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    1焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題以及研究意義

    1.1焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題

    自從20世紀(jì)初涂藥焊條發(fā)明至今一百年來(lái)，焊接已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的工藝方%考%試|大|法，很難找出另一種發(fā)展如此之快，并在應(yīng)用規(guī)模和多樣化方面能與焊接相比的工藝，以至于當(dāng)代許多最重要的技術(shù)問(wèn)題必須采用焊接才能解決，例如：造船、鐵路、汽車(chē)、航空、航天、橋梁、鍋爐、大型廠房和高層建筑等都離不開(kāi)焊接技術(shù)的支持。如果焊接沒(méi)有發(fā)明的話，許多結(jié)構(gòu)甚至坦率的說(shuō)整個(gè)工業(yè)是不會(huì)產(chǎn)生的。毋庸置疑，目前在工程生產(chǎn)上，焊接是最主要的連接方法，焊接結(jié)構(gòu)的重量已占鋼鐵總產(chǎn)量的50%以上，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的這一比例已經(jīng)接近70%.然而焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常不斷發(fā)生斷裂事故，其中90%為疲勞失效。

    疲勞破壞一直被認(rèn)為是船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的一種主要的破壞形式，自鋼質(zhì)海船誕生至今，因結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的生成、擴(kuò)展，最后導(dǎo)致船舶破壞的事例屢有報(bào)道。美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)船舶結(jié)構(gòu)委員會(huì)（Ship Structure Committee， U.S.Coast Guard）曾組織力量對(duì)六種不同類(lèi)型的77艘民用船舶及9艘軍艦中六十多萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)部進(jìn)行了調(diào)查研究和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，有約九分之一的破壞與疲勞有關(guān)。歷史上海洋平臺(tái)的幾次重大事故，如1965年日本為美國(guó)建造的Sedco型半潛式平臺(tái)在交貨途中破損沉沒(méi)，造成13人死亡；1980年Alexan—derKeyland號(hào)半潛式平臺(tái)在北海翻沉，使一百余人葬身海底，調(diào)查分析的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的疲勞是造成事故的重要原因之一。同樣，疲勞失效也頻繁發(fā)生在鐵路公路橋梁和發(fā)電站的管道上。在五六十年代，歐洲公路網(wǎng)得到高速發(fā)展，當(dāng)時(shí)大多采用焊接技術(shù)建造鋼橋，由于那時(shí)對(duì)公路橋梁疲勞認(rèn)識(shí)不足，在規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了許多設(shè)計(jì)不合理的焊接接頭，在今天日益繁忙和加重的交通運(yùn)輸載荷下，加快了疲勞損傷過(guò)程，許多焊接鋼橋出現(xiàn)了疲勞裂紋。

    在我國(guó)焊接結(jié)構(gòu)因疲勞問(wèn)題而失效的工程事例也不斷出現(xiàn)，例如，九十年代末，高速客車(chē)轉(zhuǎn)向架中焊接接頭的疲勞斷裂，以及水輪機(jī)葉片根部的疲勞斷裂等，都給國(guó)家和企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

    1.2焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因

    焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個(gè)方面：①客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動(dòng)載荷時(shí)，其承受能力卻遠(yuǎn)低于母材，而且與焊接接頭類(lèi)型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過(guò)早失效的一個(gè)主要的因素；②早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以靜載強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，沒(méi)有考慮抗疲勞設(shè)計(jì)，或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來(lái)設(shè)計(jì)不合理的焊接接頭；③工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員對(duì)焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點(diǎn)了解不夠，所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其它金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)形式；④焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷越來(lái)越大；⑤焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)承受動(dòng)載能力的要求越來(lái)越高，而對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度方面的科研水平相對(duì)滯后。

    1.3提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能方法的研究意義

    疲勞事故的頻繁發(fā)生在一定程度上制約了焊接結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，使一些場(chǎng)合不得不放棄使用焊接結(jié)構(gòu)，甚至懷疑焊接結(jié)構(gòu)能否適用于承受動(dòng)載的工程實(shí)際，故而焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞問(wèn)題引起國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)家和工程技術(shù)人員，尤其是國(guó)際焊接學(xué)會(huì)疲勞專(zhuān)業(yè)委員會(huì)的普遍關(guān)注。在大量疲勞試驗(yàn)與工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范不斷出臺(tái)，如英國(guó)橋梁疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范BS5400、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范、日本的鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范、美國(guó)鐵路橋梁以及高速公路設(shè)計(jì)規(guī)范、國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的循環(huán)加載焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范IIW.DOC-639-8l以及我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB-17-88.世界各主要造船及海洋資源開(kāi)發(fā)國(guó)家，都在船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建造和檢驗(yàn)入級(jí)規(guī)范中對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度作出了規(guī)定和要求。

    由于焊接接頭焊趾處的焊接缺陷、應(yīng)力集中和殘余拉伸應(yīng)力的作用，其疲勞強(qiáng)度大幅度地低于基%考%試|大|本金屬的疲勞強(qiáng)度。所以焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度取決于接頭的疲勞性能，即焊接接頭的抗疲勞性能，關(guān)系著焊接結(jié)構(gòu)能否安全使用。因此為了保證焊接結(jié)構(gòu)可靠性，在設(shè)計(jì)承受交變動(dòng)載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定以焊接接頭的疲勞強(qiáng)度作為整體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，而不采用基本金屬的疲勞強(qiáng)度，顯然這造成極大浪費(fèi)。即使如此，在接頭處局部應(yīng)力集中作用下，仍然會(huì)發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的過(guò)早疲勞失效。為了使焊接結(jié)構(gòu)很好地滿足工程上對(duì)其提出的承受動(dòng)載的要求，能夠采取的措施主要有兩點(diǎn)。一方面，增加對(duì)焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的了解，精心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式及接頭形式，使所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)更合理，具有更高的疲勞強(qiáng)度；同時(shí)提高和嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，防止和減少焊接缺陷的產(chǎn)生；另一方面，直接面對(duì)焊接接頭疲勞性能較差的弱點(diǎn)，在焊接結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中、完成后以及使用過(guò)程中采取有效的工藝措施，提高接頭的疲勞強(qiáng)度，增加其承受動(dòng)載的能力、延長(zhǎng)其使用壽命。

    因此提高和改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度具有極大的潛在經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，長(zhǎng)期來(lái)，它是國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)家研究的熱點(diǎn)課題。