未焊透焊縫疲勞壽命估算

供稿|胡靜波，胡 鵬，靳 慧，馮月貴

未焊透焊縫疲勞壽命估算

供稿|胡靜波1，胡 鵬2，靳 慧2，馮月貴1

未焊透是起重機焊縫中最常見的缺陷之一，采用有限元軟件ANSYS對未焊透的起重機焊縫試件進行仿真，通過數(shù)據(jù)擬合獲得修正后的未焊透缺陷應(yīng)力強度因子的表達式。利用斷裂力學經(jīng)典理論，結(jié)合疲勞試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)估算各試件的疲勞壽命，與實驗結(jié)果進行比較，為起重機未焊透焊縫的疲勞壽命計算提供了一種新的方法和手段。

起重機的金屬結(jié)構(gòu)為典型的焊接結(jié)構(gòu)。起重機在工程實踐中的損壞往往也是從焊接接頭處開始的。主要原因是焊接接頭在制造、安裝和使用過程中存在焊接缺陷。常見的焊接缺陷包括未焊透、未融合、氣孔、夾渣、裂紋等。這些焊接缺陷在載荷作用下通常會產(chǎn)生局部區(qū)域的應(yīng)力集中，從而降低整個金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。在所有起重機結(jié)構(gòu)的焊接缺陷中，未焊透缺陷是最為常見和危害最大的一種。未焊透是指焊接時母材金屬之間應(yīng)該熔合而未焊上的部分，一般出現(xiàn)在單面焊的坡口根部及雙面焊的坡口鈍邊位置。未焊透缺陷會造成焊縫有效面積的減小，從而使接頭強度下降，還會引起缺陷位置的應(yīng)力集中，造成更大的危害。因此對焊縫的性能進行評定，研究未焊透缺陷對焊縫疲勞壽命的影響，可以為起重機金屬結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟、安全的條件下合理使用提供理論及實踐經(jīng)驗的保障。

如果對未焊透缺陷的研究完全采用工藝實驗的方法，不僅會增大研究成本，且周期也會很長。隨著斷裂力學理論、計算機技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，采用疲勞試驗和有限元仿真相結(jié)合的方法，已被廣泛采用，因此本文即采用此方法進行實驗研究。

實驗研究

對未焊透焊縫疲勞壽命的實驗研究中，經(jīng)常采用小試樣實驗的方法。如果所采用小試樣的材質(zhì)、尺寸、焊接工藝等參數(shù)與實際結(jié)構(gòu)一致，那么實驗結(jié)果和實際結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)就不會有明顯區(qū)別。根據(jù)實驗室疲勞試驗機夾具尺寸，依據(jù)國家標準“金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法”(GB/T 3075—2008)中的相關(guān)要求選取實驗所用的小試樣，如圖1所示。對載荷波形進行加載，振動波形選擇等幅疲勞，如圖2所示。

在所有未焊透試件中，選取未焊透寬度在3 mm附近的5個試件，編號分別為1～5，其中無缺陷焊縫的疲勞壽命由選取的無缺陷焊縫S-N曲線相應(yīng)的應(yīng)力幅計算得來。各試件的應(yīng)力幅及相應(yīng)疲勞壽命的減少量分布，詳見表1。

圖1 帶未焊透缺陷焊縫試件

圖2 試驗機加載波形

有限元模型

采用通用有限元分析軟件ANSYS對帶未焊透缺陷的焊縫試件進行建模。試件的未焊透部分尺寸平均為3 mm×0.6 mm，在建模時可將其作為長方體空洞減去，如圖3所示。

考慮到未焊透部分上下兩端的凹凸不平，將未焊透部分上下兩端模擬為初始裂紋。首先將包含裂紋部分的一小塊體積從整體模型中獨立出來，這部分作為整體模型的局部裂紋體。然后對整體模型和裂紋體模型進行布爾搭接運算，將含有裂紋部分的局部體積從整體結(jié)構(gòu)中分離出來，再將含裂紋面以外的實體粘接在一起，最后完成帶裂紋的實體模型的創(chuàng)建。對裂紋部分的模型采用ANSYS中的特殊單元進行網(wǎng)格劃分，裂紋位置見圖3。余下的部分則采用常規(guī)自由網(wǎng)格劃分，這樣就生成了整個裂紋體的有限單元模型，即未焊透試件網(wǎng)格化后整體模型，詳見圖3。

圖3 含裂紋體的整體模型網(wǎng)格劃分

表1 各試件疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)分布表

疲勞壽命估算

在已知初始裂紋尺寸、臨界裂紋尺寸、相應(yīng)的應(yīng)力強度因子表達式和材料的疲勞裂紋擴展速率表達式之后，就可以用斷裂力學中的Paris公式對結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命進行估算。其中應(yīng)力強度因子和斷裂判據(jù)是采用斷裂力學進行疲勞壽命估算時關(guān)鍵的兩個問題。

采用ANSYS有限元分析的方法獲得應(yīng)力強度因子表達式。通過運用獲得的裂紋前緣各點應(yīng)力強度因子表達式計算各個試件的裂紋初始尺寸。

未焊透裂紋位于未焊透部分上下兩端，在該處試件厚度為t=2.5 mm，裂紋設(shè)置為長方形裂紋面。分別選取裂紋深度為a=0.4、0.8、1.2、1.6、2.0mm五種情況進行分析。將裂紋沿前緣劃分為80份共81個前緣尖端點，結(jié)構(gòu)關(guān)于y=20 mm面對稱，每側(cè)各40份，每4份取一個前緣尖端點計算應(yīng)力強度因子，共11個點。全部五種裂紋長度下，各條裂紋面路徑計算得到的應(yīng)力強度因子KI值分布，見表2

表2 各裂紋長度下未焊透裂紋前緣應(yīng)力強度因子KI計算值(MPa

表2 各裂紋長度下未焊透裂紋前緣應(yīng)力強度因子KI計算值(MPa

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選取裂紋前緣應(yīng)力強度因子最大的點，即第2個計算點位置。由公式計算形狀因子f的值，其中σ為未焊透模型所加荷載在焊縫截面產(chǎn)生的應(yīng)力。將數(shù)據(jù)用曲線擬合，得到曲線，詳見圖4。多項式擬合曲線的公式為：

中間未焊透部分寬度為3 mm，未焊透上下兩端裂紋處試件厚度為2.5 mm，將t=0.0025 m代入上式，即得到以a為自變量的f表達式：

圖4 未焊透裂紋第2個計算點處形狀因子數(shù)據(jù)擬合圖

第2個計算點處應(yīng)力強度因子的表達式為：

根據(jù)試驗疲勞壽命結(jié)果，將所需參數(shù)按照流程步驟，計算得到各試件的初始裂紋長度0a。計算所需參數(shù)及結(jié)果，詳見表4。

考慮到初始裂紋的計算結(jié)果較小，但在儀器可探測范圍之外，因此采用所計算出的初始裂紋的最大值0.01 mm作為初始裂紋尺寸。用Paris公式對其它試件進行壽命估算，結(jié)果相對比較保守，偏安全。其估算結(jié)果及差值見表5。

表4 試件初始裂紋計算結(jié)果

表5 未焊透試件保守疲勞壽命估計

結(jié)束語

使用有限元軟件ANSYS，對帶有典型未焊透缺陷的起重機焊縫式樣，進行三維實體建模。通過有限元仿真獲得式樣中裂紋前緣各節(jié)點的應(yīng)力強度因子值，并通過數(shù)據(jù)擬合，獲得修正后的未焊透缺陷的應(yīng)力強度因子表達式。通過該表達式，結(jié)合試驗疲勞壽命和最終裂紋的數(shù)據(jù)，采用斷裂力學的方法獲得試件的初始缺陷尺寸，從而進一步獲得各試件的疲勞壽命。采用該方法估算的疲勞壽命比試樣的實驗疲勞壽命短，估算的結(jié)果偏保守。

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Fatigue Life Estimation of Weld Seam with Incomplete Penetration

/ HU Jing-bo1, HU Peng2, JIN Hui2, FENG Yue-gui1

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.03.18

胡靜波(1980—)，男，工學碩士，工程師，長期從事機電類特種設(shè)備安全檢驗檢測技術(shù)研究工作。通信地址：210017江蘇省南京市嘉陵江東街3號南京質(zhì)監(jiān)大廈9樓南京市特檢院，E-mail：hubertert@163. com。

1. 南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，南京 210017 2. 東南大學，南京 210096