焊缝疲劳失效原因分析

随着焊接结构的广泛应用，焊接结构的疲劳失效问题越来越受到关注。研究焊接结构疲劳失效的产生原因以及预防措施具有重要意义。

背景简介：

某公司的承载轴产品，在对接焊缝的位置出现了疲劳断裂现象。此产品的焊接工艺为气保焊135（MAG/GMAW），母材方面，轴头为30Mn2，方管为Q345B材料，单边V型45度坡口。失效后的产品见图1，截面见图2。

图1 图2

失效原因：

1. 焊缝根部未焊透。这种疲劳裂纹一般是产生于焊缝根部并扩展到工件表面。（工艺执行问题）
2. 坡口是单边的45度坡口。这种类型的坡口根部的溶合都不理想，原因有2个，一个是无坡口侧的热传递很快，容易形成假焊；二是二保焊有喷嘴的原因，电弧不容易达到根部，可达性不好。（焊接坡口设计问题）
3. 坡口根部没有留间隙，导致坡口根部的溶合不良。（焊接坡口设计问题）
4. 轴头的刚性太强，轴管相对较弱，焊接的焊缝正好在轴头的刚性最强处。
5. 焊缝根部没有圆滑过渡。疲劳试验中，此区域会产生很高的应力集中。（零件结构设计问题，此结构设计不是耐疲劳的结构设计）
6. 工艺上可能没有考虑整体热处理。（能减少大部分应力集中，但不能根除）
7. 考虑在30Mn2侧进行焊前预热150-180度（只能减少小部分的应力集中和冷裂纹倾向）。
8. 堵板在此有杠杆作用，放大了轴受到的力，导致焊缝根部受到的张力大幅提高。
9. 焊缝没有进行内部无损检测。

改进措施：

1. 打底焊道一定要焊透，并保证背面成形良好。
2. 更改坡口设计，改成60度对称坡口。
3. 更改坡口设计，根部留2-4mm间隙。
4. 更改设计，保证焊接处的刚性相差不大。
5. 更改轴头设计，改成根部带R的结构。
6. 可考虑焊后进行消除应力热处理。
7. 可考虑焊前预热150-180度。
8. 可考虑更改堵板位置，或去除堵板。
9. 增加UT抽检或100%UT检测。

改进的示意图见图3
图3
经验总结：

生产良好的产品的基础条件：

1. 必须有好的设计：产品有设计缺陷，无论是产品设计，还是工艺设计，均是最致命的。
2. 有成熟的工艺：没有合理，成熟的工艺，也保证不了产品的质量。
3. 有效的检测手段保证：没有检测手段的监督，产品的质量不会保持长期稳定。