提高焊接接頭疲勞性能的研究進展和最新技術

1 焊接結構的疲勞問題以及研究意義
　　1.1 焊接結構的疲勞問題
　　自從20世紀初涂藥焊條發明至今一百年來，焊接已經成為應用最為廣泛的工藝方法，很難找出另一種發展如此之快，并在應用規模和多樣化方面能與焊接相比的工藝，以至于當代許多最重要的技術問題必須采用焊接才能解決，例如：造船、鐵路、汽車、航空、航天、橋梁、鍋爐、大型廠房和高層建筑等都離不開焊接技術的支持。
如果焊接沒有發明的話，許多結構甚至坦率的說整個工業是不會產生的。毋庸置疑，目前在工程生產上，焊接是最主要的連接方法，焊接結構的重量已占鋼鐵總產量的50%以上，工業發達國家的這一比例已經接近70%。然而焊接結構經常不斷發生斷裂事故，其中90%為疲勞失效。
　　疲勞破壞一直被認為是船舶及海洋工程結構的一種主要的破壞形式，自鋼質海船誕生至今，因結構中疲勞裂紋的生成、擴展，最后導致船舶破壞的事例屢有報道。美國海岸警衛隊船舶結構委員會（Ship Structure Committee, U.S.Coast Guard）曾組織力量對六種不同類型的77艘民用船舶及9艘軍艦中六十多萬個結構細部進行了調查研究和統計分析，結果表明，有約九分之一的破壞與疲勞有關。歷史上海洋平臺的幾次重大事故，如1965年日本為美國建造的Sedco型半潛式平臺在交貨途中破損沉沒，造成13人死亡；1980年Alexan—derKeyland號半潛式平臺在北海翻沉，使一百余人葬身海底，調查分析的結果表明，結構的疲勞是造成事故的重要原因之一。
　　同樣，疲勞失效也頻繁發生在鐵路公路橋梁和發電站的管道上。在五六十年代，歐洲公路網得到高速發展，當時大多采用焊接技術建造鋼橋，由于那時對公路橋梁疲勞認識不足，在規范中沒有規定進行抗疲勞設計，出現了許多設計不合理的焊接接頭，在今天日益繁忙和加重的交通運輸載荷下，加快了疲勞損傷過程，許多焊接鋼橋出現了疲勞裂紋。
　　在我國焊接結構因疲勞問題而失效的工程事例也不斷出現，例如，九十年代末，高速客車轉向架中焊接接頭的疲勞斷裂，以及水輪機葉片根部的疲勞斷裂等，都給國家和企業造成了巨大的經濟損失。
　　1.2 焊接結構疲勞失效的原因
　　焊接結構疲勞失效的原因主要有以下幾個方面：① 客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時，其承受能力卻遠低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結構形式有密切的關系。這是引起一些結構因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個主要的因素；② 早期的焊接結構設計以靜載強度設計為主，沒有考慮抗疲勞設計，或者是焊接結構疲勞設計規范并不完善，以至于出現了許多現在看來設計不合理的焊接接頭；③ 工程設計技術人員對焊接結構抗疲勞性能的特點了解不夠，所設計的焊接結構往往照搬其它金屬結構的疲勞設計準則與結構形式；④ 焊接結構日益廣泛，而在設計和制造過程中人為盲目追求結構的低成本、輕量化，導致焊接結構的設計載荷越來越大； ⑤ 焊接結構有往高速重載方向發展的趨勢，對焊接結構承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結構疲勞強度方面的科研水平相對滯后。