影响焊接结构疲劳强度的工艺因素

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1、,影响焊接结构疲劳强度的焊接工艺因素综述 长春君成科技 , 焊接结构的疲劳断裂, 疲劳断裂是指机件在变动载荷下经过较长时间运行发生的失效现象 疲劳断裂呈低应力脆性断裂性质 断裂发生在较低的应力下，其最大循环应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度； 断裂部位无宏观塑性变形； 断裂呈突发性，没有预先征兆； 疲劳断裂在交变应力作用下经过数百次，甚至几百万次循环才发生。 疲劳断裂呈损伤积累过程 金属材料内部组织首先在局部区域发生变化并受到损伤； 损伤逐渐积累，并到一定程度后发生疲劳断裂； 疲劳断裂三个阶段：疲劳裂纹的形成、扩展、断裂。 疲劳断裂是焊接钢结构失效的一种主要形式，在焊接结构断裂事故中，疲劳失效

2、约占90%。如：船舶及海洋工程结构、铁路及公路钢桥以及高速客车转向架等。, 影响焊接结构疲劳强度的主要因素,目 录,1. 结构设计引起的应力集中 2. 接头形状及类型引起的应力集中（对接、角接、搭接） 3. 焊接缺陷引起的应力集中 4. 焊接残余应力对接头疲劳强度的影响 5. 材料强度对焊接接头疲劳强度的影响 6. 焊缝及热影响区对接头疲劳强度的影响 7. 其它工艺因素对接头疲劳强度的影响,1.结构设计引起的应力集中 表1 压力容器接管结构的设计形式 类型1、2：接管直接插入壳体；类型3、4、5：增设加强环,表2 梁的拼接结构形式 腹板与翼缘上的焊缝排列：平面内排列；错开排列；有无边孔,图1

3、三角边孔在腹板内孔的顶点产生严重的应力集中,2.接头形状及类型引起的应力集中,图2 接头类型对应力流线的影响 对接接头应力流线的干扰最小、应力集中程度低，其疲劳强度高于其它接头类型。, 对接接头 接头疲劳断裂部位： 正面焊趾处启裂，向热影响区及母材扩展； 背面焊趾处启裂，向焊缝金属扩展； 焊缝与垫板接合处启裂，向焊缝金属扩展。, 焊趾角及半径R的影响,图3 几何参数、R对接头疲劳强度的影响,保持不变，随着R减小， 疲劳强度降低。 R 保持不变，随着 增大， 疲劳强度降低。, 永久性垫板的影响 焊缝与垫板的接合处形成严重的应力集中，降低接头的疲劳强度。, 机械加工的影响 1低合金锰钢接头 2低碳

4、钢接头 3低合金锰钢母材 4低碳钢母材,a）未经机加工对接接头 b）机械加工后对接接头 图4 机加工和未加工对接头疲劳强度的影响,不等厚度和错边的影响 图5 不等厚度和错边的对接接头 a）不同厚度钢板直接形成接头 b）较厚钢板呈斜坡的轴向同心接头 c）较厚钢板呈斜坡的不同心接头 d）轴向错位的接头 e）角度错位的接头,斜率为1：2.5 或 1：4,图6 轴向错位对疲劳强度的影响,图7 轴向载荷下错位试件理想的变形, 十字接头或T型接头 十字接头或T形接头，在焊缝与母材过渡处具有明显的截面变化，其应力集中系数比对接接头高，故疲劳强度低于对接接头。 未开坡口角焊缝接头：焊缝或焊趾 开坡口局部熔透角

5、焊缝接头：焊缝或焊趾 开坡口全部熔透角焊缝接头：焊趾,轴向拉伸,四点弯曲,图8 承载横向角焊缝接头的疲劳强度,不开坡口拉伸十字接头,开坡口拉伸十字接头,不开坡口弯曲十字接头,开坡口弯曲十字接头,c,K=8 c,K=20 c,K=15 e,K=15 d,b a,K=15 a,K=8,表3.角焊缝应力集中（最大与最小）,表4.十字接头焊趾与焊根应力集中（最大与最小）,图9 十字接头焊趾角度对应力集中的影响,图10 十字接头焊角尺寸对应力集中的影响, 疲劳强度取决于焊缝与承力板交界处的应力集中。,T 字接头,十字接头,图11 焊缝不承受工作应力的T字和十字接头,临界焊角尺寸 非传力角焊缝（联系焊缝）

6、，疲劳裂纹产生在应力集中的焊趾处； 传力角焊缝（工作焊缝），疲劳裂纹产生在焊趾或焊根处，中间存在一个临界焊角尺寸（ac）： 当a ac时，裂纹产生在焊根应力集中处； 当 a ac时，裂纹产生在焊趾处。,图12 确定角焊缝的临界尺寸,图13 承载横向角焊缝的临界尺寸,未熔透尺寸对十字接头疲劳性能的影响 材料：A3钢（10mm） 方法：CO2焊 焊丝：1.2mm H08Mn2Si 疲劳试验：恒幅正弦波轴向加载，应力比R=0.1,加载频率f=20Hz,图14 P-S-N曲线（P=90%）, 2a/T0.5范围时，各组S-N曲线基本重合，说明疲劳寿命没有很大变化； 2a/T0.5时，各组S-N曲线分散

7、，其疲劳寿命明显削弱。,图15 焊缝未焊透尺寸（2a/T）与疲劳强度的关系, 2a/T0.5时，疲劳强度非常接近，说明焊缝未熔透尺寸对接头疲劳强度影响不大； 2a/T0.5时，疲劳强度迅速减小，说明焊缝未熔透尺寸对接头疲劳强度影响显著。,部分熔透十字接头焊根和焊趾处的应力集中系数, 随着焊缝未焊透尺寸的增大，焊根和焊趾处的应力集中系数都在增大； 2a/T0.5范围内，应力集中系数缓慢增大； 2a/T0.5范围内，应力集中系数迅速增大； 2a/T=0.5时，焊根和焊趾处的应力集中系数大致相等，表明焊根和焊趾等强。,图16 焊根和焊趾处应力集中系数计算结果,有限元计算模型及网格划分,部分熔透焊缝的

8、十字接头疲劳破坏形式, 2a/T0.5范围内，从焊趾处开裂、扩展直至最终断裂； 2a/T0.5范围内，从焊根处开裂、扩展直至最终断裂； 2a/T=0.5时，基本上同时从焊根和焊趾处开裂、扩展直至最终断裂。, 在轴向脉动拉伸作用下，焊材与母材等强度的十字形部分熔透的焊接接头： 焊缝未熔透尺寸2a/T0.5范围内，接头疲劳强度无明显变化，疲劳破坏发生在焊趾处； 焊缝未熔透尺寸2a/T0.5范围内，接头疲劳强度明显削弱，疲劳破坏发生在焊根处； 未熔透尺寸存在一临界值，即2a/T=0.5时，焊根与焊趾等强。因此，焊缝未熔透尺寸应限制在2a/T0.5范围内。 开坡口熔透的十字接头，断裂一般只发生在焊趾处

9、，所以提高T字和十字接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接，且加工或打磨焊缝过渡处使之圆滑过渡，以减小应力集中系数。, 搭接接头,a）侧面角焊缝 b）正面角焊缝（焊角1:1） c）正面角焊缝（焊角1:2）； d ）正面角焊缝（焊角1:2+表面机加工） e ）正面角焊缝（焊角1:3.8+表面机加工） f ）对接接头两侧“加强”盖板,图17 低碳钢搭接接头的疲劳强度对比,图18 加盖板的焊接板梁疲劳强度,结论：美国Illinois大学对不同盖板形状搭接接头的疲劳试验表明，改变盖板形状对接头疲劳强度影响不大，因此看来采用方形盖板形状是经济、合理的。,表5 焊接盖板端部形状对疲劳强度的影响,3.焊接缺陷引

10、起的应力集中, 焊接缺陷应力集中源，对接头疲劳强度的影响程度取决于缺陷的种类、方向和位置。 缺陷种类：平面状缺陷（如裂纹、未熔合等） 体积型缺陷（如气孔、夹渣等） 裂纹：如热裂纹、冷裂纹，是严重的应力集中源，大幅度降低结构及接头的疲劳强度。如裂纹面积约为试件横截面积的10%时，在交变载荷作用下，接头2106循环寿命的疲劳强度下降了55%65%。 未焊透： 未焊透并非都是缺陷，有些结构要求接头局部焊透； 未焊透缺陷：表面缺陷（单面焊缝）；内部缺陷（双面焊缝）； 未焊透缺陷对疲劳强度的影响不如裂纹严重。,图19 未焊透对低碳钢对接接头疲劳强度的影响,试件截面积减小10%，其2106循环次数的疲劳强

11、度降低25%。,表6 含未焊透缺陷试样的疲劳强度,结论：对含有未焊透的接头进行表面机加工反而降低疲劳强度。,图20 未焊透在不同方向的载荷作用下对疲劳强度的影响 （A组影响大；B组影响小）, 未熔合：未熔合属于平面缺陷，不容忽视。一般与未焊透同等对待。 咬边： 咬边种类：根据IIW修正报告，咬边分为3种类型 咬边参量： 咬边参量由6个参量决定（如图），其中影响接头疲劳强度的主要参量是咬边深度，一般用深度h或深度/厚度比值h/B来评定接头疲劳强度。,图21 咬边缺陷的参量,图22 对接接头咬边深度h对疲劳强度的影响,图23 对接接头咬边深度/厚度比（h/B）对疲劳强度的影响,图24 咬边在不同方

12、向的载荷作用下对疲劳强度的影响 （A组影响大；B组影响小）, 气孔：气孔为体积缺陷，其在焊缝中的位置比其尺寸对接头疲劳强度影响更大，表面或表层下气孔具有最不利的影响。,表7 密集气孔对接头疲劳强度的影响,图25 对接焊缝中密集气孔对疲劳强度的影响,图26 含有密集气孔的对接焊缝在145MPa平均拉伸应力下疲劳强度,图27 含有密集气孔的低碳钢对接焊缝的疲劳强度, 夹渣：夹渣为体积缺陷，它比气孔对接头疲劳强度的影响要大。,表8 不同尺寸夹渣对疲劳强度下限的影响,图28 含有夹渣的对接焊缝在脉动拉伸载荷作用下经2106次循环时，缺陷长度对疲劳强度的影响,焊接缺陷其它因素对接头疲劳强度的影响 表面缺

13、陷比内部缺陷的影响大； 与作用力方向垂直的平面缺陷比其它方向的影响大； 位于残余拉应力区的缺陷比在残余压应力区的影响大； 位于应力集中区的缺陷（如悍趾裂纹）比在均匀应力场中同样缺陷的影响大。,4.残余应力对接头疲劳强度的影响,图30 焊接接头中标称和实际应力循环范围的关系, 标称应力循环范围：S1+S2 实际应力循环范围：Sy-（S1+S2） 假定r= s=300MPa，则当 R=0时，实际应力范围的上限值：300MPa 下限值：300（100+0）=200MPa R= -1时，实际应力范围的上限值：300MPa 下限值：300（50+50）=200MPa 结论：含有残余应力的焊接接头，其疲劳

14、 强度只与施加应力范围有关，而与最大应力、最小应力和应力循环特性无关。因此焊接接头疲劳强度用应力范围表征。 = max min = 2 a, R=0（脉动载荷）时，在较大Smax拉应力作用下，残余应力很快释放，对疲劳强度影响减弱； R=0.3 时，在更大的Smax拉应力作用下，残余应力进一步释放而对疲劳强度不起作用，热处理 在消应的同时软化材质反而使疲劳强度降低。 R=-1（交变载荷）时，残余应力明显降低接头的疲劳强度。,表9 焊接残余应力在不同循环特征时接头的疲劳强度（MPa）, 对S-N曲线位置的影响,图29 焊接残余应力不同循环特性的影响,图31 不同R值时残余应力对焊有纵向加筋板的焊接

15、结构 疲劳强度的影响,焊态时，R=0和-1的疲劳强度相差不大； R=0时，焊态与消应处理试件的疲劳强度相差很小； R=-1时，消应处理试件比焊态的疲劳强度高。,消应热处理态,焊态,图32 不同R值时残余应力对焊态和热处理态接头 疲劳强度的影响,表10 Q235钢非承载纵向角焊接头疲劳强度（2106次）/ M Pa,图33 纵向角焊缝的疲劳强度, 对da/dN疲劳裂纹扩展速率的影响, 无焊接残余应力存在时，da/dN由Paris公式表征：, 有焊接残余应力存在时，da/dN由Maknenko对Paris公式的修正式表征：,式中，Kr为由残余应力引起的应力强度因子。,图34 残余应力对裂纹扩展速率的影响 试件 无残余应力 试件 裂尖在残余拉应力区 试件 裂尖在残余压应力区,5.材料强度对接头疲劳强度的影响, 材料的疲劳强度随着材料本身抗拉强度的增加约以50%的比率增加； 焊接接头（对接、角接）的疲劳强度与材料本身的抗拉强度无关； 当接头疲劳寿命较短时，高强钢接头的疲劳强度高于低强钢接头的疲劳强度。,图35 承受脉动载荷非承载角焊缝接头的疲劳强度,图36 两种钢材横向对接接头的疲劳试验结果,6.焊缝及热影响区对接头疲劳强度的影响, 低氢焊缝的