第五章焊接接頭和結構的疲勞強度

1、第五章 焊接接頭和結構的疲勞強度 51 研究本問題的意義疲勞斷裂是金屬結構失效的一種主要型式。大量統(tǒng)計資料表明，由于疲勞而失效的金屬結構，約占失效結構的90。這種結構的斷裂形式與脆性斷裂是不一樣的。 一、疲勞與脆性斷裂相比較：（1）二者斷裂時的形變都很小，但疲勞需要多次加載，而脆性斷裂一般不需多次加載；（2）結構脆斷是瞬時完成的，而疲勞裂紋的擴展則是緩慢的，有時需要長達數(shù)年時間；（3）對于脆斷來說，溫度的影響是極其重要的，隨著溫度的降低，脆斷的危險性迅速增 加，但疲勞強度卻不是這樣；（4）疲勞斷裂和脆性斷裂相比較還有不同的斷口特征等。 疲勞一般從應力集中處開始，而焊接結構的疲勞又往往是從焊接接

2、頭處產(chǎn)生。二、疲勞斷裂的實例：1、圖5l為直升飛機起落架的疲勞斷裂圖。裂紋是從應力集中很高的角接板尖端開始的。該機飛行著陸2，l18次后發(fā)生破壞，屬于低周疲勞。2、圖52為載重汽車底架縱梁的疲勞斷裂。該梁板厚5毫米，承受反復的彎曲應力。在角鋼和縱梁的焊接處，因應力集中很高而產(chǎn)生裂紋。該車破壞時已運行30000公里。 3、圖53表示空氣壓縮機法蘭盤和管道連接處，因采用應力集中系數(shù)很高的角焊縫而導致的疲勞斷裂。改為應力集中較小的對接焊縫后，疲勞事故大大減少了。 4、圖54為400噸水壓機疲勞斷裂事例。很明顯，疲勞裂紋是從設計不良的焊接接頭的應力集中點產(chǎn)生的。 從上述幾個焊接結構的疲勞斷裂事故中，可

3、以清楚地看到焊接接頭的重要影響。因此采用合理的接頭設計，提高焊縫質(zhì)量，消除焊接缺陷是防止和減少結構疲勞事故的重要方面。 應當指出，近年來，雖然在這方面的研究已經(jīng)取得了很大的成績，但是焊接結構疲勞斷裂事故，仍然不斷發(fā)生，而且隨著焊接結構的廣泛應用有所增加。 由于結構的工作參數(shù)不斷提高，采用高強鋼的結構日益增多。高強鋼對應力集中的敏感性比低碳鋼高，如果處理不當，高強鋼焊接結構的疲勞強度反而會低于低碳鋼結構的疲勞強度。隨著新材料工藝的不斷出現(xiàn)將會提出許多疲勞強度的新問題，需要研究解決。52 疲勞斷裂的過程和斷口特征 一、疲勞斷裂的過程：1、在應力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋：當然在這三個階段之間是沒有嚴格

4、界限的。例如疲勞裂紋“產(chǎn)生”的定義就帶有一定的隨意性。這主要是因為采用的裂紋檢測技術不一而引起的。（1）從研究疲勞機理出發(fā)，有人采用電子顯微鏡，把裂紋長大到1000埃之前定義為裂紋產(chǎn)生階段。（2）從工程實用角度出發(fā)，則一般又以低倍顯微鏡(10)看到之前為裂紋產(chǎn)生階段。2、裂紋穩(wěn)定擴展3、斷裂: 一般根據(jù)結構的型式而定。(1)同對于承力構件，可以定義為扣除裂紋面積的凈截面已不能再承受所施應力時為斷裂階段。(2)對于壓力容器則把出現(xiàn)泄漏時定為斷裂階段的開始等。二、焊接結構疲勞斷裂的特殊性：在焊接接頭中，產(chǎn)生疲勞裂紋一般要比其它聯(lián)接型式的循環(huán)次數(shù)少。這是因為焊接接頭中不僅有應力集中(如角焊縫的焊趾處

5、)，而且這些部位易產(chǎn)生焊接接頭缺陷，殘余焊接應力也比較高。例如焊趾處往往存在有微小非金屬夾渣物，而疲勞裂紋也正是起源于這些缺陷處。對接焊縫和角焊縫的根部，也能觀察到夾渣物、未焊透、熔合不良等焊接缺陷。因為有這些缺陷存在，使焊接接頭的疲勞裂紋產(chǎn)生階段往往只占整個疲勞過程中的一個相當短的時間，主要的時間是屬于裂紋擴展。 三|疲勞裂紋擴展的機理的解釋模型：其中著名的有拉埃特（Laird）和斯密司 (smitL) 模型。 拉埃特和斯密司模型如圖56所示。由圖可見，每經(jīng)過一次加載循環(huán)，裂紋尖端即經(jīng)歷一次銳化一鈍化一再銳化的過程，裂紋擴展一段距離，斷口表面上就產(chǎn)生一道裂紋。這種機械模型可以有效的解釋裂紋的

6、擴展情況。這樣我們便可以在某裂紋長度和應力下對裂紋尖端進行應力分析，把裂紋力學的有關理論應用到疲勞裂紋的擴展上去。 裂紋在循環(huán)載荷作用下，不斷向前擴展，當擴展至一定程度，結構即進入最后斷裂階段。四、疲勞斷裂的過程和斷口特征在疲勞裂紋擴展過程中，顯微斷口分析表明，在均勻的循環(huán)應力作用下，只要應力值足夠大，一般每一次應力循環(huán)將在斷裂表面產(chǎn)生一道裂紋(圖55)。對斷裂表面進行細致的宏觀檢查可以看到，從裂紋開始點向四周輻射出類似貝殼紋的疲勞紋。圖5-7 為從焊趾裂紋開始的疲勞紋。由圖可以看出疲勞裂紋從焊趾向外輻射而貫穿板厚，最后造成構件斷裂。 53 在焊接結構中疲勞限的常用表示法 一 、基本概念 （一

7、） 疲勞強度和疲勞極限 在金屬構件的實際應用中，如果載荷的數(shù)值和方向變化頻繁時，即使載荷的數(shù)值比靜載荷強度極限b小的多，甚至比材料的屈服極限s小的多，構件仍然可能破壞。對試樣用不同載荷進行多次反復加載試驗，即可以測的在不同載荷下使試樣破壞所需要的加載循環(huán)次數(shù)N。將破壞應力與N繪成如圖58所示的曲線，即為烏勒疲勞曲線。這條疲勞曲線隨著循環(huán)次數(shù)N的增大而降低，當N很大時曲線趨于水平。疲勞強度：曲線上對應于某一循環(huán)次數(shù)N的破壞應力即為該循環(huán)數(shù)下的疲勞強度。疲勞極限：曲線的水平漸近線即為疲勞極限。 如果把圖58 a中的橫坐標改為載荷循環(huán)數(shù)的對數(shù)In N，則金屬破壞應力與循環(huán)數(shù)之間的關系曲線f(N) 可

8、用兩條直線表示，如圖58 b所示，水平線代表疲勞極限的數(shù)值。(二)應力循環(huán)特性疲勞強度的數(shù)值與應力循環(huán)特性有關，應力循環(huán)特性主要用下列參量表示： max 應力循環(huán)內(nèi)的最大應力， min應力循環(huán)內(nèi)的最小應力； 平均應力 應力振幅 應力循環(huán)特性 r也可用 表示，其變化范圍為 -1 +1。 很容易看出maxm十a(chǎn) 和minm一a。因此可以把任何變動載荷看作是某個不變的平均應力(靜載一恒定應力部分)和應力振幅(交變應力部分)的組合。 二、 疲勞強度的常用表示法 （一）具有特殊循環(huán)特性的變動載荷1、對稱交變載荷，min -max 而r-1(圖5-9a)，其疲勞強度用-1表示； 2、脈動載荷min 0 而

9、r = 0 (圖5-9b)，其疲勞強度用0表示； 3、拉伸變載荷，max 和min 均為拉應力，但大小不等，0r1（圖5-9c），其疲勞強度用r 表示，腳標r用相應的特征系數(shù)表示，如0.3 （二）疲勞圖：1、用max 和r表示的疲勞圖 如圖510所示。它能直接的將max與r的關系表示出來。 2、用max和m表示的疲勞圖 如511 所示。圖中橫坐標表示平均應力m，縱坐標表示max和min的數(shù)值 。在與水平線成45度角的方向內(nèi)繪一虛線，將振幅的數(shù)值 a對稱的繪在斜線的兩側。兩曲線相交于C點，此點表示循環(huán)振幅為零,其疲勞強度與靜載強度b相當.線段ON表示對稱循環(huán)時的疲勞強度，此時m等于零。線段 表示

10、脈動循環(huán)時的疲勞強度。在該疲勞圖上可以用作圖法求出任何一種循環(huán)特性系數(shù)( r )下的疲勞強度,自O點作一與水平線成角的直線,使 則直線與圖形上部曲線的交點的縱坐標就是該循環(huán)特性下的疲勞強度r。 3、用a和m表示的疲勞圖 如圖512所示.橫坐標表示平均應m,縱坐標為應力振幅a,曲線上各點的疲勞強度ra+m 。曲線與縱坐標交點A即為對稱循環(huán)時的疲勞強度-1 ; 曲線與橫坐標交點B即為靜載強度b , 此時, a0， r1 ;從0點作45度射線與曲線的交點C表示脈動循環(huán)，其疲勞強度0a十m=2a2m。若自0點作一與水平軸成角的射線與曲線相交，并使 則交點的a+m即為循環(huán)特征系數(shù)為r時的疲勞強度。 4、

11、用max和min表示的疲勞圖 如圖513所示。圖中縱坐標表示循環(huán)中的最大應力max ,而橫坐標表示循環(huán)中的最小應力min,由原點出發(fā)的每條射線代表一種循環(huán)特性。例如由原點向左與橫坐標傾斜45度的直線表示 ，交變載荷，r，它與曲線交于B點，即為-1，向右與橫坐標傾斜45度的直線表示靜載r1，它與曲線交于D點，即為靜載強度b。而縱坐標本身又表示脈動載荷r0， 即為0等等。 圖514為一組實例。該鋼種的靜載強度為60 kgfmm 2(588N A點)，200萬次脈動循環(huán)的疲勞強度為31kgfmm2(304Nmm2 B點)。而其交變載荷r一1的疲勞強度為20 kgfmm2(196 kgfmm2 C點)

12、。對于r=0.5的疲勞強度，根據(jù)ADBC線的交點即可找出為42kgfmm2等。同樣在該圖上也可找出n100萬次的各種循環(huán)特性的疲勞強度值。54 焊接接頭的疲勞強度計 疲勞強度計算標準包括焊接接頭在內(nèi)的典型連接的疲勞強度計算公式，均是在試驗的基礎上，利用max和min表示的疲勞圖推導出來的。 我國鋼結構設計規(guī)范TJ1774 (試行) 規(guī)定，計算鋼結構的疲勞強度時，基本金屬和連接的疲勞許用應力按下列公式確定 ： 絕對值最大的應力為拉力時， 絕對值最大的應力為壓力時， r0時基本金屬和連接的疲勞許用應力，按表51采用； k系數(shù)，按表51采用； r構件的應力循環(huán)特性系數(shù)，等于絕對值最小和最大的應力之比

13、 （拉應力取正號，壓應力取負號)。 我國起重機鋼結構采用的疲勞強度計算方法與鋼結構設計規(guī)范TJ1774(試行)相似，但 和 k 值略有出入。55 影響焊接接頭疲勞強度的因素 影響基本金屬疲勞強度的因素(例如應力集中、截面尺寸、表面狀態(tài)、加載情況、介質(zhì)等)同樣對焊接結構的疲勞強度有影響。除此以外焊接結構本身的一些特點，例如接頭部位近縫區(qū)性能的改變，焊接殘余應力等也可能對焊接結構疲勞強度發(fā)生影響。弄清這些因素的具體影響，對提高焊接結構的疲勞強度是有益的。下面分別探討這些因素的影響情況。一、應力集中的影響 焊接結構中，在接頭部位由于具有不同的應力集中，它們對接頭的疲勞強度發(fā)生程度不同的不利影響。 1

14、、對接焊縫：應力集中比其它形式接頭要小，但余高和-應力集中-接頭的疲勞強度。若對焊縫表面進行機械加工，應力集中程度將大大減小，對接接頭的疲勞強度也相應提高。 2、丁字和十字接頭：應力集中系數(shù)對接接頭的應力集中系數(shù)。因此丁字和十字接頭的疲勞強度遠低于對接接頭。 （1）提高丁字和十字接頭疲勞強度的根本措施是開坡口焊接和加工焊縫過渡區(qū)使之圓滑過渡（2）丁字形接頭和經(jīng)過機械加工的接頭具有較高的疲勞強度：而十字接頭和未經(jīng)加工的接頭的疲勞強度較低。這是因為不對稱的丁字接頭上有一個偏心力矩降低了過渡區(qū)的應力，它的應力集中比對稱的十字接頭低。3、僅有側面焊縫的搭接接頭，其疲勞強度最低（只達到基本金屬的34）

15、4、采用所謂“加強”蓋板的對接接頭是極不合理的：試驗結果表明，在這種情況下，疲勞強度較高的對接接頭被大大地削弱了(圖527f)。 二、近縫區(qū)金屬性能變化的影響 1、低碳鋼和低合金鋼的近縫區(qū)金屬機械性能的變化對接頭的疲勞強度影響較小。2、高強鋼焊接時，近縫區(qū)金屬性能變化的影響取決于接頭的匹配性：（1）對于高組配即軟夾硬的焊接接頭，力學性能不均勻性對于接頭的疲勞強度基本上沒有影響，此時接頭的疲勞強度取決于較軟的基本金屬。（2）對于高組配硬夾軟接頭中的軟夾層中有嚴重的應力集中因素時，此時接頭的疲勞強度大大降低，其數(shù)值取決于這個軟區(qū)本身的力學性能。三、殘余應力的影響 焊接殘余應力對于結構疲勞強度的影響

16、是人們廣泛關心的問題。對于這個問題人們進行了大量試驗研究工作。試驗往往采用有焊接應力的試樣與經(jīng)過熱處理消除內(nèi)應力后的試樣進行疲勞試驗作對比。由于焊接殘余應力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能的變化，而熱處理在消除內(nèi)應力的同時也恢復或部分恢復了材料的性能。因此，對于試驗的結果就產(chǎn)生了不同的解釋；對內(nèi)應力的影響也有了不同的評價。 消除內(nèi)應力后的試樣疲勞強度均高于末熱處理的，內(nèi)應力的影響在應力集中較高對更大。 四、缺陷的影響焊接缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關。1、 片狀缺陷(如裂紋、未熔合、末焊透)的影響帶圓角的缺陷(如氣孔等)影響；2、 表面缺陷的影響內(nèi)部缺陷；3

17、、 與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響其它方向的影響；4、 位于殘余拉應力場內(nèi)的缺陷的影響殘余壓應力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響；5、 位于應力集中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋)的影響在均勻應力場中同樣缺陷影響。56 提高焊接接頭疲勞強度的措施 綜上所述可以看出，應力集中是降低焊接接頭和結構疲勞強度的主要原因，只有當焊接接頭和結構的構造合理，焊接工藝完善，焊接金屬質(zhì)量良好時，才能保證焊接接頭和結構具有較高的疲勞強度。提高焊接接頭和結構的疲勞強度，一般可以采取下列措施：一、降低應力集中(一)采用合理的構件結構形式，減少應力集中，以提高疲勞強度。圖541為各組元件設計的正誤對比。(二)盡量采用應力集中系數(shù)小的焊接接

18、頭。如對接接頭的應力集中系數(shù)小，因而疲勞強度高，應當盡量選用。圖542、543是采用復合結構把角焊縫改為對接焊縫的實例。 1、在對接焊縫中，應當保證基本金屬與焊縫之間平緩過渡。機械打磨過渡區(qū):注意打磨方法應是順著力線傳遞方向，而垂直力線方向打磨往往取得相反的效果。 2、在對接焊縫中還應當指出的是，只有保證聯(lián)接件的截面沒有突然改變的情況下傳力才是合理的。圖544是一些不合理對接焊縫的實例，由于接頭形狀的突然改變，端部存在嚴重的應力集中，較易在焊縫端部產(chǎn)生疲勞裂紋。 3、對接焊縫雖然一般具有較高的疲勞強度，但如果焊縫質(zhì)量不高其中存有嚴重的缺陷，則疲勞強度值將下降很多，甚至低于搭接焊縫。這也是應當引起注意的。 (三)當采用角焊縫時(有的不可避免)須采取綜合措施(機械加工焊縫端部，合理選擇角接板形狀，焊縫根部保證熔透等)來提高接頭的疲勞強度，采取這些措施可以降低應力集中并消除殘余應力的不利影響。 (四)在某些情況下，可以通過開緩和槽使力線繞開焊縫的應力集中處來提高接頭的疲勞強度。圖55就是用開緩和槽方法提高焊接接頭疲勞強度的實例。 (五)用表面機械加工的方法，消除焊縫及其附近的各種刻槽，可以降低構件