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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 疲劳失效约占90 如 船舶
2、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 应力集中 结构设计 接头类型 对接接头 T型接头及十字接头 搭接接头 焊缝形状 对接焊缝 角焊缝 焊接缺陷 裂纹 未焊透 未熔合 咬边 气孔 夹渣等 应力状态 焊接残余应力 应力循环特性 结构材质 母材静载强度 焊缝及热影响区 焊缝强度匹配 其它工艺因素 焊接材料 焊接设备 焊接参数 焊后热处理工艺等 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
3、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 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
4、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
5、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
6、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 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 H08Mn2
7、Si 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 T 0 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 T 0 5时 各组S N曲线分散 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 T 0 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 T 0 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 T 0 5范围内 应
8、力集中系数缓慢增大 2a T 0 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 部分熔透焊缝的十字接头疲劳破坏形式 2a T 0 5范围内 从焊趾处开裂 扩展直至最终断裂 2a T 0 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 T 0 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
9、T 0 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 T 0 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 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
10、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2 106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
11、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 2 106循环次数的疲劳强度 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
12、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
13、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 2 106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 30
14、0 100 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 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
15、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 2 106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
16、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 低氢焊缝的疲劳强度较高 焊缝金属 焊材类型 加载 方式 循环应力特性 R 疲劳强度 MPa 抗拉强度 MPa 疲劳强 度 抗拉强 度 低氢 扭弯 轴向 1 0 314 447 400 547 492 0 58 0 91 酸性 扭弯 轴向 1 0 216 432 462 508 477 0 43 0 90 表11 全焊缝金属试样的疲劳强度 热影响区 图37 低碳钢接头疲劳强度与应力集中的关系 冷速6 8 s 冷速1000 s 冷速2
