焊接接头与结构疲劳延寿技术的研究

蒋德森

摘要：金属构件由于长期使用中受到了交变载荷和循环载荷出现的疲劳断裂情况是导致金属构件失效的主要原因。基于此，本文首先对金属构件焊接接头部位的性能情况进行简单概述，并由此提出延长焊接缝结构疲劳寿命的技术，希望对延长金属构件焊接接头疲劳寿命方面工作提供一定参考。

关键词：焊接接头;结构疲劳;延寿技术

前言：

金属构件的焊接工艺较为复杂，而其焊接接头部位则是金属构件组织结构以及力学性能的变化缓冲区，金属构件焊接接头部位的疲劳寿命会被内在和外在的多种影响因素所影响。现阶段金属构件的使用环境要求不断提高，金属构件焊接接头部位出现的疲劳寿命问题也随之不断出现，成为重点关注的问题之一。

一、焊接接头的性能概述

（一）焊接缝的拉伸强度

金属构件的焊接操作指的是将同一种类金属或者不同种类金属采取加热、加压或者合并使用加热加压的形式，实现金属构件原子间的结合，进而定型金属构件的方法。通常情况下，金属构件的焊接接头部位可以承受的静载荷和金属构件主体差异不大，但是在循环载荷的情况下，金属构件的焊接接头的载荷承受能力会小于金属构件主体承受的循环载荷。

焊接缝的合金元素种类、含量、接收到的热能输入、冷却的速度、晶粒的成长情况以及温度峰值都会对焊接缝的力学性能以及组织结构产生影响。在实际使用过程中，不同的焊条进行焊接可以使焊缝的强度高于金属构件主体的强度，并且此过程是可以控制的，即可以通过应用焊接的强度匹配原则，达到有效控制金属构件焊接缝强度的目的。通常而言，焊接的强度匹配原则有以下三种形式：第一，低强度匹配指的是金属构件焊接的焊接缝强度比金属构件本身的强度低;第二，等强度匹配指的是金属构件焊接的焊接缝强度和金属构件本身的强度基本相同;第三，高强度匹配指的是金属构件焊接的焊接缝强度比金属构件本身的强度要高。现阶段的实际应用中金属构件焊接阶段的焊接缝强度控制技术已经较为成熟。

（二）焊接缝的硬度

金属构件焊接缝的硬度是直接表示金属材料塑性指标和弹性指标的形式，对于金属构件焊接缝而言也是十分重要的性质。在实际进行金属构件的焊接操作中，不同类型的焊接材料以及焊丝进行匹配应用后，金属构件焊接缝部位的硬度也会出现两种情况，即金属构件焊接缝部位的硬度高于金属构件本身硬度以及金属构件焊接缝部位的硬度低于金属构件本身硬度。若是金属构件的焊接缝硬度较低时，则会对焊接缝的力学综合性能造成影响，而金属构件的焊接缝硬度过大的话，则会降低焊接缝的冲击韧性，所以说对金属结构焊接缝部位的硬度控制也十分重要。焊接人员可以通过合理匹配焊条和焊丝的方式来控制金属构件焊接缝部位的合金元素量、热量输入值以及焊接后的热处理工艺等，这种方式可以在确保金属构件焊接缝部位硬度符合要求的基础上，使焊接缝部位的力学综合性能可以得到保障[1]。

（三）焊接缝的疲劳性能

金属构件的焊接操作不当可能会造成焊接缝部位存在气孔、存在渣滓、裂纹以及没有焊透的问题，这些问题都会对金属构件的静载强度产生一定的影响。而金属构件的疲劳断裂问题则是由于其在长时间多次进行循环载荷阶段，材料出现的疲劳裂纹，在之后的循环载荷使用中，疲劳裂纹不断增大，最终造成的金属构件疲劳断裂。在金属构件出现疲劳断裂的过程中，出现疲劳裂纹的阶段是疲劳寿命中持续时间最长的，而金属构件的焊接缝问题则是导致疲劳断裂的主要原因，进而缩短金属构件的疲劳寿命。不管是低周疲劳或高周疲劳，还是不同的焊接材料匹配或不同焊接方法的使用，在金属构件中大部分焊接断裂的部位都在焊接缝处，即由于焊接接头材料疲劳性能造成的断裂损失更为明显，所以延长金属构件焊接缝疲劳寿命的主要方式便是了解影响焊接缝疲劳寿命的影响因素。

二、延长焊接缝结构疲劳寿命的技术

（一）焊接缝结构的打磨技术

在延长焊接缝结构疲劳寿命的技术中，使用碳化物砂轮对焊接缝进行剖面凹形打磨的方法是成本使用最低且效果较好的方法。就焊接阶段的技术而言，凹面角焊接缝是可以提高金属构件角焊接缝疲劳寿命的。焊接缝的打磨技术原理是通过打磨的方式将焊接缝部位的咬边以及微裂纹等问题进行去除，并且增加了焊趾和金属构件之间的连接过渡半径，降低了焊接缝过渡区域的集中应力，从而达到延长金属构件疲劳寿命的目的。

（二）焊接缝结构的锤击技术

延长焊接缝结构疲劳寿命性能的技术还包括锤击技术，其主要是以锤击的方式在锤击部位施加压应力，消除焊接缝部位的一部分微观不足，并对晶粒进行一定程度的细化，通过这种方法来提高金属构件焊接缝的疲劳寿命。其原理则是通过施加压应力的形式抵消焊接缝在承受循环载荷阶段的拉应力，并且消除焊接缝部位的微观不足也可以减少焊接后仍存在的疲劳裂纹，晶粒的细化还可以提高其对抗滑移形变的能力，减少循环滑移带的形成，增加焊接缝裂纹扩大的阻力。

（三）焊接缝结构的TIG熔修技术

TIG熔修技術可以将已经成型的金属构件焊接缝以及焊趾部位进行重新的熔化，得到浅层的重熔区域。这一区域的金属构件焊接缝和金属构件本体之间的过渡较为光滑，减少了焊接缝部位出现的微裂纹问题，并且还可以有效消除焊趾部位的咬边以及焊渣问题，缓解了金属构件焊接缝部位的集中应力。并且，TIG熔修技术在应用阶段使用的能量不高，冷却的速度也较快，金属构件焊接缝中原有的粗大晶粒被重熔细化，提高了晶粒的抗滑移形变能力，进而降低了循环滑移带的形成以及增加了焊接缝裂纹扩大的阻力。由此可知，TIG熔修技术是通过对金属构件微观不足的消除来达到减少裂纹生成的目标，进而提高了金属构件焊接接头的疲劳寿命。

（四）焊接缝结构的高频机械冲击技术

高频机械冲击技术是通过以能量的方式驱动冲击机械，使其可以以非常高的冲击频率对金属构件的表面进行冲击。这种技术的应用是在金属构件表面传导巨大的能量，焊合金属构件表面的裂纹并施加压应力。高频机械冲击技术也可以对金属构件焊接缝的微观不足进行消除，也可以降低焊趾部位的应力集中情况，改善金属构件焊接缝表面材料的组织结构，以这种方式来延长金属构件焊接缝的疲劳寿命。对已经使用过的金属构件进行高频机械冲击技术处理后，也可以达到延长其焊接缝疲劳寿命的目的[4]。

（五）焊接缝结构使用低相变温材料

在实际焊接阶段都会形成一定的残余拉应力、集中应力以及不良几何外形的负面情况，导致金属构件焊接缝的疲劳寿命降低。而焊接后的优化处理技术尽管可以有效延长金属构件焊接缝的疲劳寿命，但是这种处理方式对时间和资源的消耗较大，提高了成本。因此，相关研究人员为了探究如何不进行焊后处理还可以延长金属构件焊接缝疲劳寿命的方式，提出了在焊接阶段使用低相变温材料的方法，并取得了较好的使用效果，极大程度的延长了金属构件焊接缝的疲劳寿命。

结束语：

综上所述，现阶段使用的金属构件焊接缝延寿技术仍具有一定的局限性，需要相关研究人员对其进行完善，解决现存技术的不足之处，消除技术本身对焊接缝疲劳寿命产生的不良影响，提高金属构件焊接接头焊接缝的疲劳性能。

参考文献：

[1]张婷婷. 浅谈焊接接头与结构疲劳延寿技术的应用[J]. 大观周刊，2020（19）：386.

[2]张金科. 浅谈焊接接头与结构疲劳延寿技术的应用[J]. 建筑工程技术与设计，2019（28）：746.