焊接接頭疲勞性能研究和最新技術(2)
發(fā)布時間：2010-01-14 共2頁
2.2.3焊接缺陷的影響
焊趾部位存在有大量不同類型的缺陷，這些不同類型的缺陷導致疲勞裂紋早期開裂和使母材的疲勞強度急劇下降（下降到80%）。焊接缺陷大體上可分作兩類：面狀缺陷（如裂紋、未熔合等）和體積型缺陷（氣孔、夾渣等），它們的影響程度是不問的，同時焊接缺陷對接頭疲勞強度的影響與缺陷的種類、方向和位置有關。
1）裂紋焊接中的裂紋，如冷、熱裂紋，除伴有具有脆性的組織結構外，是嚴重的應力集中源，它可大幅度降低結構或接頭的疲勞強度。早期的研究己表明，在寬60mm、厚12.7mm的低碳鋼對接接頭試樣中，在焊縫中具有長25mm、深5.2mm的裂紋時（它們約占試樣橫截面積的10%），在交變載荷條件下，其2×106循環(huán)壽命的疲勞強度大約降低了55%~65%.
2）未焊透應當說明，不一定把未焊透均認為是缺陷，因為有時人為地要求某些接頭為周部焊透，典型的例子是某些壓力容器接管的設計。未焊透缺陷有時為表面缺陷（單面焊縫），有時為內(nèi)部缺陷（雙面焊縫），它可以是局部性質的，也可以是整體性質的。其主要影響足削弱截面積和引起應力集中。以削弱面積10%時的疲勞壽命與未含有該類缺陷的試驗結果相比，其疲勞強度降低了25%，這意味著其影響不如裂紋嚴重。3）未熔合由于試樣難以制備，至今有關研究極其稀少。但是無可置疑，未熔合屬于平面缺陷，因而不容忽視，一般將其和未焊透等同對待。
4）咬邊表征咬邊的主要參量有咬邊長度L、咬邊深度h、咬邊寬度W.影響疲勞強度的主要參量是咬邊深度h，目前可用深度h或深度與板厚比值（h/B）作為參量評定接頭疲勞強度。
5）氣孔為體積缺陷，Harrison對前人的有關試驗結果進行了分析總結，疲勞強度下降主要是由于氣孔減少了截面積尺寸造成，它們之間有一定的線性關系。但是一些研究表明，當采用機加工方法加工試樣表面，使氣孔處于表面上時，或剛好位于表面下方時，氣孔的不利影響加大，它將作為應力集中源起作用，而成為疲勞裂紋的起裂點。這說明氣孔的位置比其尺寸對接頭疲勞強度影響更大，表面或表層下氣孔具有最不利影響。
6）夾渣IIW的有關研究報告指明：作為體積型缺陷，夾渣比氣孔對接頭疲勞強度影響要大。
通過上述介紹可見焊接缺陷對接頭疲勞強度的影響，不但與缺陷尺寸%考%試|大|有關，而旦還決定于許多其他因素，如表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大，與作用力方向垂直的面狀缺陷的影響比其它方向的大；位于殘余拉應力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應力區(qū)的大；位于應力集中區(qū)的缺陷（如焊縫趾部裂紋）比在均勻應力場中同樣缺陷影響大。
2.3焊接殘余應力對疲勞強度的影響
焊接殘余應力是焊接結構所特有的特征，因此，它對于焊接結構疲勞強度的影響是人們廣為關心的問題，為此人們進行了大量的試驗研究工作。試驗往往采用有焊接殘余應力的試樣與經(jīng)過熱處理消除殘余應力后的試樣，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)引起的材料性能變化，而熱處理在消除殘余應力的同時也恢復或部分地恢復了材料的性能，同時也由于試驗結果的分散性，因此對試驗結果就產(chǎn)生了不同的解釋，對焊接殘余應力的影響也就有了不同的評價。
試舉早期和近期一些人所進行的研究工作為例，可清楚地說明這一問題，對具有余高的對接接頭進行的2×106次循環(huán)試驗結果，不同研究者得出了不同結論。有人發(fā)現(xiàn)：熱處理消除應力試樣的疲勞強度比焊態(tài)相同試樣的疲勞強度增加12.5%；另有人則發(fā)現(xiàn)焊態(tài)和熱處理的試樣的疲勞強度是一致的，即差異不大；但也有人發(fā)現(xiàn)采用熱處理消除殘余應力后疲勞強度雖有增加，但增加值遠低于12.5%等等。對表面打磨的對接接頭試樣試驗結果也是如此，即有的試驗認為，熱處理后可提高疲勞強度17%，但也有的試驗結果說明，熱處理后疲勞強度沒有提高等。這個問題長期來使人困惑不解，直到前蘇聯(lián)一些學者在交變載荷下進行了一系列試驗，才逐漸澄清了這一問題。
其中最值得提出的是Trufyakov對在不同應力循環(huán)特征下焊接殘余應力對接頭疲勞強度影響的研究。試驗采用14Mn2普通低合金結構鋼，試樣上有一條橫向對接焊縫，并在正反兩面堆焊縱向焊道各一條。一組試樣焊后進行了消除殘余應力的熱處理，另一組未經(jīng)熱處理。疲勞強度對比試驗采用三種應力循環(huán)特征系數(shù)r=-1， 0， +0.3.在交變載荷下（r=-1），消除殘余應力試樣的疲勞強度接近130MPa，而未經(jīng)消除殘余應力的僅為75MPa，在脈動載荷下（r=0），兩組試樣的疲勞強度相同，均為185MPa.而當r=0.3時，經(jīng)熱處理消除殘余應力的試樣疲勞強度為260MPa，反而略低于未熱處理的試樣（270MPa）。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的主要原因是：在r值較高時，例如在脈動載荷下（r=0），疲勞強度較高，在較高的拉應力作用下，殘余應力較快地得到釋放，因此殘余應力對疲勞強度的影響就減弱；當r增大到0.3時，殘余應力在載荷作用下，進一步降低，實際上對疲勞強度已不起作用。而熱處理在消除殘余應力的同時又軟化了材質，因而使得疲勞強度%考%試|大|在熱處理后反而下降。這一試驗比較好地說明了殘余應力和焊接熱循環(huán)所引起材質變化對疲勞強度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應力對接頭疲勞強度的影響與疲勞載荷的應力循環(huán)特性有關。即在循環(huán)特性值較低時，影響比較大。
前面己指出，由于結構焊縫中存有達到材料屈服點的殘余應力，因此在常幅施加應力循環(huán)作用的接頭中，焊縫附近所承受的實際應力循環(huán)將是由材料的屈服點向下擺動，而不管其原始作用的循環(huán)特征如何。例如標稱應力循環(huán)為+S1到-S2，則其應力范圍應為S1+S2.但接頭中的實際應力循環(huán)范圍將是由Sy（屈服點的應力幅）到Sy-（S1+S2）。這一點在研究焊接接頭疲勞強度時是非常重要的，它導致了一些設計規(guī)范以應力范圍代替了循環(huán)特征r.
此外，在試驗過程中，試件的尺寸大小、加載方式、應力循環(huán)比、載荷譜也對疲勞強度有很大的影響。
