焊接接頭疲勞性能研究和最新技術(2)
發布時間：2010-01-14 共2頁
2影響焊接結構疲勞強度的主要因素
2.1靜載強度對焊接結構疲勞強度的影響
在鋼鐵材料的研究中，人們總是希望材料具有較高的比強度，即以較輕的自身重量去承擔較大的負載重量，因為相同重量的結構可以具有極大的承載能力；或是同樣的承載能力可以減輕自身的重量。所以高強鋼應運而生，也具有較高的疲勞強度，基本金屬的疲勞強度總是隨著靜載強度的增加而提高。
但是對于焊接結構來說，情況就不一樣了，因為焊接接頭的疲勞強度與母材靜強度、焊縫金屬靜強度、熱影響區的組織性能以及焊縫金屬強度匹配沒有多大的關系，也就是說只要焊接接頭的細節一樣，高強鋼和低碳鋼的疲勞強度是一樣的，具有同樣的S-N曲線，這個規律適合對接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭型式。Maddox研究了屈服點在386—636MPa之間的碳錳鋼和用6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區的疲勞裂紋擴展情況，結果表明：材料的力學性能對裂紋擴展速率有一定影響，但影響并不大。在設計承受交變載荷的焊接結構時，試圖通過選用較高強度的鋼種來滿足工程需要是沒有意義的。只有在應力比大于+0.5的情況下，靜強度條件起主要作用時，焊接接頭母材才應采用高強鋼。
造成上述結果的原因是由于在接頭焊趾部位沿溶合線存在有類似咬邊的熔渣楔塊缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半經小于0.015mm.該尖銳缺陷是疲勞裂紋開始的地方，相當于疲勞裂紋形成階段，因而接頭在一定應力幅值下的疲勞壽命，主要由疲勞裂紋的擴展階段決定。這些缺陷的出現使得所有鋼材的相同類型焊接接頭具有同樣的疲勞強度，而與母材及焊接材料的靜強度關系不大。
2.2應力集中對疲勞強度的影響
2.2.1接頭類型的影響
焊接接頭的形式主要有：對接接頭、十字接頭、T形接頭和搭接接頭，在接頭部位由于傳力線受到干擾，因而發生應力集中現象。
對接接頭的力線干擾較小，因而應力集中系數較小，其疲勞強度也將高于其他接頭形式。但實驗表明，對接接頭的疲勞強度在很大范圍內變化，這是因為有一系列因素影響對接接頭的疲勞性能的緣故。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類型、焊接位置、焊縫形狀、焊后的焊縫加工、焊后的熱處理等均會對其發生影響。具有永久型墊板的對接接頭由于墊板處形成嚴重的應力集中，降低了接頭的疲勞強度。這種接頭的疲勞裂紋均從焊縫和墊板的接合處產生，而并不是在焊趾處產生，其疲勞強度—般與不帶墊板的最不佳外形的對接接頭的疲勞強度相等
十字接頭或T形接頭在焊接結構中得到了廣泛的應用。在這種承力接頭中，由于在焊縫向基本金屬過渡處具有明顯的截面變化，其應力集中系數要比對接接頭的應力集中系數高，因此十字或T形接頭的疲勞強度要低于對接接頭。對未開坡口的用角焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的開坡口接頭，當焊縫傳遞工作應力時，其疲勞斷裂可能發生在兩個薄弱環節上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對于開坡口焊透的的十字接頭，斷裂一般只發生在焊趾處，而不是在焊縫處。焊縫不承受工作應力的T形和十字接頭的疲勞強度主要取決于焊縫與主要受力板交界處的應力集中，T形接頭具有較高的疲勞強度，而十字接頭的疲勞強度較低。提高T形或十字接頭疲勞強度的根本措施是開坡口焊接，并加工焊縫過渡處使之圓滑過渡，通過這種改進措施，疲勞強度可有較大幅度的提高。
搭接接頭的疲勞強度是很低的，這是由于力線受到了嚴重的扭曲。采用所謂“加強”蓋板的對接接頭是極不合理的，由于加大了應力集中影響，采用蓋板后，原來疲勞強度較高的對接接頭被大大地削弱了。對于承力蓋板接頭，疲勞裂紋可發生在母材，也可發生在焊縫，另外改變蓋板的寬度或焊縫的長度，也會改變應力在基本金屬中的分布，因此將要影響接頭的疲勞強度，即隨著焊縫長度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲勞強度增加，這是因為應力在基本金屬中分布趨于均勻所致。
2.2.2焊縫形狀的影響
無論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不同，其應力集中系數也不相同，從而疲勞強度具有較大的分散性。對接焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度影響最大。
（1）過渡角的影響Yamaguchi等人建立了疲勞強度和基本金屬與焊縫金屬之間過渡角（外鈍角）的關系。試驗中W（焊縫寬度）和h（高度）變化，但h/W比值保持不變。這意味著夾角保持不變，試驗結果表明，疲勞強度也保持不變。但如果W保持不變，變化參量h，則發現h增加，接頭疲勞強度降低，這顯然是外夾角降低的結果。
（2）焊縫過渡半徑的影響Sander等人的研究結果表明焊縫過渡半徑同樣對接頭疲勞強度具有重要影響，即過渡半徑增加（過渡角保持不變），疲勞強度增加。角焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度也有較大的影響。
當單個焊縫的計算厚度a與板厚B之比a/B<0.6～0.7時，一般斷裂于焊縫；當a/B>0.7時，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對提高疲勞強度僅僅在一定范圍內有效。因為焊縫尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面即焊趾端處基本金屬的強度，故充其量亦不能超過該處的疲勞強度。Soete，Van Crombrugge采用15mm厚板用不同的角焊縫施焊，在軸向疲勞載荷下的試驗發現，焊縫的焊腳為13mm時，斷裂發生在焊趾處基本金屬或焊縫中。當焊縫的焊腳小于此值時，疲勞斷裂發生在焊縫上；當焊腳尺寸為18mm時斷裂發生在基本金屬中。據此他們提出極限焊腳尺寸：S=0.85B式中S為焊腳尺寸，B為板厚。可見縱使焊腳尺寸達到板厚時（15mm），仍可得焊縫處的斷裂結果，這一結果與理論結果符合得很好。
