十字焊接接頭疲勞試驗(yàn)與宏觀斷口分析

魏國前, 胡政豪, 黨 章, 何毅斌

(1.武漢科技大學(xué) a.冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430081；2.武漢工程大學(xué) 化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205)

0 引 言

疲勞試驗(yàn)是確定材料、接頭和結(jié)構(gòu)疲勞性能的重要手段，相比其他力學(xué)性能試驗(yàn)而言，疲勞試驗(yàn)采用的載荷、試件、環(huán)境以及試驗(yàn)設(shè)備有很大差異，一般需要消耗大量的時(shí)間和財(cái)物。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞特性往往取決于焊縫接頭，因此常常采用特定的焊接接頭試件開展實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的疲勞試驗(yàn)研究。

Chapetti等[1]針對(duì)3種厚度的對(duì)接接頭試件開展了四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，研究了對(duì)接焊縫的短/長裂紋統(tǒng)一模型。Ozler[2]針對(duì)全焊透對(duì)接接頭、未焊透對(duì)接接頭和橫向加強(qiáng)板接頭3種試件，開展了R=-1和R=0的拉伸疲勞試驗(yàn)，研究了平均應(yīng)力對(duì)焊接接頭疲勞壽命的影響。Saiprasertkit等[3]加工了不同滲透比值的承載型十字焊接接頭試件，開展了高周和低周條件下的疲勞試驗(yàn)，研究了滲透比值對(duì)疲勞壽命的影響。Bertini等[4]針對(duì)管-板之間的連接角焊縫，開展了彎曲、扭轉(zhuǎn)和混合載荷下的疲勞試驗(yàn)，研究了鐵路轉(zhuǎn)向架的疲勞性能。上述疲勞試驗(yàn)大多以焊接接頭完全斷裂作為疲勞壽命的判定指標(biāo)，忽略了疲勞裂紋的初期行為。朱明亮等[5-6]針對(duì)不同的焊縫連接材料和焊接工藝，采用原位試驗(yàn)技術(shù)分析了試件表面和疲勞斷口的微觀形貌，研究了焊縫微區(qū)的微觀裂紋行為，這些研究側(cè)重疲勞破壞的微觀機(jī)理，缺少對(duì)工程設(shè)計(jì)的明確指導(dǎo)意義。

實(shí)際上，疲勞斷口作為記錄裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂的主要物證，每個(gè)階段都與內(nèi)部、外部、力學(xué)、化學(xué)、物理的等諸多因素有關(guān)，包含了極其豐富的失效診斷信息。疲勞斷口的宏觀分析不僅可以獲得有關(guān)加載類型和大小的有益線索，還可以分析裂紋源的位置以及裂紋演變過程。為此，本文針對(duì)十字焊接接頭開展了拉伸疲勞試驗(yàn)，基于勾線法原理生成了典型的宏觀海灘條帶，通過宏觀斷口分析分析了焊趾裂紋的演變行為。

1 疲勞宏觀斷口

1.1 基本形貌特征

疲勞宏觀斷口具有重要性、全息性、唯一性和可分析性等特點(diǎn)，一般由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)三部分組成[7]。穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)常常出現(xiàn)肉眼可識(shí)別的與裂紋擴(kuò)展方向垂直的弧形線，即海灘條帶(Bench Mark)。

海灘條帶是疲勞裂紋瞬時(shí)前沿線宏觀塑性變形的痕跡，是疲勞斷口重要的宏觀形貌特征，能夠真實(shí)地反映裂紋前沿形狀，是疲勞斷口分析和判斷的主要依據(jù)。由于試件材料的缺口敏感性、疲勞斷裂源數(shù)量等因素，并不是所有的疲勞斷口上都會(huì)出現(xiàn)海灘條帶，焊接接頭的疲勞斷口[8-11]尤其如此。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，一般采用勾線法人為地生成海灘條帶。

1.2 勾線法基本原理

一般認(rèn)為，海灘條帶的產(chǎn)生與循環(huán)載荷的應(yīng)力水平變化直接相關(guān)，恒幅加載條件下較難產(chǎn)生明顯的海灘條帶。為此，一些學(xué)者提出了勾線法[12-13]。勾線法是指在基線載荷譜中引入一定數(shù)量的標(biāo)記載荷譜，標(biāo)記載荷譜和基線載荷譜具有不同的應(yīng)力水平，導(dǎo)致在斷口上留下肉眼可區(qū)分的條帶?；€載荷譜和標(biāo)記載荷譜一般采用等幅方式，通常暗色條帶對(duì)應(yīng)高應(yīng)力幅循環(huán);亮色條帶對(duì)應(yīng)低應(yīng)力幅循環(huán)。

等幅標(biāo)記載荷譜需要考慮3個(gè)參量：載荷幅值、載荷平均值和循環(huán)次數(shù)。引入的標(biāo)記載荷不僅要在斷口上形成明顯的條帶色差和可識(shí)別的條帶寬度，還要求載荷變化對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命的影響可以忽略不計(jì)。此外，如果采用升載勾線法，還要考慮過載遲滯現(xiàn)象及其可能造成的影響[14-16]。

2 疲勞試驗(yàn)

2.1 疲勞試件

本文采用圖1所示的十字焊接接頭試件，母材材料為Q345，其化學(xué)成分:C 0.15%,Si 0.38%,Mn1.36%,P 1.2×10-4%,S 3×10-5%,Alu 4×10-4%。基本力能參數(shù):δs=355 MPa,δb=560 MPa,σ=22%,E=206 GPa,μ=0.3。硬度參數(shù)(HV5):母材176,焊縫210,熱影響區(qū)309。采用手工電弧焊焊接方式，焊絲為CHW-50C6。為確保焊根處全熔透，薄板預(yù)先打磨并開坡口，坡口形式和尺寸符合GB/T985—1988和GB/T986—1988的規(guī)定，采取多層施焊直至焊腳尺寸達(dá)到要求。焊后采用錘擊法消除殘余應(yīng)力。

2.2 試驗(yàn)載荷譜

疲勞試驗(yàn)在SDS100電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上開展，采用2種載荷譜塊，一種為基線載荷譜塊;另一種為標(biāo)記載荷譜塊?；€載荷譜塊的載荷幅值為0～80 kN，載荷平均值為40 kN。為了獲得清晰可辨的海灘條帶，設(shè)計(jì)3種標(biāo)記載荷譜塊，其中，a型和b型標(biāo)記載荷譜塊的最大值與基線載荷譜塊的最大值相同，幅值分別為基線載荷譜塊幅值的1/2和1/4;c型標(biāo)記載荷譜塊的幅值為基線載荷譜塊幅值的1/2，平均值不變。根據(jù)以往十字焊接結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)裂紋萌生壽命不會(huì)低于整個(gè)疲勞壽命的30%，故將首次基線載荷譜塊的循環(huán)加載次數(shù)設(shè)為30×104次，之后的基線載荷譜塊的循環(huán)加載次數(shù)設(shè)為10×104次，而標(biāo)記載荷塊的的循環(huán)加載次數(shù)設(shè)為5×104次。完整的試驗(yàn)載荷譜如圖2所示。

圖2 疲勞試驗(yàn)載荷譜

2.3 試驗(yàn)過程

針對(duì)上述疲勞試件和試驗(yàn)載荷譜，開展了9根試件的疲勞試驗(yàn)，其中，每種載荷譜試驗(yàn)3根試件。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)中，每隔5×104次設(shè)置一次暫停，此時(shí)疲勞試驗(yàn)機(jī)雖然暫停工作，但仍處于前一次加載載荷的平均值加載狀態(tài)，試件承受拉伸載荷，裂紋處于張開狀態(tài)，有利于裂紋的觀察。暫停期間，首先采用5～10倍放大鏡觀察焊趾部位，然后噴射滲透劑進(jìn)行無損裂紋檢測。一旦發(fā)現(xiàn)裂紋，做好記錄和拍照工作。暫停之后繼續(xù)加載，直至試件完全斷裂。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 疲勞壽命分析

所有9根試件的萌生和斷裂均發(fā)生于薄板焊趾部位，裂紋的萌生具有多發(fā)性和不同步性，將最先發(fā)現(xiàn)裂紋的循環(huán)加載次數(shù)定義為試驗(yàn)萌生壽命;將試件最終斷裂的循環(huán)加載次數(shù)定義為試驗(yàn)總壽命，試驗(yàn)萌生壽命與試驗(yàn)總壽命的比值規(guī)律如圖4所示。

由于基線載荷和標(biāo)記載荷的幅值和平均值不同，相同加載次數(shù)下造成的疲勞損傷也不同。為便于比較，利用Goodman公式對(duì)不同的平均值進(jìn)行等壽命處理，根據(jù)Miner 線性累計(jì)損傷法則和損傷等效原則，將標(biāo)記載荷的加載次數(shù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)基線載荷的等效加載次數(shù)，試驗(yàn)壽命和計(jì)算壽命如表1所示?？梢钥闯觯瑹o論是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是計(jì)算壽命，所有試件的萌生壽命占其總壽命的比值都較大，表明裂紋萌生階段在焊接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)中不可忽略。

圖4 試驗(yàn)壽命示意圖

按照總壽命由小到大進(jìn)行排序，以疲勞壽命Ni的對(duì)數(shù)值定義隨機(jī)變量xi，以xi由小到大排列的序數(shù)i估計(jì)試件的破壞概率Pi，計(jì)算式如下:

式中，n為樣本數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。將表2中的xi，Pi點(diǎn)繪制在正態(tài)概率紙上，如圖5所示，可以看出,圖中各數(shù)據(jù)點(diǎn)基本呈線性分布，故上述試驗(yàn)獲得的對(duì)數(shù)疲勞壽命服從正態(tài)分布，并具有一定分散性。

3.2 疲勞斷口宏觀分析

對(duì)所有試件的疲勞斷口進(jìn)行宏觀分析，均可看到明顯的疲勞區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)分界線。3根a型載荷譜試件和2根b型載荷譜試件的疲勞斷口上出現(xiàn)了清晰的疲勞海灘條帶，另1根b型載荷譜試件的斷口有肉眼可識(shí)別的海灘條帶痕跡，而3根c型載荷譜試件的斷口均未見明顯的海灘條帶，如圖6所示。表明勾線載荷譜對(duì)海灘條帶的形成有重要作用，載荷幅值和載荷平均值越大，海灘條帶越清晰。

表2 總壽命概率分析

圖5 總壽命概率分布

(b) b型載荷譜試件(L28-5)

(c) c型載荷譜試件(L28-7)

(d) a型載荷譜試件(L28-3)

宏觀斷口分析發(fā)現(xiàn)了3種基本的裂紋演變形態(tài)：

(1) 邊裂紋致斷裂型。如圖7(a)所示,首先在靠近試件側(cè)面的焊趾上萌生一個(gè)半橢圓形表面裂紋，表面裂紋沿板厚和焊趾方向同時(shí)擴(kuò)展形成角裂紋，角裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展形成邊裂紋，邊裂紋向另一側(cè)擴(kuò)展直至試件斷裂。

(2) 貫穿裂紋致斷裂型。如圖7(b)所示,首先在焊趾中部萌生一個(gè)半橢圓形表面裂紋，表面裂紋沿板厚和焊趾方向同時(shí)擴(kuò)展，由于沒有其他可能萌生裂紋的影響，已萌生的裂紋率先形成貫穿裂紋，貫穿裂紋向兩邊縱向擴(kuò)展直至試件斷裂。

(3) 多裂紋融合型。如圖7(c)所示,這種類型的演變情況較為復(fù)雜，比較典型的演變過程是，首先在焊趾中部區(qū)域萌生半橢圓形表面裂紋，表面裂紋沿板厚和焊趾方向同時(shí)擴(kuò)展，期間已萌生裂紋的附近焊趾部位又萌生新的表面裂紋。這些表面裂紋不斷擴(kuò)展、融合，逐漸形成一條狹長形裂紋，主要沿焊趾擴(kuò)展，未等貫穿板厚即喪失承載能力，導(dǎo)致試件斷裂。如果形成的長形裂紋靠近一側(cè)，則會(huì)先形成角裂紋，繼而形成邊裂紋，最后直至試件斷裂，如圖7(d)所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖7 疲勞裂紋演變示意圖

上述裂紋演變形態(tài)主要取決于裂紋萌生的部位和數(shù)量。如果初始裂紋萌生于焊趾端部，端部側(cè)面抵抗裂紋向該方向的阻力較小，裂紋沿焊趾方向擴(kuò)展的速率比沿板厚方向?yàn)榭?，容易以上?1)形態(tài)演變。如果初始裂紋萌生于焊趾中部，裂紋前沿處于平面應(yīng)變狀態(tài)，更容易以(2)形態(tài)演變。如果多個(gè)初始裂紋同時(shí)或者在較短間隔時(shí)間內(nèi)萌生，則容易以(3)形態(tài)演變。值得注意的是，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的焊縫一般都較長，如果焊趾條件不佳，容易導(dǎo)致多處萌生初始裂紋，因此容易出現(xiàn)長條狀的未貫穿裂紋。相反，如果焊趾條件良好，初始裂紋數(shù)量少，其沿長度方向的擴(kuò)展會(huì)受到抑制，這對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能是極其有益的。

4 結(jié) 論

(1) 針對(duì)十字焊接接頭開展了9根試件的拉伸疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明焊接接頭的萌生壽命占疲勞壽命的

較高比值，傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)法求解焊接結(jié)構(gòu)剩余壽命過于保守。

(2) 通過3種標(biāo)記載荷的試驗(yàn)研究，表明勾線法是生成海灘條帶的有效方法，標(biāo)記載荷的幅值、平均值和循環(huán)次數(shù)是影響海灘條帶生成效果的重要因素，保留載荷最大值的半幅標(biāo)記載荷譜容易獲得較明顯的疲勞海灘條帶。

(3) 宏觀斷口分析揭示了3種焊趾裂紋的演變形態(tài)，初始裂紋的萌生部位和數(shù)量是影響裂紋演變形態(tài)的主要因素，而這些因素與焊縫焊趾的幾何形貌和有較大關(guān)系。

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