1 前言

焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)一直是汽車行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的難點(diǎn)，但由于焊接結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性好、重量輕、易于加工、便于采用自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在長期承受靜態(tài)或動(dòng)態(tài)載荷的復(fù)雜裝備領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是焊接工藝技術(shù)的不斷推陳出新，更是顯著地提升了焊接結(jié)構(gòu)在這些產(chǎn)品中的應(yīng)用地位。但是焊接結(jié)構(gòu)還有不足的一面，即：承受動(dòng)載荷的焊接接頭，由于其幾何不連續(xù)性而導(dǎo)致應(yīng)力集中，因而使焊接結(jié)構(gòu)成了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)之一。而我們在焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)過程中常常存在以下4種典型誤區(qū)。

圖1 某車減振器支座焊縫開裂

2 誤區(qū)一：將金屬材料抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論與方法不加區(qū)分地應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)

實(shí)際上焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)的理論與方法和金屬材料疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論與方法不同，其原因是它們疲勞破壞的機(jī)理是有區(qū)別的，而且二者不可相互替代。如在定義金屬疲勞壽命時(shí)，認(rèn)為金屬材料疲勞壽命是“構(gòu)件疲勞裂紋萌生壽命與裂紋擴(kuò)展壽命之和”，然而在焊接結(jié)構(gòu)的疲勞開裂過程中裂紋萌生對疲勞壽命的貢獻(xiàn)是可以忽略不計(jì)的。

在金屬材料抗疲勞理論中，使用名義應(yīng)力法時(shí)，是以材料的S-N曲線為基礎(chǔ)，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)證明：焊接接頭母材的S-N數(shù)據(jù)不能替代焊接接頭的S-N曲線數(shù)據(jù)，其根本原因是兩者具有不同的力學(xué)破環(huán)機(jī)理。

在評估金屬材料疲勞壽命時(shí)，使用的是考慮應(yīng)力比R的“修正Goodman圖”，即認(rèn)為疲勞強(qiáng)度隨著不同的R值變化。而在焊接結(jié)構(gòu)中，英國焊接研究所的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)早已證明，修正的Goodman圖用來處理焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題是不恰當(dāng)?shù)模碛墒怯捎跉堄鄳?yīng)力的存在，平均應(yīng)力對焊接接頭疲勞壽命的影響基本看不到，而對于金屬材料的疲勞則不是這樣。

正是由于上述理論認(rèn)識(shí)上的誤導(dǎo)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員或者決策部門在力圖提高焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力時(shí)，常傾向于選用屈服強(qiáng)度高的母材，他們誤認(rèn)為高屈服強(qiáng)度母材的焊接接頭的抗疲勞能力也必然高。對于金屬材料疲勞，該觀點(diǎn)是正確的。然而對于焊接結(jié)構(gòu)來說，該觀點(diǎn)是不成立的。英國標(biāo)準(zhǔn)BS 76081993《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評估實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)用數(shù)據(jù)明確證明，標(biāo)準(zhǔn)中所提供的焊接接頭的S-N曲線數(shù)據(jù)對屈服強(qiáng)度低于700MPa以下的結(jié)構(gòu)鋼都適用，這就意味著同一焊接接頭，只要使用的母材的屈服強(qiáng)度低于700MPa，例如屈服強(qiáng)度為345MPa的Q345鋼與屈服強(qiáng)度為435MPa的Q435鋼，他們的S-N曲線數(shù)據(jù)是沒有區(qū)別的。關(guān)于這一點(diǎn)，國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）在2008年的標(biāo)準(zhǔn)中，甚至將這個(gè)屈服強(qiáng)度范圍提高到了960MPa。

疲勞載荷相同、幾何形狀也相同的焊接接頭的抗疲勞能力僅由它產(chǎn)生的應(yīng)力集中控制，而應(yīng)力集中的高或低則不由母材的屈服強(qiáng)度控制。

3 誤區(qū)二：將焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效問題歸結(jié)為焊接質(zhì)量問題

該認(rèn)識(shí)誤區(qū)是責(zé)任層面上的，即習(xí)慣于將焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效主要?dú)w結(jié)為焊接質(zhì)量的問題，習(xí)慣于從制造質(zhì)量的角度尋找問題發(fā)生的原因。

在過去很長的一段時(shí)間里有過這樣的教訓(xùn)，焊接質(zhì)量很差，焊接缺陷嚴(yán)重而導(dǎo)致而導(dǎo)致一些焊縫在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生疲勞失效。在吸取質(zhì)量上的教訓(xùn)之后，現(xiàn)階段焊接質(zhì)量已經(jīng)有了明顯的改善，但是疲勞失效問題還是繼續(xù)發(fā)生，例如某動(dòng)車組設(shè)備艙裙板焊接支架上焊縫的疲勞開裂，就是其中的一個(gè)典型案例。經(jīng)過非常嚴(yán)格的檢查未發(fā)現(xiàn)該處焊接質(zhì)量的任何問題，然而服役不久該結(jié)構(gòu)還是出現(xiàn)了疲勞失效問題。這個(gè)案例表明：將應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因簡單地歸結(jié)為焊接質(zhì)量的問題是不恰當(dāng)?shù)模瑧?yīng)力集中可以產(chǎn)生于制造階段，也可以產(chǎn)生于設(shè)計(jì)階段，不同的階段應(yīng)該有不同的責(zé)任，雖然邏輯上責(zé)任問題不是一個(gè)科學(xué)問題，但是責(zé)任不清導(dǎo)致治理上的錯(cuò)位也不可掉以輕心。

4 誤區(qū)三：焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘余應(yīng)力對疲勞壽命有重要影響

該認(rèn)識(shí)誤區(qū)是關(guān)于焊接殘余應(yīng)力影響的問題，即認(rèn)為焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在復(fù)雜的殘余應(yīng)力，且這個(gè)殘余應(yīng)力對疲勞壽命有重要的影響，可是這個(gè)影響究竟有多大又難以可靠估計(jì)。

關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力本身，國內(nèi)許多焊接專家的著作中對殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)制都有過詳細(xì)的闡述，一致認(rèn)為焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在著相當(dāng)復(fù)雜的殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)工藝過程的必然結(jié)果。然而在談到殘余應(yīng)力對疲勞壽命或疲勞失效到底有什么影響時(shí)，英國焊接研究所的T.R.Gurney博士在他的專著《焊接結(jié)構(gòu)的疲勞》中曾有過這樣一段精彩的描述：“把焊接結(jié)構(gòu)的發(fā)生的破壞，歸咎于殘余應(yīng)力的影響，這種看法并沒有幾年，但是最近的研究已經(jīng)趨于要證明這種觀點(diǎn)是一種誤解，即使在某些情況下殘余應(yīng)力無疑會(huì)有危害，但它們并不總是要負(fù)主要責(zé)任。”

焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力峰值可以達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，由于構(gòu)件類型、焊接工藝、裝配順序及夾具等影響，殘余應(yīng)力常表現(xiàn)為復(fù)雜的分布形式，在進(jìn)行疲勞評估時(shí)，定量計(jì)算殘余應(yīng)力的影響在工程上是很困難的，替代方法是確保疲勞性能測試數(shù)據(jù)包含殘余應(yīng)力的影響（例如S-N曲線數(shù)據(jù)），這通常要求試件要具有足夠的尺寸，這在常用的國際規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中，如EN標(biāo)準(zhǔn)、BS標(biāo)準(zhǔn)、IIW標(biāo)準(zhǔn)及ASME標(biāo)準(zhǔn)，S-N曲線數(shù)據(jù)中已經(jīng)包含了殘余應(yīng)力的影響，這樣就無須再次單獨(dú)處理殘余應(yīng)力對疲勞評估結(jié)果的影響。

董平沙教授對此有過更深入的研究并給出了結(jié)論：“如果有合適的S-N曲線數(shù)據(jù)，殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)疲勞的影響并不需要單獨(dú)考慮?！边@里需要強(qiáng)調(diào)的是，同樣是應(yīng)力，但是外載荷控制的應(yīng)力與位移控制的殘余應(yīng)力對裂紋擴(kuò)展的影響不在一個(gè)數(shù)量級上，后者遠(yuǎn)小于前者。如果理解了美國ASME BPVC VII-2-2015中給出的疲勞壽命估算公式的推導(dǎo)過程，殘余應(yīng)力的共享幾乎是看不到的。

5 誤區(qū)四：對于焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題，只重視驗(yàn)證，不重視設(shè)計(jì)

該認(rèn)識(shí)誤區(qū)是邏輯層面上的，即能否用辯證的眼光看待疲勞壽命數(shù)值仿真與臺(tái)架疲勞試驗(yàn)這二者之間的關(guān)系。

類似于車輛產(chǎn)品的研發(fā)主要階段是設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證，可以把這三個(gè)階段比喻成一條河流的上游、中游、下游。

由于形成焊接結(jié)構(gòu)的熱物理行為相當(dāng)復(fù)雜，致使一些決策者認(rèn)為疲勞失效隱患存在與否的檢查手段只能是臺(tái)架上的疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。事實(shí)上，對臺(tái)架上疲勞試驗(yàn)的重視確實(shí)是有必要的，但是還應(yīng)當(dāng)看到它的“下游屬性”，在僅有設(shè)計(jì)圖樣的上游設(shè)計(jì)階段，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，應(yīng)力集中之類的疲勞隱患就有可能藏匿其中，一旦發(fā)生這種上游污染，下游治理的代價(jià)是很大的。

當(dāng)然，焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的估算結(jié)果是概率意義上的統(tǒng)計(jì)，由于在數(shù)值仿真建模的過程中一些影響因素被簡化或忽略，進(jìn)而導(dǎo)致了仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的相對誤差。但是在建模中如果能抓住主要矛盾，基于仿真計(jì)算結(jié)果的“設(shè)計(jì)方案相對比較中選優(yōu)”則有明確的意義，如果計(jì)算手段更科學(xué)一些，優(yōu)選出來的設(shè)計(jì)方案將更有工程價(jià)值。如果在設(shè)計(jì)階段這樣做，上游應(yīng)力集中污染的程度將會(huì)顯著降低或歸零，而要能做到這點(diǎn)，除了要有科學(xué)的方法之外，還需要用辯證的眼光看待疲勞壽命仿真與臺(tái)架疲勞試驗(yàn)這二者之間的互補(bǔ)關(guān)系。