新型多道焊技术提升节点板端部细节疲劳强度的实验研究

《Welding in the World》：Fatigue strength improvement of gusset end detail with welding techniques

　　

节点板端部细节通常采用环绕角焊缝焊接，导致较高的结构应力集中和缺口应力集中。在循环荷载作用下，此类结构细节易于发生疲劳失效。本研究探讨了一种扩展焊接工艺及焊后处理技术，以提升环绕焊接节点板端部细节的疲劳强度。研究人员采用S420结构钢制备焊接试样，开展疲劳试验以筛选不同焊接工艺及焊后处理技术的适用性。研究发现，一种新型多道焊技术——其特征为焊接止弧位置延伸至远离接头区域，并结合TIG熔修（TIG dressing）处理焊接止弧位置缺口——相较于环绕焊接节点板可显著提升疲劳强度。该方案被选用于进一步实验测试，研究人员采用应力比R = 0.1的单轴恒幅疲劳试验确定了特征S–N曲线。基于实验测试获得了特征疲劳强度Δσ_c,97.7% = 127 MPa（斜率参数m = 5）。为进一步验证所获疲劳强度对服役期变幅加载的适用性，研究人员在高周疲劳区间对类似接头开展了变幅块荷载疲劳试验。结果凸显了此类扩展焊接技术提升节点板端部细节疲劳性能的潜力。当将结果转换至高平均应力条件（R = 0.5），并考虑所研究节点板端部细节的典型结构应力集中时，基于初步有限元分析，FAT90（m = 5）可用于设计目的。

**研究背景与问题**

大型焊接钢结构的设计是一项多目标优化任务，结构设计影响生产流程与成本、结构使用性与性能，以及制造和服役过程中的CO₂排放。在循环荷载结构中，结构细节可能涉及多个疲劳关键位置。引入焊后处理技术（PWTs）可增加工程中减轻结构重量同时保持足够疲劳承载力的可能性。Zavvar等对管节点结构分析进行了广泛综述；Dimitrakis和Lawrence针对节点板端部焊接技术开展了试样疲劳试验；Roth等研究了盖板扩展焊缝的疲劳强度，发现该技术可显著改善疲劳性能。管连接的性能与可制造性已通过多种方式研究：Kanyilmaz综述了空心截面激光切割；Huang等研究了鸟嘴型矩形空心截面节点；Winkler等利用激光切割部件优化节点板焊缝设计以增强K型节点，Durr等继续研究了收弧焊缝，发现相较于环形焊缝疲劳强度明显提高并针对不同收弧配置进行了有限元分析。Zhang等研究了支撑加劲管KT节点；Xu等对方形钢撑杆-节点板连接进行了全尺寸试验；Luo等研究了圆空心管（CHS）-节点板连接的槽端区域。本研究旨在研究CHS管-节点板接头中的疲劳关键焊接细节。研究首先开展可行性研究，包括定义CHS管-节点板接头中的局部应力、在焊态和焊后处理条件下进行试样试验以确定提升疲劳强度的不同方案。可行性研究旨在评估焊接几何形状的影响以及HFMI处理对常规环绕焊接节点板焊缝的潜力。基于初步发现和良好可焊性，扩展纵向焊缝被选用于进一步实验分析。随后通过疲劳试验获得所选试样细节的疲劳强度以确定设计用特征疲劳强度，并进一步评估所获结果在变幅块荷载下高周疲劳应用的适用性。

**关键技术方法**

研究人员采用有限元（FE）壳单元模型分析接头行为与节点板形状对应力集中的影响。制备了S420结构钢（厚度12 mm）小尺寸平板试样，采用气体金属弧焊（GMAW）以G3Si1填充金属（?1.0 mm）三道焊接至焊喉厚度8 mm，使用焊接机器人保证质量一致性。疲劳试验采用单轴恒幅加载（应力比R = 0.1），使用750 kN试验装置，通过应变片定义热点应力。变幅试验采用全共振疲劳试验机（RUMUL Vibroforte 700 kN），试样为双面节点板对称配置。疲劳设计推荐按IIW指南执行。

**研究结果**

**疲劳试验结果**：扩展焊缝试样的疲劳数据表明，TIG熔修虽为手工施焊但数据分散性合理，均值与特征值之比低于1.15。按IIW建议，若残余应力较低，应力比折减系数f(R)为1.16，折减后特征设计曲线为84 MPa（m = 3）、100 MPa（m = 4）和109 MPa（m = 5）。通过最小垂直距离平方和（MSSPD）方法估算自然斜率参数。应变片测量确定扩展焊缝端部和节点板端部的结构应力集中分别为K_s = 1.8（焊缝表面）和K_s = 1.3（板上），与应变片实测值吻合良好（应力范围175 MPa）。

**失效分析**：通过扫描电子显微镜（SEM）观察，疲劳裂纹萌生于节点板端部内侧焊缝翼面，裂纹扩展路径相似。观察到焊缝根部约1 mm气隙处有二次裂纹。抛光截面分析表明裂纹萌生点与第1道和第3道熔合线交点吻合。

**讨论部分总结**：变幅加载验证表明，所有4个疲劳试验结果均高于Δσ_c,97.7% = 116 MPa（m₁ = 4，D = 1）以及m = 5设计曲线（D = 0.5），支持基于恒幅试验的分析。全尺寸适用性方面，有限元分析显示CHS表面名义应力相对于截面名义法向应力增加因子为1.2；基于特征疲劳强度并折减f(R) = 1.16后，CHS区域估算名义应力疲劳承载力为70 MPa（m = 3）或91 MPa（m = 5）。组件尺度试验获得Δσ_c,50% = 91 MPa（基于距节点板端部60 mm处1.24名义应力增加）。设计与制造方面，TIG熔修设备在车间 readily available，但需培训焊工和详细指导；焊前喷砂清理可潜在进一步提升疲劳强度；热切割边缘疲劳裂纹也可能在节点板中萌生，采用高强板或激光切割加磨边可满足FAT 125–160 MPa的切边疲劳承载力要求。当前发现表明扩展焊接结合平滑几何形状的改善效果高于HFMI处理，这对于低碳钢焊接接头是预期结果；对于高强钢应用，HFMI处理可能更具优势。扩展焊缝收弧位置可与定向能量沉积（DED）增材制造相关联，进一步优化可降低应力集中系数。

**研究结论翻译**：当前工作通过实验和数值方法研究了CHS管-节点板结构细节应用中节点板接头的疲劳强度。为获得相较于环绕焊接节点板更高的疲劳强度，实施并实验评估了一种新型焊缝扩展设计。基于该研究可得出以下结论：（1）扩展焊缝收弧位置相较于焊态环绕焊接节点板在疲劳强度方面提供了实质性改善。采用应力比R = 0.1的试样获得了特征疲劳强度Δσ_c,97.7% = 116 MPa（m = 4）和Δσ_c,97.7% = 127 MPa（m = 5）。（2）在TIG熔修多道焊止弧位置的接头中，从扩展焊缝到节点板端面的过渡被确定为疲劳关键位置，这凸显了 careful 制造工艺的必要性，即从角焊缝到堆焊型扩展焊缝的平滑过渡至关重要。（3）在变幅加载下，扩展焊接头的疲劳强度与恒幅荷载试验所得疲劳强度一致，所有试验均高于损伤参数D = 0.5所得特征S–N曲线，从而支持了设计。