材料力学性能5.3VIP专享VIP免费

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2．纵向对接焊缝外力方向与对接焊缝平行，焊缝表面的波纹与应力方向垂直，疲劳破坏将从缺口最严重的鳞纹处开始，或者在更换焊条的那一点，见图5-2a)。在梁的翼缘边对接一个小附件，在焊缝端部形成严重的应力集中，因此裂纹常出现在焊缝端部，见图5-2b）。a)b)图5-2纵向对接焊缝疲劳裂纹部位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5.2影响焊接接头疲劳强度的因素应力集中的影响研究表明，一个结构的疲劳特征主要决定于它所包含的应力集中的严重程度。由于所有的焊接接头不可避免地是应力集中点，自然，疲劳破坏很可能发生在接头部位。因此，应力集中是影响焊接接头疲劳强度的主要因素。（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00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。（二）搭接接头搭接接头中的工作应力分布见图5-6所示。搭接接头的应力集中比对接接头严重，因此其疲劳强度也比对接接头低得多。a）等截面板搭接b）不等截面板搭接图5-6侧面搭接焊缝应力分布图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5-22．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5-3a)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）接头的应力分布未开坡口的T形接头，当焊缝传递工作应力时，其薄弱环节有两个：一是焊缝，另一个是焊趾。如果焊缝的计算厚度a与板厚t之比a/t＜0.6～0.7,一般断于焊缝。如果a/t＞0.7,一般断于焊趾，这时再增大焊缝厚度也不能使其疲劳强度进一步提高，最根本的措施是开坡口焊透和加工焊缝、使焊趾向基本金属光滑过渡。图5-10中示出了三种...