焊接接头和结构的疲劳强度

1、焊接结构讲义第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度6-1 概述一、定义结构在变动载荷下工作，虽然应力低于材料的但在较长时间工作后 仍发生断裂的现象叫金属的疲劳。疲劳断裂金属结构失效的一种主要形式，大量统计资料表明，由于 疲劳而失效的金属结构约占结构的 90%工程实际中的疲劳有多种表现形式： 机械疲劳：完全由变动外载荷引起 接触疲劳：表面间滚动接触与交变应力共同作用 蠕变疲劳：高温和交变应力作用 热疲劳：温度变化引起 本章讨论的是具有典型意义和普遍意义的材料、焊接接头和结构的 机械疲劳情况。例如：直升飞机起落架，疲劳断裂，裂纹从应力集中很高的角接板 尖端开始，断

2、裂时飞机已起落 2118 次。再如：载重汽车的纵梁的疲劳裂纹，该梁承受反复的弯曲应力，在 角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生裂纹，开裂时该车运行 3 万公里。武汉理工大学金属成型加工系姜剑宁2020/5/8第- 1 -页焊接结构讲义第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度可见，疲劳断裂是在正常的工作应力作用下经较长时间后产生的，也就是说疲劳断裂的结构是在应力低于许用应力的情况下产生的，这使 我们联想到结构的低应力脆断，疲劳和脆断都是在低应力作用下产生的， 那么它们之间有什么相同点和不同点呢？二、疲劳和脆断的比较疲劳和脆断都是低应力情况下的破坏，那么它们之间有什么异同呢？相同点不同点疲劳脆断低

3、应力作用下破坏加载次数多次少次断裂时变形很小裂纹扩展速率慢快断裂都具有突然性，危害大温度影响小大影响断裂的因素大部分相同断口疲劳辉纹结晶状三、疲劳的类型 根据构件所受应力的大小、应力交变频率的高低，通常可以把金属 的疲劳分为 2 类：一类 为高速疲劳它是在应力低，应力交变频率高的情况下产生的， 也叫应力疲劳，即通常所说的疲劳；另一类 为低周疲劳，它是在应力高，工作应力近于或高于材料的屈 服强度，应力交变频率低断裂时应力交变周次少（少于102 105 次）的情况下产生的疲劳，也叫应变疲劳。1、高速疲劳（应力疲劳） ： 载荷小（应力小），频率高，裂纹扩展 速率小。2、低周疲劳（应变疲劳） ： 应力

4、高，频率低，裂纹扩展速率大。 焊接结构的疲劳破坏大部分属于第二类：低周疲劳。 6-2 疲劳限的常用表示方法、变动载荷 （掌握 max、 min 、 m、 a、 r 概念）金属的疲劳是在变动载荷下经过一定的循环周次后出现的，所以要武汉理工大学金属成型加工系姜剑宁2020/5/8第- 2 -页焊接结构讲义第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度下面介绍几种典型的具有特殊循环特性的变动载荷：首先了解变动载荷的性质。 变动载荷是指载荷的大小、方向或大小和方向都随时间发生周期性 变化（或无规则变化）的一类载荷。变动载荷的变化是如此的不同，那么该怎样来描述它的特性呢？除 了无规则的变动载荷外，变动载荷的特性可

5、用下列几个参量表示：max ：应力循环内的最大应力 min ：应力循环内的最小应力 m =（ max + min ）/2 ：平均应力 a =（ max min ）/2 ：应力幅值 r = min / max ：应力循环特征系数， r 的变化范围是 +11、对称交变载荷 应力波形如图，由图可见： 这种变动载荷的 min = max 应力循环特征系数 r = 1 。max、 min 、 平均应力 m = 0 ， 应力幅值 a = max2、脉动载荷 应力波形如图，由图可见： min =0 r = 0； max 、 min ；平均应力 m 与应力幅值相等， 都等于 max /2 ， m = a =

6、max /23、拉伸变载荷max、 min 均为拉应力，但大小不等， 0r r 1： 1 ，效果不大。 49% 机械加工，效果也不显著， 51%正面焊缝，焊角 1：3.8 盖板加厚一倍，并机械加工， r 最高，100% 这时已失去搭接接头简单易行的特点。加盖板的对接接头极不合理，盖板帮倒忙。49%。二、近缝区金属性能变化的影响低碳钢近缝区性能变化对疲劳强度影响较小，低合金钢近缝区性能变化对疲劳强度影响不大，对高强钢若用高组配接头，则无影响；若用低组配接头，则取决于夹层厚度。当 h/d0.75 时接头的疲劳强度 r 取决与软层的 r ，比母材低； 当 h/dB 组的 r，可见残余应力小的，武汉理

7、工大学金属成型加工系 姜剑宁 2020/5/8第- 14 -页焊接结构讲义第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度- 15 -高，残余应力大的， r 低。 该实验由于没有采用热处理消除内应力，排除了热处理对材料性能 的影响，比较明确的说明了内应力的作用。四、焊接缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度有很大的影响，影响程度与缺陷的种类，尺寸， 方向，所在位置有关。片状缺陷（裂纹、未融合、未焊透）比圆角的（气孔）影响大； 表面缺陷比内部的影响大； 与作用力方向垂直的片状缺陷比其他方向的影响大； 拉应力场中的缺陷比压应力场中的影响大； 应力集中区的缺陷（如焊趾裂纹）比均匀应力场中的影响大。下图为几种典型缺陷在不同

8、位置载荷下的影响， A 组的影响大， B 组武汉理工大学金属成型加工系姜剑宁2020/5/8第- 15 -页焊接结构讲义第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度- 16 - 6-7 疲劳强度设计的一般原则总结工程实例，焊接结构疲劳强度设计的一般原则是：1、承受拉伸，弯曲和扭转构件应采用长而圆滑的过渡结构以减少刚 度的突然变化。2、优先选用对接焊缝单边 V 型焊缝和 K 型焊缝尽可能不用角焊缝。3、采用角焊缝时最好用双面焊缝，避免使用单面焊缝。4、采用带有搭接板的搭接接头和弯搭接接头， 尽可能不用偏心搭接。5、使焊缝（特别是焊趾、焊缝根部和焊缝端部）位于低应力区（例 如弯曲时的中性带、承受小弯矩的区

9、域、孔边缘上使缺口应力为零的地 方、过渡段和转角以外的部位） ，使缺口效应分散而避免其叠加。6、在焊趾缺口、焊缝根部缺口和焊缝端部缺口之前或之后（处于力 流之中）设置一些缓冲缺口以消除或降低上述缺口部位的应力。7、承受横向弯曲的构件应缩短支撑间距以减小弯矩。8、横向力应作用于剪切中心之上以减少扭矩。9、承受拉伸与弯曲的构件如需加强，则加强杆长度应小，以减小加 强杆对构件变形的拘束。10、承受扭转的构件，为避免横向截面翘曲受阻可采用切除翼缘端 部、翼缘端部斜接等形式以及采用横截面不产生翘曲的型材。11、使焊缝能包围较大的面积或局部增加构件壁厚以减轻外力作用 于薄壁构件上时引起的局部弯曲。12、在

10、薄板范围内合理布置焊缝以减轻弯曲变形。13 避免能扰乱力流的开口或切口，但与力流垂直的加强劲板板角部 应切除（加强劲板切角） 。14、在特别危险的部位以螺栓接头或铆接接头、锻造连接件或铸造 连接件代替焊接接头（尤其当这样做更便于装配时） 。15 消除能引起腐蚀的根部间隙。为检查设计质量，可通过测试或计算确定结构应力峰值。测试原型 上或光弹模型上的结构应力峰值，是设计承受疲劳载荷的焊接结构时采 用的一种基本方法。如破坏发生在焊趾而不在焊缝根部，则焊趾区测得 的应变即可作为评价焊缝的一个可靠指标。近年来，计算方法特别是基 于有限元法的计算方法用的越来越多，大有代替测试方法之势。武汉理工大学金属成型

11、加工系姜剑宁2020/5/8第- 16 - 页6-8提高接头疲劳强度的措施焊接结构讲义第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度- 17 -、降低应力集中1、采用合理的结构形式，减少应力集中（图 6-46）1）避免三向交叉焊缝2）焊缝离开受力最大的位置3）不用单边角焊缝4）尽量减少刚度5）尖角改圆角6）不用加盖板对接7）采用中间夹板用间断焊和塞焊代替连续焊武汉理工大学金属成型加工系姜剑宁2020/5/8第- 17 -页焊接结构讲义第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度- 18 -2、尽量采用对接接头（1）采用复合结构把角焊缝改为对接焊缝（图 6-47，图 6-48）；（2）注意：对接焊缝只有在截面没有

12、突然改变的情况下传力才是合 理的。不合理的对接焊缝实例， （图 6-49）（3）机械打磨焊缝过渡区是可采用的方法，但应顺着力线的方向， 垂直力线方向打磨往往取得相反的效果。3、采用角焊缝时需采用综合措施这些措施是：（1焊缝根部熔透； 2把角接板改成平滑过渡； 3 机械加 工焊缝端部）。详细实例见（表 6-5 综合处理实例） P246.武汉理工大学金属成型加工系姜剑宁2020/5/8第- 18 - 页焊接结构讲义第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度- 19 -4、开缓和槽使力线绕开应力集中部位5、机械加工焊缝及附近表面，机械加工可消除焊缝及其附近的各种刻槽，降低构件中的应力集中 程度，提高接头的疲劳强度。但这种表面机械加工的成本高，因此只有 真正有益并确实能加工到的地方才适合用这种加工方法。6、还可电弧 TIG 或等离子束整形二、调整残余应力场1、整体处理（1）整体退火武汉理工大学金属成型加工系姜剑宁2020/5/8第- 19 -页焊接结构讲义第