焊接结构疲劳破坏：原因、影响及预防措施

1.焊接结构的疲劳破坏

大量统计数据表明，工程结构失效80%以上都是由于疲劳引起的，美国商务部国家标准局向美国国会提交的一份研究报告显示，美国每年用于断裂及断裂预防的费用为1190亿美元，相当于国民经济总产值的4%，而且统计显示，绝大多数断裂都是由于疲劳引起的。

美国几座桥梁的疲劳断裂线发生在焊缝末端附近的焊趾处，如图2-53所示。图中所示的裂纹处存在较大的应力集中，位移集中在一段比较窄而无支撑的腹板高度处，也就是从翼缘到加劲肋底部的腹板高度（阴影区域），导致腹板在此位置开裂。

疲劳是指结构构件在重复应力作用下，裂纹萌生并缓慢扩展而造成的破坏，疲劳断裂过程通常经历裂纹萌生、稳定扩展、不稳定扩展三个阶段。

1.疲劳断裂的特征

对疲劳断口进行宏观分析时，一般将断口划分为三个区域，与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应，分别称为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时扩展区，如图2-54所示。

疲劳源区是断口上疲劳裂纹形成过程的真实记录。由于疲劳源区一般很小，从宏观角度很难分辨出疲劳源区的截面特征。疲劳源一般总是出现在表面，但如果构件内部有缺陷，如脆性夹杂物，也可能出现在构件内部。有时疲劳源的数量不止一个，而是两个甚至两个以上。对于低周疲劳，应变幅值很大，断口表面往往有多个位于不同位置的疲劳源。

疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最主要的特征区域，其宏观形貌常呈现贝壳状或沙滩波纹状条纹，条纹扩展线一般从裂纹源处开始，向四周扩展，呈现一条圆弧线，与疲劳裂纹的延伸方向垂直。其微观特征为疲劳裂纹，又称疲劳条纹，每条贝壳状花纹中有数万条，通常是明暗相间的规则平行条纹，一般每条条纹代表一个载荷循环。疲劳条纹的间距在0.1-0.4μm之间。一般而言，面心立方金属（如铝及铝合金、不锈钢）的疲劳条纹更清晰、明显，而疲劳条纹远不如前者明显，如钢材上的疲劳条纹较短、不连续，轮廓不清晰。

另外，从宏观上看，有些构件特别是薄板，其断口表面没有明显的贝壳状花纹，但却有明显的疲劳台阶，在独立的疲劳区内，两个疲劳源向前延伸、汇合形成疲劳台阶，因此疲劳台阶也是疲劳裂纹扩展区的一个特征。

瞬时断裂区（或最终断裂区）是疲劳裂纹扩展到临界尺寸后出现的快速断裂。其特征与静载荷拉伸断裂中的快速破坏径向区和剪切唇相同，但有时只有剪切唇而没有径向区。对于非常脆的材料，此区域为结晶脆性断裂。

（二）影响焊接结构疲劳强度的因素

影响母材疲劳强度的因素(如应力集中、截面尺寸、表面状况、载荷条件等)对焊接结构也会产生影响，另外，焊接结构本身的一些特性，如接头近焊缝区的性能、组织变化、焊接残余应力等，也可能对焊接疲劳产生影响。

（l）应力集中的影响在焊接结构中，接头处会出现不同程度的应力集中，对接头的疲劳强度产生不同程度的不利影响。

(2)近缝区金属性能变化的影响试验研究表明,在常用线能量下,低碳钢焊接热影响区与母材的疲劳强度相当接近,近缝区金属力学性能的变化对接头影响较大,而母材疲劳强度影响较小。

（3）残余应力的影响残余应力对结构疲劳强度的影响取决于残余应力的分布情况，在工作应力较大的区域，如应力集中处，受弯构件的外缘，残余应力为拉应力，使疲劳强度降低；反之，如果该位置存在压残余应力，则疲劳强度会增加。另外，残余应力对疲劳强度的影响还与应力集中程度、应力循环次数等因素有关。具体而言，应力集中系数越大，疲劳强度越大。残余应力越大，其影响越显著。

（4）缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的类型、大小、方向和位置有关，片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透等）对疲劳损伤的影响比圆整缺陷（如气孔等）大；表面缺陷比内部缺陷影响大；位于应力集中区的缺陷比均匀应力场中同样的缺陷影响大；垂直于力方向的片状缺陷影响大于其他方向；位于残余拉应力场中的缺陷和位于残余压应力区的缺陷影响大于位于残余压应力区的缺陷。

（三）提高疲劳强度的措施

1.减少部件的应力集中

结构中的应力集中是降低焊接结构疲劳强度的最重要因素。一般采取以下措施。

（1）采用合理的零件结构，减少应力集中，提高疲劳强度。

（2）合理选择接头形式：尽可能采用应力集中系数较小的对接接头，焊缝形状应圆滑过渡。连续焊缝比间断焊缝对振动载荷更有利，应尽量少用角焊缝。

（3）采用角焊缝时，必须采取综合措施，如对焊缝端部进行机械加工、合理选择角板形状、保证焊缝根部全焊透等。

（4）利用表面机械加工消除焊缝内及周围的各种沟槽，以减少接头的应力集中。

2、提高焊接结构疲劳强度的工艺措施

（1）工艺上应正确选择焊接规范，保证焊缝成型良好，内外无缺陷。

（2）TIG焊电弧整形可以明显提高焊接接头的疲劳强度。

（3）残余应力的调整。方法有两种：对结构、构件进行整体处理，包括整体退火或超载预拉伸的方法；对接头进行局部处理，即在接头的某些部位采用加热、滚压、局部爆炸等方法。使接头应力集中点产生残余应力的方法。

（4）改善材料的力学性能。表面强化处理，用小砂轮挤压或用锤子敲击焊缝表面和过渡区，或用小钢丸喷焊区，都可以提高接头的疲劳强度。

3.采取特殊保护措施

采用特殊塑料涂层来改善焊接接头的疲劳性能是一项效果显著的新技术。

2.焊接结构的脆性断裂

自焊接结构广泛使用以来，许多国家都发生过焊接结构脆性断裂事故，其后果严重甚至灾难性。英国原子能管理局和联合国技术委员会联合调查的结果显示，在制造过程中发生的12700起应力断裂事故中，压力容器发生的灾难性事故大部分为脆性断裂，事故率为2.3×10~4；在役的100300台压力容器中，灾难性事故率为0.7×10~4，破坏性事故率为12.5×10~4，合计13.2×1O~4。在众多严重事故中，最典型的例子是1938年3月14日比利时阿尔伯特运河上的赫塞尔特大桥倒塌事故。

1.脆性断裂的特征

（1）脆性断裂一般发生在应力不高于结构设计应力，且没有发生明显塑性变形的情况下，并扩展至整个结构，造成严重损失。

（2）脆性断裂常常始于应力集中点，如构件中的缺陷、焊缝等。

（3）在低温、厚截面和高应变速率下，即在动载荷作用下，极易发生脆性断裂，大量的脆性断裂事故研究表明，引起焊接脆性断裂的原因是多方面的，但最主要的是材料选择不当、设计不合理、制造工艺和检验技术不完善等。

2、影响金属脆性断裂的因素

1.温度对故障模式的影响

降低温度会将破坏模式由塑性破坏转变为脆性破坏，这是因为随着温度的降低，发生解理断裂的危险性增大，材料会由延性断裂转变为脆性断裂，即材料的脆性转变温度升高。

2 应力状态的影响

物体受到外载荷作用时，在不同的截面上会产生不同的法应力б和剪应力т，其中有一最大法应力бmax和一最大剪应力тmax。бmax与тmax以及它们的比值бmax/тmax与加载方式a=бmax/тmax称为应力状态系数，它与加载方式、零件形状等有关。б增大的应力状态有利于塑性变形剪应力的延性断裂，б减小的应力状态有利于法应力的脆性断裂。

3.加载速度的影响

研究表明，提高加载速率可促使材料发生脆性破坏，相当于降低了温度。还应指出的是，在同样的加载速率下，当组织中存在缺陷时，应变速率可提高一倍，这是因为此时应力集中，大大降低了材料的局部塑性。

4. 材料状态的影响

（1）板材厚度的影响首先，厚板在缺陷处容易形成三轴应力的平面应变状态。另外，厚板轧制次数较少，组织疏松，内外性能不均匀。

（2）晶粒尺寸的影响晶粒尺寸对脆性转变温度有很大影响，晶粒越细，转变温度越低。

（3）化学成分的影响钢中的C、N、O、H、S、P等元素会增加钢的脆性。