹了焊接結構疲勞壽命的預測方法、影響焊接結構疲勞壽命的因素和延壽技術的研究現(xiàn)狀和進展。

1. 疲勞評定方法

根據(jù)焊接接頭周圍的應力分布，可將其分為3個區(qū)，分別是名義應力區(qū)、結構應力區(qū)、缺口應力區(qū)，如圖2所示，由此發(fā)展出3種焊接結構的疲勞評定方法：名義應力法、熱點應力法、局部法[4?5]。

圖2 焊接接頭附近的應力分布

1.1 名義應力法

名義應力法是假定焊接結構的疲勞壽命由材料的疲勞壽命決定，結合焊接接頭的名義應力和應力集中系數(shù)得到一個當量應力，再根據(jù)材料的應力–壽命（S–N）曲線得到相應的壽命。名義應力法注重對焊接結構壽命的預測和疲勞強度的設計[6]，若有多級載荷，則需結合損傷積累理論[3]。

該方法以名義應力為疲勞評估參量，依據(jù)不同的接頭形狀和其加載方式把焊接接頭分為質(zhì)量不同的多個類型，再通過大量的疲勞試驗建立起對應的S–N曲線，在評價焊接接頭疲勞壽命的時候依據(jù)實際情況選取相應質(zhì)量等級的S–N曲線。但正因為名義應力法的S–N曲線和結構的接頭形狀、載荷類型、幾何形式等因素緊密相關，導致很多復雜焊接結構不能找到與之適配的S–N曲線，使得疲勞強度預測變得十分繁瑣，這便是名義應力法的不足之處。但對于一些簡單焊接接頭的疲勞評定還是比較便捷有效的。

1.2 熱點應力法

熱點應力也叫結構應力，是國際焊接協(xié)會推薦的評定焊接結構疲勞壽命的一種方法，是指危險截面上危險點的應力。熱點是裂紋起源的部位，應力集中較為嚴重，在疲勞載荷的作用下應力集中最嚴重處會發(fā)熱[7]，故稱之為熱點疲勞。熱點疲勞大多發(fā)生在焊趾處，因焊趾處存在缺口效應，故焊趾處的應力又叫缺口應力σln。缺口應力的組成如式（1）和（2）所示，結構應力在焊趾處達到最大，即為熱點應力。焊趾處的應力分布如圖3所示。

圖3 熱點處板厚方向典型的非線性應力分布

式中，σs為結構應力、σnlp為非線性應力峰值、σm和σb分別為膜應力和彎應力。

為了獲得較為準確的熱點應力值，通常使用熱點應力外推法。其思想來源于實驗測量方法[8]，在焊趾端部一定距離內(nèi)選取2~3個點，測量這些點的應變，從而換算得到其應力值，再使用外推的方法就能得到焊趾處的結構應力值，該值即為熱點應力值，如圖4所示。

圖4 測量結果線性外推

1點距離焊趾處的位置與板厚t和熱點類型有關，一般熱點在焊接結構上的位置有3種類型，如圖5所示：“a”、“c”型熱點位于板面上，“b”型熱點位于板的邊緣處。對于“a”、“c”型熱點，參考點距離焊趾處的距離可以分為3種[9]：第1種是國際焊接協(xié)會推薦的0.4t、1.0t處選取2個參考點；第2種是船級社推薦在0.5t、1.5t處選取2個參考點；第3種是不需要外推直接選取距離焊趾處0.5t處的應力作為熱點應力。其中第2種船級社推薦的方法比較適合在海洋工程中的焊接結構。而對于“b”型熱點焊趾處的應力分布和t無關，而是在板面方向上分布，裂紋也沿著版面方向擴展，因此對于參考點的選取也和t無關，一般而言選取距離焊趾4、8和12 mm 3個點的應力值[10]，再利用三點二次外推得到焊趾處的熱點應力。

圖5 焊接結構的熱點類型

除了外推法，F(xiàn)ircke[9]在如何利用有限元分析來獲得更精確的參考點應力值大小方面做了很多的工作，并取得了船級社的認可，在海洋工程上廣泛使用。

同樣借助有限元分析方法的厚度線性法（Through Thickness at the Weld Toe，TTWT）[11]，把板厚方向上的應力分布線性化后得到的焊趾表面應力作為熱點應力，如式（3）和（4）所示：

式中，σx?(y)是板厚方向上的正應力分布。但TTWT法對有限元網(wǎng)格大小十分敏感，為了獲得更接近真實的熱點應力值，可以讀取焊趾前端的應力值[12]。

為了克服TTWT法的上述缺點，Dong[13]提出熱點應力可由焊趾前端沿著板厚方向上的應力分布獲得，如圖6所示。還考慮了剪應力的影響，該模型對二維試驗有著較高的精度[14?15]。

圖6 板厚方向結構應力計算方法

式中，L為距離焊趾的距離；τxy(y)為板厚方向上的切應力分布。

Xiao和Yamada[16]利用有限元方法發(fā)現(xiàn)焊趾部位的局部應力在板面方向距離焊趾2.5 mm處消失，在板厚方向距離焊趾1 mm處消失，而提出新的熱點應力計算方法：“1 mm”法。該方法的熱點應力選擇的是板厚方向距離焊趾1 mm處的應力計算值，其在一定程度上考慮了厚度效應的影響，具有較高的精度。

1.3 局部法

1.3.1 缺口應力法

缺口應力法是以熱點和結構應力法為基礎發(fā)展而來的，以缺口處的非線性應力峰值為評估參量的方法。Neuber[17]的微觀支持理論是將局部范圍ρ?內(nèi)的平均應力作為缺口等效應力，分析方法是在缺口處建立一個虛擬圓弧，其半徑為ρf，如圖7所示，用該圓弧段內(nèi)的最大應力值來代表約束微范圍ρ?內(nèi)的平均應力值。虛擬半徑ρf
和缺口半徑的關系為

圖7 虛擬圓弧定義

式中，S為缺口約束因子；ρ為實際缺口半徑。

國際焊接協(xié)會建議：對于沒有進行任何焊后處理的鋼制焊接接頭而言，焊趾實際情況十分惡劣，可視為實際缺口半徑ρ=0；缺口約束因子S=2.5；約束范圍ρ?=0.4 mm，所以虛擬缺口半徑則為ρf=1 mm。當焊接結構為厚度超過5 mm的鋼板或鋁板時，虛擬圓弧半徑可取1 mm[18]。

1.3.2 臨界距離法

缺口構件的疲勞強度取決于應力集中處一定距離范圍內(nèi)的應力水平，這個距離就叫做臨界距離（Critical distance）。以該范圍內(nèi)的平均應力作為局部參量，當其大于臨界值時即認為焊接結構會發(fā)生破壞，這就是臨界距離法（Critical Distance Method, CDM），具體分為點（Point method, PM）、線（Line method, LM）、面（Area method, AM），其關鍵在于確定臨界距離參數(shù)a0

，其值可由式（8）計算得到。

式中，ΔKth與Δσ0分別為給定循環(huán)特性R的光滑式樣的疲勞裂紋擴展門檻值和疲勞極限[19]。

Taylor經(jīng)過分析得到了當ΔKth=ΔK即疲勞裂紋擴展門檻值和等效應力強度因子相等時，PM、LM、AM法分別在距離裂紋尖端r=a0/2處的應力、r=～0～2a0線段上的平均應力、r=a0為半徑的半圓形面積內(nèi)的平均應力為Δσ0、Δσ0、1.1Δσ0[20]。這種方法還可適用于多軸應力和變幅應力狀態(tài)下的疲勞研究[21]。

1.3.3 臨界體積法

臨界體積是指在應力集中處附近低于最大應力10%的三維區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的平均應力決定疲勞損傷[22?23]。Qilafku[22]通過有限元分析指出在載荷模式和式樣一定的情況下其臨界體積是唯一的，同時還指出在給定疲勞壽命的情況下，有效剪切應力τef和平均正應力pm表示的疲勞強度是橢圓曲線（τef為橫軸，pm為縱軸）如式（9）所示：

式中，a，b為材料常數(shù)。

在進行疲勞評定時利用光滑與缺口式樣的扭轉拉壓試驗的S–N曲線結合數(shù)值分析，確定材料常數(shù)a，b的值，得到不同疲勞壽命下的疲勞強度，再計算受載荷構件的τef與pm，并與之前的疲勞強度進行比較，從而來預測構建的疲勞壽命。Amarir等[24]利用臨界體積法對汽車焊接結構進行疲勞壽命評定，得到了較為精確的結果，并指出臨界體積法與現(xiàn)行應用標準中的其他方法相比具有許多優(yōu)點。

2. 影響焊接結構疲勞壽命的因素

焊接結構的接頭類型、焊接缺陷、殘余應力、焊趾區(qū)幾何形狀等都會對疲勞壽命產(chǎn)生影響[25]。

2.1 接頭類型

焊接接頭處的應力集中，促進裂紋的萌生和擴展。在對接、十字和T型這3種接頭中，對接接頭的應力集中系數(shù)最小，是工程中常用的焊接接頭；而另外2種接頭由于焊縫處的截面變化較大，故應力集中系數(shù)較大，接頭類型如圖8所示。對于開坡口的十字接頭，斷裂只在焊趾處發(fā)生；對于不開破口的承載角焊縫十字接頭，斷裂也有可能在焊根處發(fā)生。

圖8 接頭類型：(a)T型；(b)對接；(c)十字

2.2 焊趾區(qū)幾何形狀

即使焊接材料和接頭類型相同，焊接結構的疲勞壽命也會出現(xiàn)較大的差別，這是由焊趾區(qū)的幾何外形不同造成的。有研究表明[2, 26?27]，焊趾區(qū)的幾何外形對疲勞性能的影響最大，并且這種影響隨著母材的強度等級升高而增大。焊趾區(qū)的幾何參數(shù)如圖9所示。

圖9 焊趾區(qū)的幾何參數(shù)

如圖9所示，ρ和θ分別是焊趾區(qū)的過渡半徑和傾斜角。有研究表明[27]：ρ的增加會降低應力集中，使疲勞強度增加；焊縫寬度W和焊縫高度H變化時，只要保持焊趾角度θ不變則應力集中系數(shù)不變，疲勞強度也不改變；而θ增加會使應力集中程度增大導致疲勞強度減小。

2.3 焊接缺陷

圖10分別為裂紋、咬邊、未焊透、氣孔和夾雜，這些焊接缺陷都會造成應力集中，進而降低焊接結構的疲勞強度[28?29]。并且表面上的缺陷對疲勞壽命帶來的影響比內(nèi)部的缺陷更嚴重。

圖10 焊接缺陷：(a)裂紋；(b)咬邊；(c)未焊透；(d)氣孔；(e)夾雜

2.4 焊接殘余應力

焊接結構的焊縫及其附近區(qū)域的焊接殘余應力可高至材料的屈服點，因此在施加循環(huán)載荷后[27]，焊縫附近實際所承受的平均應力和應力峰谷值會高出很多，進而降低焊接結構的疲勞壽命，因為在載荷幅值相等的前提下，平均應力越大，焊接結構的疲勞壽命就越短，而焊接殘余應力表現(xiàn)為拉應力，所以焊接結構會因為焊接殘余應力的存在而大大降低其疲勞壽命[3, 30]。

3. 焊接結構的延壽方法

3.1 焊趾的打磨

當焊縫沒有明顯缺陷的條件下，用機加工的方式把焊縫的余高打磨平滑，可有效提升焊縫的疲勞強度。因為打磨焊縫的過程中去除了導致焊縫開裂的缺陷，同時也增大了焊趾的過渡半徑ρ，如圖11所示，減小了焊趾區(qū)的應力集中，進而提高了焊接結構的疲勞強度。但當焊縫處有未焊透以及裂紋時，打磨反而會使疲勞強度降低。無論何種接頭類型，對焊趾打磨的方式都相同，但同樣的打磨方式對于“對接”、“十字”和“T型”等不同的接頭類型所帶來的延壽效果有何差異目前并不明朗。

圖11 打磨過程的基本要領

3.2 錘擊和噴丸

在焊接結構焊縫及其附近引入壓應力也是延長疲勞壽命的有效方法，因為壓應力會減小材料所受到的循環(huán)載荷的平均應力，進而提高疲勞壽命。如圖12所示，對焊趾反復錘擊，引入殘余壓應力來降低平均應力，從而達到延壽的目的。

圖12 焊趾錘擊的效果圖[31]

噴丸是通過噴槍噴出高速丸粒去轟擊工件的表面，給工件表面引入殘余壓應力，起到延壽的效果[3]。

3.3 TIG熔修

TIG熔修的技術思路同焊趾打磨類似，目的是為了去除焊趾處的焊接缺陷和增大焊趾的過渡半徑ρ，以減小應力集中系數(shù)，能有效延長疲勞壽命[32]。因為TIG焊接接頭的質(zhì)量好、疲勞強度很高，于是利用TIG焊炬對焊趾處一定范圍內(nèi)的金屬重熔，以達到延壽目的。TIG熔修過程示意圖如圖13所示。

圖13 TIG熔修示意圖

4. 結束語

名義應力法是最早應用在焊接結構疲勞評定的方法，名義應力法相對簡單，對簡單焊接結構的疲勞進行評估較為簡便，但精度偏低，且難以評定復雜焊接結構。熱點應力法精度比名義應力法高，由于無需考慮焊縫細節(jié)，所以當接頭類型相同時，可用同一條S–N曲線，但只能評估焊趾處的應力狀態(tài)，被大量應用在海洋工程領域。局部法的評定精度與復雜程度都高于前兩者，所反映的應力狀態(tài)也更加準確。通過打磨和TIG熔修消除焊接缺陷和增大焊趾過渡半徑ρ，通過錘擊和噴丸引入殘余壓應力，這些延壽措施可以消除或者緩解各種缺陷對壽命帶來的不利影響。

目前，在焊接結構單軸疲勞評定方面已有大量的研究，也發(fā)展出了許多評定方法。但在實際工程應用中，大部分的焊接構件承受的并非單軸載荷，而是復雜交變的多軸載荷。關于焊接結構多軸疲勞的評定還處于研究初期，疲勞評定體系不完善，相應的研究工作遠遠不足，因此針對焊接結構的多軸疲勞問題還應繼續(xù)深入研究，以期能找到用于焊接結構多軸疲勞評定的有效方法。

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作者簡介：易竺霖（1998—），男，漢族，四川巴中人，在讀碩士研究生，研究方向：焊接結構的疲勞研究。通信地址：中國船舶集團第七二五研究所（洛陽）；E-mail：zhulinyi8816@163.com