典型Q690D焊接细节在腐蚀条件下的高周疲劳性能评估

《Engineering Structures》：High-cycle fatigue performance evaluation of corroded typical Q690D welded details

　　

• •
  •分析了腐蚀对高强度钢（HSS）焊接接头疲劳性能的影响。
• •
  •建立了腐蚀后HSS焊接接头的疲劳设计曲线。
• •
  •讨论了均匀腐蚀、局部腐蚀以及疲劳裂纹对疲劳性能的影响。
• •
  •研究了腐蚀引起的应力集中和点蚀系数K_p。
• •
  •建立了一种用于评估腐蚀后焊接接头疲劳性能的方法。

引言

随着冶金加工技术的进步，高强度钢（HSS）在结构工程中的应用越来越广泛。然而，确保焊接质量和焊接过程的复杂性仍然是限制HSS更广泛应用的主要瓶颈。作为基本的连接方式，焊接接头被广泛认为是疲劳损伤的关键部位。几十年来，人们对焊接接头的疲劳性能进行了系统研究，为当前的结构设计规范[1]、[2]、[3]、[4]（如欧洲规范3（EN 1993）[1]、英国标准BS 5400 [2]、美国公路与运输协会AASHTO [3]以及国际焊接学会IIW-1823–07 [4]）奠定了技术基础。近年来，实验研究也扩展到了高强度钢。关于高强度钢焊接接头疲劳性能的研究[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]表明，虽然高强度钢基材的疲劳强度明显高于普通强度钢，但这一优势并未在焊接结构中得到相应体现。由于控制焊接质量的固有挑战以及几何不连续性的存在，HSS焊接接头的疲劳性能相比普通强度钢接头并没有显著提升。

除了焊接缺陷外，环境腐蚀也是降低钢结构疲劳性能的另一个不利因素。大量研究调查了各种腐蚀钢材料的疲劳行为，包括Q235 [14]、[15]、[16]、Q345 [17]、[18]、Q460 [19]、[20]、HPS 70W [18]、Q690 [21]、[22]、[23]、[24]以及不锈钢。这些研究表明，腐蚀会严重降低钢材的疲劳性能。在腐蚀初期，点蚀会引发严重的应力集中，从而导致疲劳强度迅速下降。随着腐蚀的进展，降解速率趋于稳定。尽管对基材进行了大量研究，但对腐蚀对焊接接头影响的研究相对较少。虽然已经对各种材料的腐蚀焊接接头进行了疲劳测试[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]，但关于腐蚀引起的表面形态与焊接缺陷相互作用对焊接接头疲劳性能影响的定量讨论仍然不足。现有结果表明，随着腐蚀程度的增加，疲劳强度会有中等程度的降低。然而，腐蚀对焊接接头疲劳性能影响的机制尚未得到充分理解。关键未解决的问题包括截面损失的量化、局部点蚀的发展，以及腐蚀损伤与焊接几何形状中固有的疲劳裂纹效应的耦合作用。尽管有一些关于腐蚀HSS焊接接头的研究[32]、[33]，但现有数据仍不足以清晰地了解腐蚀HSS焊接接头的疲劳行为。此外，尽管焊接接头的疲劳设计和评估方法已经很完善，但目前还没有成熟的方法来评估腐蚀后的焊接接头疲劳性能。这给老化钢结构的疲劳评估带来了困难，并限制了高强度钢在腐蚀环境中的应用。

尽管对焊接接头的疲劳性能进行了广泛研究，但对均匀腐蚀和局部腐蚀对疲劳降解的各自贡献仍理解不足。特别是，内在几何应力集中与腐蚀引起的局部特征之间的耦合作用需要进一步研究。为了填补这些研究空白，本研究调查了预腐蚀Q690D高强度钢（HSS）焊接接头的疲劳性能。通过考虑均匀腐蚀和局部腐蚀机制，系统地分析了腐蚀的影响。在本研究中，采用了点蚀系数K_p（定义为腐蚀坑引起的应力集中系数）来量化局部腐蚀。与依赖理想化几何坑的传统方法不同，本工作中的点蚀系数K_p是直接从测量的腐蚀表面轮廓得出的，并与特定的表面粗糙度参数相关联。实验研究集中在两种代表性的焊接接头：对接焊（BW）和十字形承载角焊缝（CFLW）。试样经过湿/干循环腐蚀测试，以达到三种不同的降解程度。因此，为每种接头和腐蚀程度建立了曲线，以定量评估腐蚀的影响。最后，基于综合的数值和实验结果，提出了一种用于腐蚀接头的疲劳评估框架。这项研究丰富了HSS焊接结构的疲劳数据库，并为腐蚀环境中工程结构的耐久性评估提供了可靠的实验基础。

章节摘录

实验方案

实验方案包括三个连续阶段。第一阶段，制作了两种类型的焊接接头试样，即对接焊和十字形承载角焊缝试样，并进行了非破坏性测试以验证焊接质量。第二阶段进行了持续0天、30天、60天或90天的湿/干循环腐蚀测试，以制备分别为腐蚀程度T0至T3的试样。第三阶段，对这两种类型的

均匀腐蚀

表3总结了每种腐蚀程度下BW和CFLW试样的均匀腐蚀结果，包括平均重量损失率w和平均均匀腐蚀深度d。BW和CFLW试样在湿/干循环腐蚀下的腐蚀演变曲线使用了ISO 9223–2012 [45]和ISO 9224–2012 [46]中建议的幂律进行拟合，如图5所示。拟合结果总结在表4中。结果显示，腐蚀演变曲线

标准中的疲劳性能评估方法

尽管腐蚀对钢结构疲劳性能的影响不可忽视，但标准中没有针对腐蚀焊接接头的剩余疲劳寿命评估的具体规定。现有的疲劳设计曲线是基于未腐蚀疲劳接头试样的疲劳数据建立的。为了解决这个问题，IIW-1823 [4]将腐蚀焊接接头的疲劳性能降低到未腐蚀值的70%以下，但没有

结论

本研究通过实验和数值分析研究了预腐蚀Q690D高强度钢焊接接头的疲劳性能。量化了均匀腐蚀和局部腐蚀的影响，并提出了相应的疲劳设计曲线。主要结论如下：

• 对BW和CFLW试样进行了湿/干循环腐蚀测试。在研究的截面损失小于15%的范围内，200万循环后的疲劳强度有所下降

CRediT作者贡献声明

刘恒：撰写——初稿、方法论、调查、概念化。宗亮：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、数据管理、概念化。钱旭东：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

中国国家自然科学基金（资助编号：52422803、525B2131、52278200）和天津市自然科学基金（资助编号：24YDPYSN00160）、天津大学杰出博士论文国际发展计划，以及中国科学技术协会青年科技人才发展计划下的博士生项目资助了本研究工作。