材料力学性能53课件

5焊接结构的疲劳强度

焊接作为现代理想的连接手段，与其它连接方法相比，具有经济、灵活的突出优点，因此，各个工业领域都大量地采用焊接结构。但是，许多运动结构或承受动载荷的结构，在交变载荷作用下，即使在低应力下也容易产生疲劳断裂。5焊接结构的疲劳强度据统计，由于疲劳而失效的金属结构中，90%为焊接结构。一般情况下，焊接接头承受静载的能力并不比母材低，而承受动载荷的能力却远低于母材。这是因为，焊缝处存在应力集中、焊接缺陷、残余拉伸应力，以及焊趾处显微组织粗化等，导致疲劳强度下降，成为焊接结构的疲劳薄弱环节。5.1各种焊接接头的疲劳破坏形式

1．横向对接焊缝在没有焊接缺陷时，带有余高的横向对接焊缝，应力集中主要发生在焊缝的焊趾和焊根处，所以疲劳破坏一般始发于此，见图5-1a）和b）。a)b)图5-1横向对接接头疲劳裂纹部位

3．角接焊缝角接焊缝的破坏形式有以下几类：（1）在不承载的横向角焊缝中，疲劳裂纹发生在焊趾处，见图5-3（a）中①；（2）对于承载的横向角焊缝，裂纹起始于焊趾①或焊根②，见图5-3（b）；（3）对于承载和不承载的纵向角焊缝，裂纹都起始于焊缝两端①②，见图5-3（c）、（d）。图5-3角接接头的破坏形式（黑点表示裂纹的开始点）不承载的横向角焊缝不承载的纵向角焊缝横向角焊的筋板（纵向角焊的筋板）承载的横向角焊缝承载的纵向角焊缝横向角焊搭接侧向角焊搭接（一）横向对接接头图5-4中示出了横向对接接头中的工作应力分布。为名义应力，在焊趾和焊根处都有一定的应力集中。图5-4对接接头中工作应力的分布影响横向对接焊缝应力集中的主要因素是焊缝余高h和过渡处半径r，见图3-5。图5-5对接焊缝余高h、过渡半径r与应力集中系数Kσ的关系表5-1如果使用机械加工方法将余高切除，则应力集中可以大大减小，对接接头的疲劳极限可以明显提高，见表5-1接头的表面状态对接接头的疲劳极限σ-1（MPa)母材轧制状态225～235横向对接焊接态117～127横向对接两面加工215～225纵向对接焊接态179.34但当焊缝带有严重缺陷或未焊透时，其缺陷或未焊透处的应力集中要比焊缝表面的应力集中严重得多，这时焊缝表面进行机械加工则是毫无意义的。

1.各种端焊缝型式的搭接接头，其疲劳极限与焊缝两直角边的比值和机加工情况有关。搭接端焊缝两直角边比疲劳极限σ0（MPa）母材2001．直角边比1：1802．直角边比1：2973．焊缝经机械加工1024．盖板直角边比1：3.8，经机械加工200

表5-2

2．侧焊缝形式的搭接接头，无论是受到拉-压或弯曲载荷，其疲劳强度都比端焊缝低。见图5-8和表5-3。材料应力比疲劳极限（MPa）a)b)c)碳钢σb=432MPaσs=262MPa0708090-134～434050表5-3

a)b)c)图5-8侧焊缝搭接接头

（三）T形（十字）接头

图5-9中示出了T形（十字）接头的工作应力分布。其应力集中系数远比对接接头高。a)未开坡口角焊缝构成的接头b)开K形坡口角焊缝构成的接头图5-9T形（十字）接头的应力分布图5-10中示出了三种十字接头型式。板厚12S=5a=8a）b）c）图5-10三种十字接头型式焊接接头的疲劳极限母材金属的疲劳极限正应力下的疲劳缺口系数母材金属应力比（MPa）（MPa）备注St370236±15.72601.1图中a）-1.0118±13.71621.4St5201913261.7-1.01392011.45St370103±14.72602.3图中b）-1.071±15.71622.5St52-1.0782012.6St370882602.95图中c）-1.0391624.15表5-4十字接头的疲劳极限a）b）c）焊趾处的微小缺陷对疲劳强度的影响

大量试验表明，除各种焊接接头的几何尺寸因素造成应力集中（应力分布不均匀）外，焊趾处还存在着微小的气孔、未焊透、细小的尖锐熔渣楔块以及沿熔合线的轻微咬边（见图3-11）。熔渣楔块的平均尺寸为0.15mm，咬边深度在0.1mm以下，它们是一般探伤方法不能检查出来的微小缺陷。图5-11焊趾微观缺口效应图5－12b)

CW－2C构架侧梁断口照片b图为裂纹断口照片。由断口照片可见：裂纹源在补强板焊缝靠近内侧的端部；此外，沿焊缝还有许多“台阶”，这是焊趾部许多微小缺陷引起的多条裂纹扩展形成的。CW-2C（B）转向架定位座补强后严重裂损的原因，主要是补强板只采用了角焊缝，没有按照“焊满磨平”的工艺要求去实施，从而在焊缝处产生严重的应力集中；同时，焊缝质量较差，特别是在焊趾处存在许多微小缺陷，大大削弱了该焊接接头的疲劳强度。

焊接残余应力的影响焊接残余应力的作用与平均应力相当，二者的区别仅在于：平均应力在加载过程中是不变的，而焊接残余应力在加载过程中会逐渐释放，因此其影响也逐渐减小。焊接残余应力如何影响焊接接头的疲劳强度问题，至今仍存在争议。基本上有两种观点：一类观点是：残余应力对疲劳强度的影响可以忽略。理由是：①焊接接头的疲劳强度主要与焊缝几何尺寸和焊趾部存在的应力集中等因素的影响有关，残余应力的影响是第二位的；②拉伸残余应力使疲劳极限降低，压缩残余应力使疲劳极限增加。焊接残余应力的总体影响不显著。另一类观点是：在一定条件下，残余应力可影响焊接接头的疲劳强度。如，当高残余拉应力点与焊接结构的应力集中点重合时，残余应力对疲劳强度的影响是毫无疑问的。表5-5中列出了退火处理对于对接接头疲劳强度影响的试验结果。

母材强度（MPa）试样状态σ-1（MPa）310母材210V形接头焊接状态93.7退火或回火96.3480母材235V形接头焊接状态118退火或回火122520母材307V形接头焊接状态126退火或回火134表5-5退火处理后对接接头的疲劳强度2．冷作强化处理（喷丸、滚压、捶击等），使焊接结构表面（或接头表面）造成压缩残余应力，能大大提高焊接接头的疲劳强度。低碳钢喷丸硬化层厚度可达0.4mm左右，对接接头喷丸后，在2×106次循环时，疲劳强度提高55～65％；非承载横向角焊缝，疲劳强度提高36～39％。（二）交变载荷作用下焊接构架上残余应力的变化残余应力是一个不稳定的力学量，在交变载荷作用下会引起残余应力的变化（释放）。其机理是：在动应力和残余应力共同作用下，如果某部位应力值超过材料的屈服极限，就会在该部位产生塑性变形，使残余应力释放，降低残余应力的峰值。动应力幅值愈大，残余应力下降的愈多愈快。一般在几十次到几万次循环内完成应力释放，释放的幅值为50％～80％之间。焊接缺陷的影响（一）一般规律在焊接接头中可能存在着各种缺陷，缺陷会造成严重的应力集中，对焊接接头的疲劳强度产生显著影响。影响程度与缺陷的种类、位置和方向有关。1．缺陷可分为两类：面状缺陷（裂纹、未焊透及咬边等）和体积型缺陷（气孔、夹渣等）。面状缺陷引起严重的应力集中，对疲劳强度的影响比体积型缺陷要大。2．表面或靠近表面的缺陷比内部缺陷对疲劳强度的影响大；位于应力集中区的缺陷（如焊趾部）比位于均匀应力场中同样缺陷的影响大；位于拉应力区的缺陷比在压应力区的影响大。3．与作用力方向垂直的缺陷比其它方向的缺陷对疲劳强度的影响大。（二）面状缺陷对焊接接头疲劳强度的影响1．未焊透（未熔合）b）横向角接a）横向对接图3-16未焊透表5-6中列出了未焊透深度对焊接接头脉动疲劳极限的影响（δ为板厚）疲劳极限未焊透深度（MPa）未焊透深度（MPa）完全焊透260（0.24～0.28）δ81（0.05～0.06）δ186（0.43～0.46）δ60（0.11～0.16）δ132疲劳极限表5-6交叉杆端部环焊缝焊根部未焊透，见图5-15（a）、（b）;（a）图为未焊透分布于整个环形断口内表面的边缘；（b）图为未焊透分布于环形断口半环。疲劳试验结果表明：疲劳裂纹88%断在交叉杆端部环焊缝处（14根试样），只有两根断在交叉杆压窝部位。

图5-15

2．咬边（咬肉）咬边使焊缝与母材连接处产生凹槽，引起应力集中，降低疲劳强度。如图5-16中。在钢结构设计规范中规定，咬肉深度不得超过1mm。接头疲劳强度σ0（MPa）90~100160~180焊缝焊缝图5-16咬肉对接头疲劳强度的影响3．裂纹

焊接冷裂纹和热裂纹是危害最大的缺陷，裂纹尖端的曲率半径接近于零，是严重的应力集中源。能够被检测出来的裂纹，在大多数标准中都是被禁止的。4.点固焊

装配焊接过程中，经常采用点固焊定位，由于不能保证焊缝连续，疲劳裂纹会在点固焊两侧产生。图5-17中为立板内侧点固焊处有未很好清根留下的焊渣，成为疲劳源，所以焊接操作时应谨慎进行点固焊定位。图5-17母体金属材料性能的影响母材金属的疲劳强度总是随其静强度的增加而提高。但对焊接结构来说，只要焊接接头的类型一样，高强钢和中低强度钢的疲劳强度基本一致，也具有相同的S-N曲线，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头形式，见图5-18。图5-18表面状况及环境因素与疲劳极限和抗拉强度的关系母体金属材料性能的影响另外研究了屈服极限为386MPa～636MPa之间的碳锰钢，采用6种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况，结果表明：材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响也不大。所以，焊接结构选用较高强度的钢种是没有意义的。只有静强度条件起主要作用时，焊接接头母材才应采用高强度钢。这是因为在接头焊趾部沿熔合线存在有微观缺口效应—咬边及熔渣楔块缺陷，它是疲劳裂纹萌生的地方，因而焊接接头在一定应力幅值下的疲劳寿命主要由扩展寿命决定。所以不同强度钢材的焊接接头，其疲劳强度与母材及焊接材料的静强度关系不大。5.3合理地设计焊缝、焊接接头形式

焊缝、焊接接头形式合理设计的原则是尽量降低各种形式的应力集中。例如：l

（1）尽可能采用低加强高的对接接头，重要焊缝甚至要用机加工手段去掉加强高。l

（2）承受疲劳载荷的十字接头应开坡口以增大熔深、保证焊透，并使角焊缝圆滑凹入、过渡至连接件母材上。l

（3）需要采用不开坡口的T形接头和搭接接头时，由于它们的应力集中较为严重，可用调整焊脚尺寸并加工焊趾过渡区来降低应力集中。一般，T形接头采用双面焊比单面焊好。5.3合理地设计焊缝、焊接接头形式

（4）设计盖板接头、附连板和筋板时，尽量采用圆滑过渡的结构形式，见下图。l

改进前改进后

5.3合理地设计焊缝、焊接接头形式

（5）应避免双条焊缝交叉或汇聚于一点。（6）尽量避免在结构的大应力区布置焊缝连接部位的刚度也不能过大。5.4影响焊接结构疲劳强度的因素

对于整个焊接结构，影响其疲劳强度的主要因素有三个：应力幅值、应力循环次数和结构细节（称为细节设计）。

下面以焊接钢梁为例介绍各种细节设计对结构疲劳强度的影响。

焊接钢梁结构的疲劳强度

工字梁结构的腹板与翼缘连接角焊缝，大部分应力集中发生在焊缝起弧—熄弧位置上。有两种几何上的缺口，一是弧坑使焊缝在纵向断面上产生一个显著的变化，见图5-18；另一种是在熄弧与起弧焊道之间焊根处未完全熔化、由包住的夹渣造成的缺口。试验结果得出，在2×106次循环下，手工焊组拼梁的疲劳强度在133MPa～165MPa范围内。图5-18换焊条的弧坑裂纹

为了改善疲劳强度，有两种办法：第一种办法是开坡口、使焊缝熔透整个腹板，试验结果表明，在2×106次循环时，其疲劳强度可提高147MPa～200MPa。第二种办法是采用自动焊工艺，可以避免起弧—熄弧位置出现缺陷，试验结果为2×106次循环时其疲劳强度达到150MPa～185MPa。腹板加强筋细节的影响

图5-19中示出了腹板加强筋不同的细节设计。其中，B型细节把加强筋焊到受拉翼缘（下翼板）上，此时疲劳破坏发生在翼缘上。试验结果表明，在2×106次循环时，疲劳强度为100MPa。图5-19腹板加强筋细节

图5-19中其它六种细节是把加强筋焊到腹板上，或是焊到腹板和受压翼缘上。这些细节设计的试件都在腹板中破坏，裂纹从一条或多条加强筋与腹板间的焊缝端部开始，所有细节的试验结果都落在相同的分散带内，在2×106次循环时，加强筋板倒角的疲劳强度约为116MPa，不倒角的都为100MPa。拼接接头细节的影响图5-20中列出了几种拼接接头细节

图5-20几种拼接接头细节2×106次ABC120145178型式拼接接头疲劳强度（MPa）型式拼接接头疲劳强度（MPa）2×106次134159159DEF

一般，没有边孔的拼接接头，大部分破坏发生在焊趾上，或者在焊缝缺陷处，当有边孔时，在角焊缝端部或边孔周围的那些小缺口上，应力集中导致低的疲劳强度，见图5-21。图5-21在腹板三角边孔顶点产生严重的应力集中翼缘盖板细节的影响图5-22中列出了几种翼缘盖板端部细节及其疲劳强度图5-22几种翼缘盖板端部细节ABC797980型式盖板端部细节疲劳强度（MPa）2×106次DEF型式盖板端部细节疲劳强度（MPa）2×106次83(77)9356G1005.5改善焊接结构疲劳强度的工艺措施

修整焊缝（一）局部机加工（打磨法）1．对焊缝进行局部机加工有利于提高疲劳强度。将焊缝余高机加工平滑，疲劳强度能增加到几乎和母材金属一样。

2．角接接头一般采用砂轮或磨盘小心地打磨，达到高质量的光滑程度。打磨时需要像图5-23中B那样，深入到板材表面下（下凹0.5mm左右），排除焊趾缺陷，其疲劳强度可提高70%左右；若象A这种磨削，疲劳强度增量只有30%左右。

图5-23打磨焊趾缺陷AB

3．不承载角焊缝的两端磨削成下凹形，试验证明，其疲劳强度也能改善70%左右；在两端焊趾处轻微磨削，疲劳强度增量也只有30%左右。4．对于附连板纵向对接焊缝端部的机加工处理也有两种方法，见图5-24。图5－24一种是把尖角加工成一个合适的圆角；另一种方法则是在附连板的端点各钻一个孔。疲劳强度改善的效果见表5-7。原疲劳强度（MPa）两端磨成圆角两端钻孔半径r(mm)疲劳强度（MPa）改善程度（%）孔径（mm）疲劳强度（MPa）改善程度（%）86121001679501083720117507110128805958850表5-7焊缝端部机加工改善疲劳强度的试验结果TIG（钨极惰性气体保护焊）修整

TIG修整就是沿着焊缝焊趾再熔化，它不仅可使焊缝与母材之间平滑过渡、改善焊趾外形，并且消除了熔渣楔块，从而提高接头的疲劳强度。最适合处理与应力方向垂直的横向焊缝，试验证明，疲劳强度增加25～75%。焊缝表面的硬化处理采用喷丸或用锤头撞击焊缝表明或焊趾处：①消除焊趾处0.5mm以下的咬边等缺陷；②加大焊趾处圆弧半径，缓和几何形状突变引起的应力集中；③预制表面残余压应力。研究表明：喷丸硬化可以得到0.4mm左右的硬化层和残余压应力，疲劳强度改善量为33～37%。塑料涂层（预防大气腐蚀）用塑料涂层来提高疲劳强度的方法是比较新的方法。塑料涂层的作用，主要是由于塑料里的碳链与金属表面相互作用，有防腐作用，延长裂纹的萌生寿命。目前，塑料涂层尚未进入工程实用。疲劳裂纹实例分析

一、弹簧托梁疲劳裂纹分析1．弹簧托梁的结构（见图1）为防止摇枕与弹簧托梁发生相对运动，在弹簧托梁上设有横向拉杆座，通过横向拉杆与摇枕连接。图1摇动台结构1－摇枕吊座；2－摇枕；3－空簧或钢簧；4－弹簧托梁；5－横向拉杆；6－横向拉杆座弹簧托梁的结构示于图2中图2图3中示出了横向拉杆座结构，它由隔板、一块外侧筋板和两块内侧小筋板构成。图32．疲劳裂纹情况该车2004年6月－9月投入运用后，经过一年多于2005年11月9日在小筋板与弹簧托梁立板连接焊缝端头发现一起疲劳裂纹，12月初在小筋板部位又发现3起裂纹，见图4所示，图5为裂纹部位放大图。图4裂纹照片图图5裂纹部位放大图

3．裂纹原因分析出现疲劳裂纹的小筋板纵向角焊缝端头是疲劳强度薄弱部位；从裂纹照片看，该部位的焊接质量也比较差。这两点可能就是引起疲劳裂纹的主要原因。针对这个原因的处理措施：对各筋板端部焊缝进行打磨处理，使焊缝与母材圆滑过渡，并探伤检查无裂纹。打磨部位和要求见图6所示。图6各筋板端部焊缝打磨处理

①弹簧托梁的载荷分析（参见图1）横向力：横向拉杆座部位；扭转力：如果四根吊杆与弹簧托梁连接部的高度不一致，特别是对角位置存在高度差时，转向架运行中弹簧托梁将受到交变扭转载荷的作用。②采用有限元方法计算弹簧托梁上的应力状态。计算中假设横向力为20KN；在吊杆的四个连结点处施加10KN力产生扭矩。经计算得出原结构弹簧托梁上的应力分布，见图7。图7原方案扭矩＋横向力作用下应力云图由图可见，最大应力出现在两个内侧小筋板纵向角焊缝端头处，而该处是疲劳强度薄弱部位，并存在收弧弧坑等焊接缺陷，因此产生了早期疲劳裂纹。4．确定横向拉杆座改造方案根据对裂纹原因的分析、计算结果，提出三个改造方案。①改造方案一：取消内侧两个小筋板（先切割去除，再打磨、探伤），在槽钢内加两个小立板。小立板内侧面距离140mm，小立板长、高均为90mm，单侧坡口，如图8所示：图8改造方案一改造方案一有限元计算结果示于图9。图9扭转＋横向力下横向拉杆座部位应力云图②改造方案二：将原内、外筋板取消（先切割去除，再打磨、探伤），立板进行切割，使内外筋板及立板均下沉16mm，如图10所示。图10

改造方案二有限元计算结果示于图11。图11

③改造方案三：原方案的各筋板不改变，对各筋板端部焊缝进行打磨处理。打磨后焊缝与母材圆滑过渡，探伤检查无裂纹。打磨部位和标准如前面图3-32。同时，在槽钢内侧加焊两个筋板，筋板尺寸120x80（三角形直边尺寸），厚度10mm，高度方向距离槽形梁钢底面59mm（与孔中心平齐）加焊后筋板端头打磨，如图12所示：图12

改造方案三有限元计算结果示于图13。图13④改造方案的综合分析见下表原方案改造方案方案一方案二方案三应力状况应力值（MPa）455.6429.6405.2380.5-464.5-388.5-366.9-371.3下降5.7%11%15%工艺方面取消原内侧小筋板比较麻烦。取消原内、外筋板，并切割立板十分麻烦，且易损坏槽形钢。增加的小筋板与原小筋板间距为27mm，无法施焊。综合评价疲劳强度改善不明显疲劳强度改善有一定效果，但改造工艺麻烦。疲劳强度改善较好，但无法实施，可用于新造。共同措施：对各筋板角焊缝端部进行打磨使焊缝与母材圆滑过渡；焊缝打磨后探伤检查无裂纹；尽量将焊缝布置在应力较小的部位。二、油箱吊梁疲劳裂纹分析

1．裂纹情况KD25G空调发电车，自2004年10月以来，其中K71型K122型等发电车车下油箱吊梁先后发现多起裂纹。裂纹发生车都是在1994年和1995年以后生产的，裂纹发生时间均在车辆厂修后1～2年左右，即新造出厂10年左右。车下油箱吊梁发生裂纹部位见图1所示。图1油箱吊梁裂纹实物照片2．裂纹原因分析（1）油箱吊梁与中梁下翼板连接部位为搭接接头，均为短焊缝，起、落弧较多，焊接质量差（见裂纹图）。因此，该部位焊接接头疲劳强度低，又处于（中梁下翼板）最大拉应力部位，所以首先在焊缝端头产生疲劳裂纹，然后向吊梁腹板扩展。（2）油箱吊梁沿袭传统设计，只考虑了垂向载荷和横向载荷、满足静强度要求。没有考虑纵向载荷以及疲劳强度。

3．补强措施通过初步分析，拟定了补强措施：加两块水平筋板，焊在中梁腹板与吊梁腹板上，见图2所示。图2油箱吊梁补强措施按照TB/T1335-96中7.3条款“车体固结设备的强度要求”，按下面三种载荷进行强度校核：纵向载荷为M×3g；横向载荷为Mg；垂向载荷为M(1.5~3)g；M为油箱总重。采用有限元方法对油箱吊梁原结构与补强后进行强度校核，结果列于下表。油箱吊梁与中梁下翼板连接部位强度校核结果载荷