影响焊接接头疲劳强度的因素分析

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：另外，焊缝表面经过机械加工，将使应力集中程度大大减小，此时的对接接头疲劳强度也相应地提高。只有采用实际生产中很少应用的、非常高的焊接热输入焊接，才能使热影响区对应力集中的敏感性下降，其疲劳强度可比母材高得多。在实际的焊接结构中，如果热影响区的尺寸变化不大，就不会降低焊接接头的疲劳强度。

图12-19 焊缝过渡角θ及过渡圆弧半径r对焊接接头疲劳强度的影响

影响焊接接头疲劳强度的因素很多，如，应力集中，截面尺寸、表面状态、加载情况和介质等，除此之外，还有焊接接头部位近缝区性能的改变、焊接残余应力大小等的影响。

1.应力集中的影响

在焊接结构中，由于接头形式不同，具有不同的应力集中，它们对接头疲劳强度也产生不同的影响。

1）对接接头焊缝，由于焊缝形状变化不大，因此，对接接头应力集中比其他的接头形式要小。但是，焊缝余高过大，焊缝和母材之间的过渡角θ大小，都会增加应力集中，使接头的疲劳强度下降，如图12-19所示。

另外，焊缝表面经过机械加工，将使应力集中程度大大减小，此时的对接接头疲劳强度也相应地提高。由于表面进行机械加工，生产成本很高，非特别重要的焊缝，一般不采取这种加工。焊缝表面带有严重缺陷或焊缝背面未焊透，其缺陷处或焊缝根部的应力集中，要比焊缝表面应力集中严重得多，所以焊缝表面再进行机械加工已没有意义。

2）T形接头（丁字接头和十字接头）焊缝向母材过渡有明显的截面变化，其应力集中系数比对接接头高，所以，T形接头（丁字接头和十字接头）的疲劳强度远低于对接接头。

未开坡口的角焊缝连接接头，在传递工作应力时，当焊缝的计算厚度a与板厚δ之比，即：a/δ＜0.6～0.7时，一般断于焊缝；当a/δ＞0.7时，一般断于母材。提高T形接头（丁字接头和十字接头）疲劳强度的根本措施，是开坡口焊接，以及焊后加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。

3）仅有侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度最低，只能达到母材的34%；焊脚尺寸为1∶1的正面焊缝的搭接接头，其疲劳强度比仅有侧面焊缝的搭接接头高一些，但是，也只能达到母材的40%；只有当盖板的厚度比，按强度要求增加一倍，焊脚尺寸比例为1∶3.8，并且用机械加工方法使焊缝向母材平滑过渡，这样的搭接接头的疲劳强度才等于母材的疲劳强度。由于这种形式已经丧失了搭接接头简单易行的优点，因此不宜采用。对接接头用“加强”盖板来加强对接接头的疲劳强度是极其不合理的，它大大削弱了对接接头原来较高的疲劳强度。

2.近缝区金属性能变化的影响

大量研究表明，用合理的焊接热输入焊接低碳钢，热影响区和母材的疲劳强度相当接近，低碳钢的近缝区金属力学性能的变化，对接头的疲劳强度基本上没有影响。只有采用实际生产中很少应用的、非常高的焊接热输入焊接，才能使热影响区对应力集中的敏感性下降，其疲劳强度可比母材高得多。

在实际的焊接结构中，如果热影响区的尺寸变化不大，就不会降低焊接接头的疲劳强度。如果在硬加软接头中，软加层有严重的应力集中因素时，此时接头的疲劳强度会大大降低，而数值取决于软部位本身的力学性能。

3.残余应力的影响

采用14Mn2钢作试样，在交变载荷作用下，当σ_min/σ_max=0.3时，内应力在载荷的作用下，会进一步降低，实际上对疲劳强度已不起作用，而热处理在消除内应力的同时，也消除了焊接过程对材料疲劳强度的有利影响，因而，疲劳强度在热处理后反而下降。由此可以看出，焊接内应力对疲劳强度的影响，与疲劳载荷的应力循环系数有关，在σ_min/σ_max比值较低时，影响比较大。

另外有两组应力集中比较严重的试件，一组试样焊后经过热处理，另一组不经过热处理。两组试样都做脉动载荷疲劳强度试验，结果表明，消除内应力试验的试样疲劳强度均高于未热处理的试样，说明内应力的影响在应力集中较高时更为突出。

4.缺陷的影响

焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷（如，裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷的比其他方向的影响大；位于残余拉应力场内的缺陷的影响比在残余压应力区内的影响大；位于应力集中区中缺陷（如焊缝趾部裂纹）的影响比在均匀应力场中同样缺陷影响大。

由于不同材料具有不同的缺口敏感性，同样尺寸的缺陷对不同材料焊接结构的疲劳强度的影响并不相同。试验表明，在均匀应力场及应力集中区中的裂纹，在相同应力循环下的扩展，焊趾裂纹的扩展速率远高于平板表面裂纹。在裂纹穿透板厚时的裂纹尺寸，比平板表面裂纹达到穿透时大得多，所以，焊趾裂纹具有更大的危险性。

影响焊接接头疲劳强度的因素分析

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