基于缺口应力法及断裂力学法的未融合焊接接头疲劳研究

基于缺口应力法及断裂力学法的未融合焊接接头疲劳研究

付媛媛

中国中车长春轨道客车股份有限公司工程研究中心转向架研发部，吉林 长春 130000

摘要：为了验证未融合缺陷对焊接接头的疲劳寿命的影响，本文针对存在未融合缺陷的焊接接头进行有限元仿真分析及断裂力学计算，得到焊接接头的疲劳寿命，通过两种分析方法的计算结果与标准S-N曲线对比，确定未融合缺陷对焊接疲劳寿命的影响。

关键词： 缺口应力；断裂力学；缺陷；疲劳

1 引言

对于焊接接头来说，典型的焊接缺陷有两种：外观类缺陷和面积类曲线。其中外观类的缺陷包括气孔、夹杂、咬边和错边；面积类缺陷包括未融合和裂纹。

其中，气孔和夹杂对焊接接头的疲劳寿命影响不大，而且由于目前的工艺水平，气孔和夹杂类缺陷出现概率很低，错边缺陷在设计之初就可避免，至于咬边、未融合和裂纹对焊接接头的疲劳寿命影响较大，但咬边及裂纹缺陷均是发生在焊接接头结构表面，容易通过探伤被发现从而采用打磨进行修正。

对于未融合缺陷，一般是由于焊接空间及焊缝厚度导致焊接内部出现不融合的现象，常发生在焊根处。容易被忽略，且无法通过简单的方式进行焊后修复。

根据以上缺陷特征分析，未融合缺陷具有隐蔽性以及不易修复性，故通过缺口应力法和断裂力学法对焊接接头的疲劳特性进行分析，对复杂结构的焊接接头即易发生未融合缺陷的危险接头，可进行提前预测寿命，给出安全系数。

2 缺口应力法

2.1 原理介绍

缺口应力是缺口根部的总应力，是膜应力、壳体弯曲应力和非线性应力峰值的总和，所谓缺口应力法就是以焊趾和焊根的缺口点的非线性峰值应力作为疲劳评估量^[1]。

可用R=1mm的圆形缺口模拟焊趾和焊根表面状态^[2]，适用于板厚大于5mm的钢板或铝板。

2.2 仿真计算

现对两个十字形接头进行仿真，未融合长度分别为2.8mm和18mm，与厚度比值分别为14.0%-66.7%，在焊根和焊趾处通过R=1mm的圆弧代替缺口尖角。外部载荷作用下的名义应力为100Mpa，载荷方向垂直于焊缝，此时焊接接头的应力云图见图1。

未融合长度为2.8mm的接头1 未融合长度为18mm的接头2

图1 十字焊接接头的应力云图

由图可知，焊根处缺口应力最大，分别为324.9Mpa和929.0Mpa。根据国际焊接协会（International Institute of Welding，IIW ）的规定，当存活率为95%时，2×10⁶次循环载荷作用下的缺口许用应力范围为225Mpa。按照以下公式转化成名义应力的疲劳极限分别为69.0Mpa和24.2Mpa。

公式(1)

其中，m为S-N曲线的斜率， 为应力范围。

3 断裂力学法

以内容2中的两个十字接头为例，计算在固定名义应力为100MPa下的焊根未熔透尺寸ai裂到尺寸af的循环次数N，结构示意图见图2。

图2 十字接头结构示意图

根据公式(2)-公式(7)计算循环次数分别为586530和20897，再根据公式(1)转换为疲劳极限值分别为66.0MPa、22.0MPa。

公式(2)

公式(3)

公式(4)

公式(5)

公式(6)

公式(7)

其中，C₀为常数，a为未融合长度。

4 对比分析

根据以上的分析计算得到的接头疲劳极限对比分析如表1。

表1 缺口应力法及断裂力学法的疲劳极限对比

参照IIW标准可知，未融合的十字形接头的疲劳极限为36Mpa，介于计算的接头疲劳极限之间。

5 结论

根据2-4内容可以总结如下：

(1)缺口应力法及断裂力学法计算的疲劳寿命相差不大；

(2)当存在未融合缺陷时，焊接接头的疲劳寿命随着缺陷长度的增加而降低，且值差别较大；

(3)通过对比IIW标准的存在未融合缺陷的疲劳极限值发现，两个接头的疲劳极限与标准相差较大，如采用标准进行评估，接头1偏于保守，接头2偏于危险，所以评估接头寿命时，应考虑实际的缺陷长度。

参考文献

[1] 廖小伟，王元清，宗亮，施刚.基于有效缺口应力法的钢桥焊接细节疲劳分析[J].浙江大学学报，2017，51(1)：1-8.

[2] 刘旭，张开林，姚远，王晓鹏.基于缺口应力法的焊接接头疲劳分析[J].工程力学，2016，33(6)：209-249.