材料力學(xué)性能

5 5 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度 焊接作為現(xiàn)代理想的連接手段，與其焊接作為現(xiàn)代理想的連接手段，與其它連接方法相比，具有經(jīng)濟(jì)、靈活的突它連接方法相比，具有經(jīng)濟(jì)、靈活的突出優(yōu)點(diǎn)，因此，各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都大量地出優(yōu)點(diǎn)，因此，各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都大量地采用焊接結(jié)構(gòu)。但是，許多運(yùn)動結(jié)構(gòu)或采用焊接結(jié)構(gòu)。但是，許多運(yùn)動結(jié)構(gòu)或承受動載荷的結(jié)構(gòu)，在交變載荷作用下，承受動載荷的結(jié)構(gòu)，在交變載荷作用下，即使在低應(yīng)力下也容易產(chǎn)生疲勞斷裂。即使在低應(yīng)力下也容易產(chǎn)生疲勞斷裂。5 5 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度 據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)中，90%為焊接結(jié)構(gòu)。一般情況下，焊接接頭承為焊接結(jié)構(gòu)。一般情況下，焊接接頭承受靜載的能力并不比母材低，而承受動載荷的受靜載的能力并不比母材低，而承受動載荷的能力卻遠(yuǎn)低于母材。這是因?yàn)?，焊縫處存在應(yīng)能力卻遠(yuǎn)低于母材。這是因?yàn)?，焊縫處存在應(yīng)力集中、焊接缺陷、殘余拉伸應(yīng)力，以及焊趾力集中、焊接缺陷、殘余拉伸應(yīng)力，以及焊趾處顯微組織粗化等，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降，成為處顯微組織粗化等，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降，成為焊接結(jié)構(gòu)的疲勞薄弱環(huán)節(jié)。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞薄弱環(huán)節(jié)。5.1 5.1 各種焊接接頭的疲勞破壞形式各種焊接接頭的疲勞破壞形式 1橫向?qū)雍缚p橫向?qū)雍缚p 在沒有焊接缺陷時(shí)，在沒有焊接缺陷時(shí)，帶有余高的橫向?qū)雍笌в杏喔叩臋M向?qū)雍缚p，應(yīng)力集中主要發(fā)生縫，應(yīng)力集中主要發(fā)生在焊縫的焊趾和焊根處，在焊縫的焊趾和焊根處，所以疲勞破壞一般始發(fā)所以疲勞破壞一般始發(fā)于此，見圖于此，見圖5-1 a）和）和b）。）。a)b)圖圖5-1 5-1 橫向?qū)咏宇^橫向?qū)咏宇^ 疲勞裂紋部位疲勞裂紋部位 2縱向?qū)雍缚p縱向?qū)雍缚p 外力方向與對接焊縫平行，外力方向與對接焊縫平行，焊縫表面的波紋與應(yīng)力方向垂焊縫表面的波紋與應(yīng)力方向垂直，疲勞破壞將從缺口最嚴(yán)重直，疲勞破壞將從缺口最嚴(yán)重的鱗紋處開始，或者在更換焊的鱗紋處開始，或者在更換焊條的那一點(diǎn)，見圖條的那一點(diǎn)，見圖5-2 a)。 在梁的翼緣邊對接一個(gè)小附在梁的翼緣邊對接一個(gè)小附件，在焊縫端部形成嚴(yán)重的應(yīng)件，在焊縫端部形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，因此裂紋常出現(xiàn)在焊力集中，因此裂紋常出現(xiàn)在焊縫端部，見圖縫端部，見圖5-2 b）。）。 a)b)圖圖5-2 5-2 縱向?qū)雍缚p疲勞縱向?qū)雍缚p疲勞裂紋部位裂紋部位 3角接焊縫角接焊縫 角接焊縫的破壞形式有以下角接焊縫的破壞形式有以下幾類：幾類： （1）在不承載的橫向角焊）在不承載的橫向角焊縫中，疲勞裂紋發(fā)生在焊趾處，縫中，疲勞裂紋發(fā)生在焊趾處，見圖見圖5-3（a）中；）中； （2）對于承載的橫向角焊）對于承載的橫向角焊縫，裂紋起始于焊趾或焊根縫，裂紋起始于焊趾或焊根，見圖，見圖5-3（b）；）； （3）對于承載和不承載的）對于承載和不承載的縱向角焊縫，裂紋都起始于焊縱向角焊縫，裂紋都起始于焊縫兩端縫兩端 ，見圖，見圖5-3（c）、）、（d）。）。圖圖5-35-3角接接頭的破壞形式角接接頭的破壞形式（黑點(diǎn)表示裂紋的開始點(diǎn)）（黑點(diǎn)表示裂紋的開始點(diǎn)） 不承載的橫向角焊縫不承載的橫向角焊縫 不承載的縱向角焊縫不承載的縱向角焊縫橫向角焊的筋板橫向角焊的筋板（縱向角焊的筋板）（縱向角焊的筋板） 承載的橫向角焊縫承載的橫向角焊縫 承載的縱向角焊縫承載的縱向角焊縫橫向角焊搭接橫向角焊搭接側(cè)向角焊搭接側(cè)向角焊搭接5.2 5.2 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素 q 應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響 研究表明，一個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞特征主要決研究表明，一個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞特征主要決定于它所包含的應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。由于定于它所包含的應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。由于所有的焊接接頭不可避免地是應(yīng)力集中點(diǎn)，所有的焊接接頭不可避免地是應(yīng)力集中點(diǎn)，自然，疲勞破壞很可能發(fā)生在接頭部位。因自然，疲勞破壞很可能發(fā)生在接頭部位。因此，應(yīng)力集中是影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主此，應(yīng)力集中是影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主要因素。要因素。 （一）橫向?qū)咏宇^（一）橫向?qū)咏宇^ 圖圖5-4中示出了橫向?qū)咏宇^中的工作應(yīng)力中示出了橫向?qū)咏宇^中的工作應(yīng)力分布。分布。 為名義應(yīng)力，在焊趾和焊根處都有一為名義應(yīng)力，在焊趾和焊根處都有一定的應(yīng)力集中。定的應(yīng)力集中。圖圖5-4 5-4 對接接頭中工作應(yīng)力的分布對接接頭中工作應(yīng)力的分布00 影響橫向?qū)雍缚p應(yīng)力集中的主要因素影響橫向?qū)雍缚p應(yīng)力集中的主要因素是焊縫余高是焊縫余高h(yuǎn)和過渡處半徑和過渡處半徑r，見圖，見圖3-5 。圖圖5-5 對接焊縫余高對接焊縫余高h(yuǎn)、過渡半徑、過渡半徑r與應(yīng)力集中系數(shù)與應(yīng)力集中系數(shù)K的關(guān)系的關(guān)系表表5-1 如果使用機(jī)械加工方法將余高切除，則應(yīng)力如果使用機(jī)械加工方法將余高切除，則應(yīng)力集中可以大大減小，對接接頭的疲勞極限可以明集中可以大大減小，對接接頭的疲勞極限可以明顯提高，見表顯提高，見表5-1 接頭的表面狀態(tài)接頭的表面狀態(tài)對接接頭的疲勞極對接接頭的疲勞極限限-1 -1 （MPa)MPa)母材軋制狀態(tài)母材軋制狀態(tài)225225235235橫向?qū)雍附討B(tài)橫向?qū)雍附討B(tài)117117127127橫向?qū)觾擅婕庸M向?qū)觾擅婕庸?15215225225縱向?qū)雍附討B(tài)縱向?qū)雍附討B(tài)179.34179.34 但當(dāng)焊縫帶有嚴(yán)重缺陷或未焊透時(shí)，其缺陷或但當(dāng)焊縫帶有嚴(yán)重缺陷或未焊透時(shí)，其缺陷或未焊透處的應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重未焊透處的應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重得多，這時(shí)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工則是毫無意義的。得多，這時(shí)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工則是毫無意義的。 （二）搭接接頭（二）搭接接頭 搭接接頭中的工作應(yīng)力分布見圖搭接接頭中的工作應(yīng)力分布見圖5-6所所示。搭接接頭的應(yīng)力集中比對接接頭嚴(yán)重，示。搭接接頭的應(yīng)力集中比對接接頭嚴(yán)重，因此其疲勞強(qiáng)度也比對接接頭低得多。因此其疲勞強(qiáng)度也比對接接頭低得多。a a）等截面板搭接）等截面板搭接 b b）不等截面板搭接）不等截面板搭接圖圖5-6 5-6 側(cè)面搭接焊縫應(yīng)力分布圖側(cè)面搭接焊縫應(yīng)力分布圖 1. 各種端焊縫型式的搭接接頭，其疲勞極各種端焊縫型式的搭接接頭，其疲勞極限與焊縫兩直角邊的比值和機(jī)加工情況有關(guān)。限與焊縫兩直角邊的比值和機(jī)加工情況有關(guān)。 搭接端焊縫搭接端焊縫兩直角邊比兩直角邊比疲勞極限疲勞極限0 0（MPaMPa）母材母材200 200 1 1直角邊比直角邊比1 1：1 180802 2直角邊比直角邊比1 1：2 297973 3焊縫經(jīng)機(jī)械加工焊縫經(jīng)機(jī)械加工1021024 4蓋板直角邊比蓋板直角邊比1 1：3.83.8，經(jīng)機(jī)械加工，經(jīng)機(jī)械加工200200 表表5-2 2側(cè)焊縫形式的搭接接頭，無論是受到拉側(cè)焊縫形式的搭接接頭，無論是受到拉-壓或彎曲載荷，其疲勞強(qiáng)度都比端焊縫低。壓或彎曲載荷，其疲勞強(qiáng)度都比端焊縫低。見圖見圖5-8和表和表5-35-3 。材料材料應(yīng)力比應(yīng)力比疲勞極限（疲勞極限（MPaMPa）a)a)b)b)c)c)碳鋼碳鋼b b=432MPa=432MPas s =262MPa =262MPa0 0707080809090-1-13434434340405050表表5-35-3 a)b)c)圖圖5-8 5-8 側(cè)焊縫搭接接頭側(cè)焊縫搭接接頭 （三）（三）T形（十字）接頭形（十字）接頭 圖圖5-9中示出了中示出了T形（十字）接頭的工作應(yīng)力分布。形（十字）接頭的工作應(yīng)力分布。其應(yīng)力集中系數(shù)遠(yuǎn)比對接接頭高。其應(yīng)力集中系數(shù)遠(yuǎn)比對接接頭高。 a) a) 未開坡口角焊縫構(gòu)成的未開坡口角焊縫構(gòu)成的接頭接頭b) b) 開開K K形坡口角焊縫構(gòu)成的形坡口角焊縫構(gòu)成的接頭接頭圖圖5-9 T5-9 T形（十字）接頭的形（十字）接頭的應(yīng)力分布應(yīng)力分布 未開坡口的未開坡口的T形接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，形接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其薄弱環(huán)節(jié)有兩個(gè)：一是焊縫，另一個(gè)是焊趾。如其薄弱環(huán)節(jié)有兩個(gè)：一是焊縫，另一個(gè)是焊趾。如果焊縫的計(jì)算厚度果焊縫的計(jì)算厚度a與板厚與板厚t之比之比a/t0.60.7,一般斷于焊縫。如果一般斷于焊縫。如果a/t0.7,一般斷于焊趾，這一般斷于焊趾，這時(shí)再增大焊縫厚度也不能使其疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步提高，時(shí)再增大焊縫厚度也不能使其疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步提高，最根本的措施是開坡口焊透和加工焊縫、使焊趾向最根本的措施是開坡口焊透和加工焊縫、使焊趾向基本金屬光滑過渡?；窘饘俟饣^渡。圖圖5-10中示出了三種十字接頭型式中示出了三種十字接頭型式 。板厚板厚1212S=5a=8a）b）c）圖圖5-10 5-10 三種十字接頭型式三種十字接頭型式rkrk焊接接頭的焊接接頭的疲勞極限疲勞極限母材金屬的母材金屬的疲勞極限疲勞極限正應(yīng)力下的正應(yīng)力下的疲勞缺口系數(shù)疲勞缺口系數(shù)母材金屬母材金屬應(yīng)力比應(yīng)力比（MPaMPa）（MPaMPa）備注備注St37St370 023623615.715.72602601.11.1圖中圖中a a）-1.0-1.011811813.713.71621621.41.4St52St520 01911913263261.71.7-1.0-1.01391392012011.451.45St37St370 010310314.714.72602602.32.3圖中圖中b b）-1.0-1.0717115.715.71621622.52.5St52St52-1.0-1.078782012012.62.6St37St370 088882602602.952.95圖中圖中c c）-1.0-1.039391621624.154.15表表5-4 十字接頭的疲勞極限十字接頭的疲勞極限a）b）c）q 焊趾處的微小缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響焊趾處的微小缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響 大量試驗(yàn)表明，除各種焊接接頭的幾何尺寸因大量試驗(yàn)表明，除各種焊接接頭的幾何尺寸因素造成應(yīng)力集中（應(yīng)力分布不均勻）外，焊趾處還素造成應(yīng)力集中（應(yīng)力分布不均勻）外，焊趾處還存在著微小的氣孔、未焊透、細(xì)小的尖銳熔渣楔塊存在著微小的氣孔、未焊透、細(xì)小的尖銳熔渣楔塊以及沿熔合線的輕微咬邊（見圖以及沿熔合線的輕微咬邊（見圖3-11）。熔渣楔塊）。熔渣楔塊的平均尺寸為的平均尺寸為0.15mm，咬邊深度在，咬邊深度在0.1mm以下，以下，它們是一般探傷方法不能檢查出來的微小缺陷。它們是一般探傷方法不能檢查出來的微小缺陷。 圖圖5-11 5-11 焊趾微觀缺口效應(yīng)焊趾微觀缺口效應(yīng)圖圖512 a) CW2C構(gòu)架側(cè)梁斷裂照片構(gòu)架側(cè)梁斷裂照片圖圖5-125-12為為CW-2CCW-2C轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁斷裂照架構(gòu)架側(cè)梁斷裂照片。該構(gòu)架于片。該構(gòu)架于20032003年年8 8月進(jìn)行月進(jìn)行A4A4修程時(shí)修程時(shí)對定位座實(shí)施了補(bǔ)對定位座實(shí)施了補(bǔ)強(qiáng)處理，于強(qiáng)處理，于20042004年年1010月月1616日發(fā)生斷裂日發(fā)生斷裂事故，僅運(yùn)行了一事故，僅運(yùn)行了一年多。年多。a a圖為定位座圖為定位座補(bǔ)強(qiáng)板焊縫沿焊趾補(bǔ)強(qiáng)板焊縫沿焊趾開裂的實(shí)物照片；開裂的實(shí)物照片；圖圖512 b) CW2C構(gòu)架側(cè)梁斷口照片構(gòu)架側(cè)梁斷口照片b b圖為裂紋斷口照片。由斷口照片可見：裂紋源在補(bǔ)強(qiáng)板焊縫靠近內(nèi)側(cè)的端部；此外，沿圖為裂紋斷口照片。由斷口照片可見：裂紋源在補(bǔ)強(qiáng)板焊縫靠近內(nèi)側(cè)的端部；此外，沿焊縫還有許多焊縫還有許多“臺階臺階”，這是焊趾部許多微小缺陷引起的多條裂紋擴(kuò)展形成的。，這是焊趾部許多微小缺陷引起的多條裂紋擴(kuò)展形成的。CW-2CCW-2C（B B）轉(zhuǎn)向架定位座補(bǔ)強(qiáng)后嚴(yán)重裂損的原因，主要是補(bǔ)強(qiáng)板只采用了角焊縫，沒有轉(zhuǎn)向架定位座補(bǔ)強(qiáng)后嚴(yán)重裂損的原因，主要是補(bǔ)強(qiáng)板只采用了角焊縫，沒有按照按照“焊滿磨平焊滿磨平”的工藝要求去實(shí)施，從而在焊縫處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中；同時(shí)，焊縫的工藝要求去實(shí)施，從而在焊縫處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中；同時(shí)，焊縫質(zhì)量較差，特別是在焊趾處存在許多微小缺陷，大大削弱了該焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。質(zhì)量較差，特別是在焊趾處存在許多微小缺陷，大大削弱了該焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。 q 焊接殘余應(yīng)力的影響焊接殘余應(yīng)力的影響 焊接殘余應(yīng)力的作用與平均應(yīng)力相當(dāng)，二者的焊接殘余應(yīng)力的作用與平均應(yīng)力相當(dāng)，二者的區(qū)別僅在于：平均應(yīng)力在加載過程中是不變的，而區(qū)別僅在于：平均應(yīng)力在加載過程中是不變的，而焊接殘余應(yīng)力在加載過程中會逐漸釋放，因此其影焊接殘余應(yīng)力在加載過程中會逐漸釋放，因此其影響也逐漸減小。響也逐漸減小。 焊接殘余應(yīng)力如何影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度問焊接殘余應(yīng)力如何影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度問題，至今仍存在爭議。題，至今仍存在爭議。 基本上有兩種觀點(diǎn)：基本上有兩種觀點(diǎn)： 一類觀點(diǎn)是：殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響可以忽略。一類觀點(diǎn)是：殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響可以忽略。理由是：焊接接頭的疲勞強(qiáng)度主要與焊縫幾何尺理由是：焊接接頭的疲勞強(qiáng)度主要與焊縫幾何尺寸和焊趾部存在的應(yīng)力集中等因素的影響有關(guān)，殘寸和焊趾部存在的應(yīng)力集中等因素的影響有關(guān)，殘余應(yīng)力的影響是第二位的；拉伸殘余應(yīng)力使疲勞余應(yīng)力的影響是第二位的；拉伸殘余應(yīng)力使疲勞極限降低，壓縮殘余應(yīng)力使疲勞極限增加。焊接殘極限降低，壓縮殘余應(yīng)力使疲勞極限增加。焊接殘余應(yīng)力的總體影響不顯著。余應(yīng)力的總體影響不顯著。 另一類觀點(diǎn)是：在一定條件下，殘余應(yīng)力可影響焊另一類觀點(diǎn)是：在一定條件下，殘余應(yīng)力可影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。如，當(dāng)高殘余拉應(yīng)力點(diǎn)與焊接接接頭的疲勞強(qiáng)度。如，當(dāng)高殘余拉應(yīng)力點(diǎn)與焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)重合時(shí)，殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)重合時(shí)，殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響是毫無疑問的。影響是毫無疑問的。（一）消除焊接殘余應(yīng)力工藝對接頭疲勞強(qiáng)（一）消除焊接殘余應(yīng)力工藝對接頭疲勞強(qiáng) 度的影響度的影響 由殘余應(yīng)力測試結(jié)果可以看出，退火處由殘余應(yīng)力測試結(jié)果可以看出，退火處理和除銹噴丸處理都能明顯地消除和改變焊理和除銹噴丸處理都能明顯地消除和改變焊接構(gòu)架表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)。接構(gòu)架表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)。 1退火處理后，整個(gè)構(gòu)架被均勻加熱，退火處理后，整個(gè)構(gòu)架被均勻加熱，殘余應(yīng)力通過塑性變形而產(chǎn)生松弛。這對疲殘余應(yīng)力通過塑性變形而產(chǎn)生松弛。這對疲勞極限有雙重影響：消除殘余應(yīng)力能使疲勞勞極限有雙重影響：消除殘余應(yīng)力能使疲勞強(qiáng)度提高，但同時(shí)又使金屬軟化、降低疲勞強(qiáng)度提高，但同時(shí)又使金屬軟化、降低疲勞強(qiáng)度。強(qiáng)度。 表表5-5中列出了退火處理對于對接接頭疲勞強(qiáng)度影響的試中列出了退火處理對于對接接頭疲勞強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。驗(yàn)結(jié)果。 母材強(qiáng)度（母材強(qiáng)度（MPaMPa）試樣試樣狀態(tài)狀態(tài)-1-1（MPaMPa）310310母材母材210210V V形接頭形接頭焊接狀態(tài)焊接狀態(tài)93.793.7退火或回火退火或回火96.396.3480480母材母材235235V V形接頭形接頭焊接狀態(tài)焊接狀態(tài)118118退火或回火退火或回火122122520520母材母材307307V V形接頭形接頭焊接狀態(tài)焊接狀態(tài)126126退火或回火退火或回火134134表表5-5 退火處理后對接接頭的疲勞強(qiáng)度退火處理后對接接頭的疲勞強(qiáng)度 2冷作強(qiáng)化處理（噴丸、滾壓、捶擊冷作強(qiáng)化處理（噴丸、滾壓、捶擊等），使焊接結(jié)構(gòu)表面（或接頭表面）造成等），使焊接結(jié)構(gòu)表面（或接頭表面）造成壓縮殘余應(yīng)力，能大大提高焊接接頭的疲勞壓縮殘余應(yīng)力，能大大提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。低碳鋼噴丸硬化層厚度可達(dá)強(qiáng)度。低碳鋼噴丸硬化層厚度可達(dá)0.4mm左右，對接接頭噴丸后，在左右，對接接頭噴丸后，在2106次循環(huán)次循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度提高時(shí)，疲勞強(qiáng)度提高5565；非承載橫向；非承載橫向角焊縫，疲勞強(qiáng)度提高角焊縫，疲勞強(qiáng)度提高3639。 （二）交變載荷作用下焊接構(gòu)架上殘余應(yīng)（二）交變載荷作用下焊接構(gòu)架上殘余應(yīng)力的變化力的變化 殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的力學(xué)量，在交殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的力學(xué)量，在交變載荷作用下會引起殘余應(yīng)力的變化（釋變載荷作用下會引起殘余應(yīng)力的變化（釋放）。其機(jī)理是：在動應(yīng)力和殘余應(yīng)力共同放）。其機(jī)理是：在動應(yīng)力和殘余應(yīng)力共同作用下，如果某部位應(yīng)力值超過材料的屈服作用下，如果某部位應(yīng)力值超過材料的屈服極限，就會在該部位產(chǎn)生塑性變形，使殘余極限，就會在該部位產(chǎn)生塑性變形，使殘余應(yīng)力釋放，降低殘余應(yīng)力的峰值。動應(yīng)力幅應(yīng)力釋放，降低殘余應(yīng)力的峰值。動應(yīng)力幅值愈大，殘余應(yīng)力下降的愈多愈快。一般在值愈大，殘余應(yīng)力下降的愈多愈快。一般在幾十次到幾萬次循環(huán)內(nèi)完成應(yīng)力釋放，釋放幾十次到幾萬次循環(huán)內(nèi)完成應(yīng)力釋放，釋放的幅值為的幅值為5080之間。之間。 圖圖5-15中示出了焊接構(gòu)架在室內(nèi)疲勞試驗(yàn)中，中示出了焊接構(gòu)架在室內(nèi)疲勞試驗(yàn)中，某一測點(diǎn)的殘余應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化規(guī)律。某一測點(diǎn)的殘余應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化規(guī)律。 圖圖5-155-15焊接構(gòu)架某測點(diǎn)的殘余應(yīng)力隨循環(huán)周次焊接構(gòu)架某測點(diǎn)的殘余應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化規(guī)律的變化規(guī)律q 焊接缺陷的影響焊接缺陷的影響 （一）一般規(guī)律（一）一般規(guī)律 在焊接接頭中可能存在著各種缺陷，缺在焊接接頭中可能存在著各種缺陷，缺陷會造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對焊接接頭的疲陷會造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對焊接接頭的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。影響程度與缺陷的種勞強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。影響程度與缺陷的種類、位置和方向有關(guān)。類、位置和方向有關(guān)。 1缺陷可分為兩類：面狀缺陷（裂紋、缺陷可分為兩類：面狀缺陷（裂紋、未焊透及咬邊等）和體積型缺陷（氣孔、夾未焊透及咬邊等）和體積型缺陷（氣孔、夾渣等）。面狀缺陷引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對渣等）。面狀缺陷引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對疲勞強(qiáng)度的影響比體積型缺陷要大。疲勞強(qiáng)度的影響比體積型缺陷要大。 2表面或靠近表面的缺陷比內(nèi)部缺陷表面或靠近表面的缺陷比內(nèi)部缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺對疲勞強(qiáng)度的影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷（如焊趾部）比位于均勻應(yīng)力場中同樣缺陷（如焊趾部）比位于均勻應(yīng)力場中同樣缺陷的影響大；位于拉應(yīng)力區(qū)的缺陷比在壓應(yīng)陷的影響大；位于拉應(yīng)力區(qū)的缺陷比在壓應(yīng)力區(qū)的影響大。力區(qū)的影響大。 3與作用力方向垂直的缺陷比其它方與作用力方向垂直的缺陷比其它方向的缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大。向的缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大。（二）面狀缺陷對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響（二）面狀缺陷對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響 1未焊透（未熔合）未焊透（未熔合）b b）橫向角接）橫向角接a a）橫向?qū)樱M向?qū)訄D圖3-16 3-16 未焊未焊透透 表表5-6中列出了未焊透深度對焊接接頭中列出了未焊透深度對焊接接頭脈動疲勞極限脈動疲勞極限 的影響（的影響（為板厚）為板厚） 00疲勞極限疲勞極限未焊透深度未焊透深度 （MPaMPa）未焊透深度未焊透深度（MPaMPa）完全焊透完全焊透260260（0.240.240.280.28）8181（0.050.050.060.06）186186（0.430.430.460.46）6060（0.110.110.160.16）132132疲勞極限疲勞極限表表5-6 交叉桿端部環(huán)焊縫焊根部未焊透，見圖交叉桿端部環(huán)焊縫焊根部未焊透，見圖5-15（a）、）、（b）;（a）圖為未焊透分布于整個(gè)環(huán)形斷口內(nèi)表面的邊緣；圖為未焊透分布于整個(gè)環(huán)形斷口內(nèi)表面的邊緣；（b）圖為未焊透分布于環(huán)形斷口半環(huán)。圖為未焊透分布于環(huán)形斷口半環(huán)。 疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：疲勞裂紋疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：疲勞裂紋88%斷在交叉桿端部環(huán)焊斷在交叉桿端部環(huán)焊縫處（縫處（14根試樣），只有兩根斷在交叉桿壓窩部位。根試樣），只有兩根斷在交叉桿壓窩部位。 圖圖 5-15 2咬邊（咬肉）咬邊（咬肉） 咬邊使焊縫與母材連接處產(chǎn)咬邊使焊縫與母材連接處產(chǎn)生凹槽，引起應(yīng)力集中，降低生凹槽，引起應(yīng)力集中，降低疲勞強(qiáng)度。如圖疲勞強(qiáng)度。如圖5-16中。中。 在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，咬肉深度不得超過咬肉深度不得超過1mm。接頭疲勞強(qiáng)度接頭疲勞強(qiáng)度0（MPa）90100160180焊縫焊縫焊縫焊縫圖圖5-16 5-16 咬肉對接頭疲勞強(qiáng)度的影響咬肉對接頭疲勞強(qiáng)度的影響 3裂紋裂紋 焊接冷裂紋和熱裂紋是危害最大的缺陷，焊接冷裂紋和熱裂紋是危害最大的缺陷，裂紋尖端的曲率半徑接近于零，是嚴(yán)重的應(yīng)裂紋尖端的曲率半徑接近于零，是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源。能夠被檢測出來的裂紋，在大多力集中源。能夠被檢測出來的裂紋，在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中都是被禁止的。數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中都是被禁止的。4.4.點(diǎn)固焊點(diǎn)固焊 裝配焊接過程中，經(jīng)常采用點(diǎn)固焊定位，由于不能保裝配焊接過程中，經(jīng)常采用點(diǎn)固焊定位，由于不能保證焊縫連續(xù)，疲勞裂紋會在點(diǎn)固焊兩側(cè)產(chǎn)生。圖證焊縫連續(xù)，疲勞裂紋會在點(diǎn)固焊兩側(cè)產(chǎn)生。圖5-175-17中中為立板內(nèi)側(cè)點(diǎn)固焊處有未很好清根留下的焊渣，成為疲為立板內(nèi)側(cè)點(diǎn)固焊處有未很好清根留下的焊渣，成為疲勞源，所以焊接操作時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行點(diǎn)固焊定位。勞源，所以焊接操作時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行點(diǎn)固焊定位。圖圖5-175-17q母體金屬材料性能的影響母體金屬材料性能的影響v 母材金屬的疲勞強(qiáng)度總母材金屬的疲勞強(qiáng)度總是隨其靜強(qiáng)度的增加而是隨其靜強(qiáng)度的增加而提高。但對焊接結(jié)構(gòu)來提高。但對焊接結(jié)構(gòu)來說，只要焊接接頭的類說，只要焊接接頭的類型一樣，高強(qiáng)鋼和中低型一樣，高強(qiáng)鋼和中低強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度基本強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度基本一致，也具有相同的一致，也具有相同的S-NS-N曲線，這個(gè)規(guī)律適合對曲線，這個(gè)規(guī)律適合對接接頭、角接接頭和焊接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭形式，接梁等各種接頭形式，見圖見圖5-185-18。圖圖5-18 5-18 表面狀況及環(huán)境因素與疲勞極限表面狀況及環(huán)境因素與疲勞極限和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系q母體金屬材料性能的影響母體金屬材料性能的影響v 另外研究了屈服極限為另外研究了屈服極限為386386MPaMPa636MPa636MPa之間的碳錳鋼，之間的碳錳鋼，采用采用6 6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲勞裂紋種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展情況，結(jié)果表明：材料的力學(xué)性能對裂紋擴(kuò)展速擴(kuò)展情況，結(jié)果表明：材料的力學(xué)性能對裂紋擴(kuò)展速率有一定影響，但影響也不大。所以，焊接結(jié)構(gòu)選用率有一定影響，但影響也不大。所以，焊接結(jié)構(gòu)選用較高強(qiáng)度的鋼種是沒有意義的。只有靜強(qiáng)度條件起主較高強(qiáng)度的鋼種是沒有意義的。只有靜強(qiáng)度條件起主要作用時(shí)，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼。要作用時(shí)，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼。 這是因?yàn)樵诮宇^焊趾部沿熔合線存在有微觀缺口效這是因?yàn)樵诮宇^焊趾部沿熔合線存在有微觀缺口效應(yīng)應(yīng)咬邊及熔渣楔塊缺陷，它是疲勞裂紋萌生的地方，咬邊及熔渣楔塊缺陷，它是疲勞裂紋萌生的地方，因而焊接接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命主要由擴(kuò)因而焊接接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命主要由擴(kuò)展壽命決定。所以不同強(qiáng)度鋼材的焊接接頭，其疲勞展壽命決定。所以不同強(qiáng)度鋼材的焊接接頭，其疲勞強(qiáng)度與母材及焊接材料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。強(qiáng)度與母材及焊接材料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。5.3 5.3 合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式焊縫、焊接接頭形式合理設(shè)計(jì)的原則是盡量降低焊縫、焊接接頭形式合理設(shè)計(jì)的原則是盡量降低各種形式的應(yīng)力集中。例如：各種形式的應(yīng)力集中。例如：l （1）盡可能采用低加強(qiáng)高的對接接頭，重要焊盡可能采用低加強(qiáng)高的對接接頭，重要焊縫甚至要用機(jī)加工手段去掉加強(qiáng)高?？p甚至要用機(jī)加工手段去掉加強(qiáng)高。l （2）承受疲勞載荷的十字接頭應(yīng)開坡口以增大承受疲勞載荷的十字接頭應(yīng)開坡口以增大熔深、保證焊透，并使角焊縫圓滑凹入、過渡至熔深、保證焊透，并使角焊縫圓滑凹入、過渡至連接件母材上。連接件母材上。l （3）需要采用不開坡口的需要采用不開坡口的T形接頭和搭接接頭形接頭和搭接接頭時(shí)，由于它們的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，可用調(diào)整焊時(shí)，由于它們的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，可用調(diào)整焊腳尺寸并加工焊趾過渡區(qū)來降低應(yīng)力集中。一般，腳尺寸并加工焊趾過渡區(qū)來降低應(yīng)力集中。一般，T形接頭采用雙面焊比單面焊好。形接頭采用雙面焊比單面焊好。5.3 5.3 合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式（4）設(shè)計(jì)蓋板接頭、附連板和筋板時(shí)，盡量）設(shè)計(jì)蓋板接頭、附連板和筋板時(shí)，盡量采用圓滑過渡的結(jié)構(gòu)形式，見下圖。采用圓滑過渡的結(jié)構(gòu)形式，見下圖。l 改進(jìn)前改進(jìn)前 改進(jìn)后改進(jìn)后 5.3 5.3 合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式（5）應(yīng)避免雙條焊縫交叉或匯聚于一點(diǎn)。應(yīng)避免雙條焊縫交叉或匯聚于一點(diǎn)。（6）盡量避免在結(jié)構(gòu)的大應(yīng)力區(qū)布置焊縫盡量避免在結(jié)構(gòu)的大應(yīng)力區(qū)布置焊縫 連接部位的剛度也不能過大。連接部位的剛度也不能過大。5.4 5.4 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素 對于整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，影響其疲勞強(qiáng)度的對于整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，影響其疲勞強(qiáng)度的主要因素有三個(gè)：應(yīng)力幅值、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)主要因素有三個(gè)：應(yīng)力幅值、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)（稱為細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)）。和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)（稱為細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)）。 下面以焊接鋼梁為例介紹各種細(xì)節(jié)設(shè)下面以焊接鋼梁為例介紹各種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響。計(jì)對結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響。 q 焊接鋼梁結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度焊接鋼梁結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度 工字梁結(jié)構(gòu)的腹板與翼緣連接角工字梁結(jié)構(gòu)的腹板與翼緣連接角焊縫，大部分應(yīng)力集中發(fā)生在焊縫起焊縫，大部分應(yīng)力集中發(fā)生在焊縫起弧弧熄弧位置上。有兩種幾何上的缺熄弧位置上。有兩種幾何上的缺口，一是弧坑使焊縫在縱向斷面上產(chǎn)口，一是弧坑使焊縫在縱向斷面上產(chǎn)生一個(gè)顯著的變化，見圖生一個(gè)顯著的變化，見圖5-18；另；另一種是在熄弧與起弧焊道之間焊根處一種是在熄弧與起弧焊道之間焊根處未完全熔化、由包住的夾渣造成的缺未完全熔化、由包住的夾渣造成的缺口。試驗(yàn)結(jié)果得出，在口。試驗(yàn)結(jié)果得出，在2106次循次循環(huán)下，手工焊組拼梁的疲勞強(qiáng)度在環(huán)下，手工焊組拼梁的疲勞強(qiáng)度在133MPa165MPa范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。圖圖5-18 5-18 換焊條的弧坑裂紋換焊條的弧坑裂紋 為了改善疲勞強(qiáng)度，有兩種辦法：第一種辦法是為了改善疲勞強(qiáng)度，有兩種辦法：第一種辦法是開坡口、使焊縫熔透整個(gè)腹板，試驗(yàn)結(jié)果表明，在開坡口、使焊縫熔透整個(gè)腹板，試驗(yàn)結(jié)果表明，在2106次循環(huán)時(shí)，其疲勞強(qiáng)度可提高次循環(huán)時(shí)，其疲勞強(qiáng)度可提高147MPa200MPa。第二種辦法是采用自動焊工藝，可以避。第二種辦法是采用自動焊工藝，可以避免起弧免起弧熄弧位置出現(xiàn)缺陷，試驗(yàn)結(jié)果為熄弧位置出現(xiàn)缺陷，試驗(yàn)結(jié)果為2106次次循環(huán)時(shí)其疲勞強(qiáng)度達(dá)到循環(huán)時(shí)其疲勞強(qiáng)度達(dá)到150MPa185MPa。610q 腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié)的影響腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié)的影響 圖圖5-19中示出了腹中示出了腹板加強(qiáng)筋不同的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。板加強(qiáng)筋不同的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。其中，其中，B型細(xì)節(jié)把加強(qiáng)筋型細(xì)節(jié)把加強(qiáng)筋焊到受拉翼緣（下翼板）焊到受拉翼緣（下翼板）上，此時(shí)疲勞破壞發(fā)生在上，此時(shí)疲勞破壞發(fā)生在翼緣上。試驗(yàn)結(jié)果表明，翼緣上。試驗(yàn)結(jié)果表明，在在2106次循環(huán)時(shí)，疲次循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度為勞強(qiáng)度為100MPa。 圖圖5-19 5-19 腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié)腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié) 圖圖5-19中其它六種細(xì)節(jié)是把加強(qiáng)筋焊到腹板中其它六種細(xì)節(jié)是把加強(qiáng)筋焊到腹板上，或是焊到腹板和受壓翼緣上。這些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的上，或是焊到腹板和受壓翼緣上。這些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的試件都在腹板中破壞，裂紋從一條或多條加強(qiáng)筋與試件都在腹板中破壞，裂紋從一條或多條加強(qiáng)筋與腹板間的焊縫端部開始，所有細(xì)節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果都落腹板間的焊縫端部開始，所有細(xì)節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果都落在相同的分散帶內(nèi)，在在相同的分散帶內(nèi)，在2 106次循環(huán)時(shí)，加強(qiáng)筋次循環(huán)時(shí)，加強(qiáng)筋板倒角的疲勞強(qiáng)度約為板倒角的疲勞強(qiáng)度約為116MPa，不倒角的都為，不倒角的都為100MPa。 q拼接接頭細(xì)節(jié)的影響拼接接頭細(xì)節(jié)的影響圖圖5-20中列出了幾種拼接接頭細(xì)節(jié)中列出了幾種拼接接頭細(xì)節(jié) 圖圖5-20 5-20 幾種拼接接頭細(xì)節(jié)幾種拼接接頭細(xì)節(jié)2106次ABC120145178型式拼接接頭疲勞強(qiáng)度（MPa）型式拼接接頭疲勞強(qiáng)度（MPa）2106次134159159DEF 一般，沒有邊孔的拼一般，沒有邊孔的拼接接頭，大部分破壞發(fā)生接接頭，大部分破壞發(fā)生在焊趾上，或者在焊縫缺在焊趾上，或者在焊縫缺陷處，當(dāng)有邊孔時(shí)，在角陷處，當(dāng)有邊孔時(shí)，在角焊縫端部或邊孔周圍的那焊縫端部或邊孔周圍的那些小缺口上，應(yīng)力集中導(dǎo)些小缺口上，應(yīng)力集中導(dǎo)致低的疲勞強(qiáng)度，見圖致低的疲勞強(qiáng)度，見圖5-21。 圖圖5-215-21在腹板三角邊孔頂點(diǎn)產(chǎn)生在腹板三角邊孔頂點(diǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中嚴(yán)重的應(yīng)力集中q翼緣蓋板細(xì)節(jié)的影響翼緣蓋板細(xì)節(jié)的影響 圖圖5-22中列出了幾種翼緣蓋板端部細(xì)中列出了幾種翼緣蓋板端部細(xì)節(jié)及其疲勞強(qiáng)度節(jié)及其疲勞強(qiáng)度 圖圖5-22 5-22 幾種翼緣蓋板端部細(xì)節(jié)幾種翼緣蓋板端部細(xì)節(jié)ABC797980型式蓋板端部細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度（MPa）2106次DEF型式蓋板端部細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度（MPa）2106次83(77)9356G1005.5 5.5 改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝措施改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝措施 q修整焊縫修整焊縫 （一）局部機(jī)加工（打磨法）（一）局部機(jī)加工（打磨法） 1對焊縫進(jìn)行局部機(jī)加工有利于提高對焊縫進(jìn)行局部機(jī)加工有利于提高疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度。 將焊縫余高機(jī)加工平滑，疲勞強(qiáng)度能增將焊縫余高機(jī)加工平滑，疲勞強(qiáng)度能增加到幾乎和母材金屬一樣。加到幾乎和母材金屬一樣。 2角接接頭一般采用砂輪或磨盤小心地打磨，角接接頭一般采用砂輪或磨盤小心地打磨，達(dá)到高質(zhì)量的光滑程度。打磨時(shí)需要像圖達(dá)到高質(zhì)量的光滑程度。打磨時(shí)需要像圖5-23中中B那樣，深入到板材表面下（下凹那樣，深入到板材表面下（下凹0.5mm左右），左右），排除焊趾缺陷，其疲勞強(qiáng)度可提高排除焊趾缺陷，其疲勞強(qiáng)度可提高70%左右；若左右；若象象A這種磨削，疲勞強(qiáng)度增量只有這種磨削，疲勞強(qiáng)度增量只有30%左右。左右。 圖圖5-23 5-23 打磨焊趾缺陷打磨焊趾缺陷AB 3不承載角焊縫的兩端磨削成下凹形，試驗(yàn)不承載角焊縫的兩端磨削成下凹形，試驗(yàn)證明，其疲勞強(qiáng)度也能改善證明，其疲勞強(qiáng)度也能改善70%左右；在兩端焊左右；在兩端焊趾處輕微磨削，疲勞強(qiáng)度增量也只有趾處輕微磨削，疲勞強(qiáng)度增量也只有30%左右。左右。 4對于附連板縱向?qū)雍缚p端部的機(jī)加工處對于附連板縱向?qū)雍缚p端部的機(jī)加工處理也有兩種方法，見圖理也有兩種方法，見圖5-24。圖圖524 一種是把尖角加工成一個(gè)合適的圓角；另一種方一種是把尖角加工成一個(gè)合適的圓角；另一種方法則是在附連板的端點(diǎn)各鉆一個(gè)孔。疲勞強(qiáng)度改善法則是在附連板的端點(diǎn)各鉆一個(gè)孔。疲勞強(qiáng)度改善的效果見表的效果見表5-7。原疲勞強(qiáng)度原疲勞強(qiáng)度（MPaMPa）兩端磨成圓角兩端磨成圓角兩端鉆孔兩端鉆孔半徑半徑r(mm)r(mm)疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度（MPaMPa）改善程改善程度（度（% %）孔徑（孔徑（mmmm）疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度（MPaMPa）改善程改善程度（度（% %）8686121210010016167979505010810837372020117117505071711010128128808059595 588885050表表5-7 焊縫端部機(jī)加工改善疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果焊縫端部機(jī)加工改善疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果q TIG（鎢極惰性氣體保護(hù)焊）修整（鎢極惰性氣體保護(hù)焊）修整 TIG修整就是沿著焊縫焊趾再熔化，它不修整就是沿著焊縫焊趾再熔化，它不僅可使焊縫與母材之間平滑過渡、改善焊趾僅可使焊縫與母材之間平滑過渡、改善焊趾外形，并且消除了熔渣楔塊，從而提高接頭外形，并且消除了熔渣楔塊，從而提高接頭的疲勞強(qiáng)度。的疲勞強(qiáng)度。 最適合處理與應(yīng)力方向垂直的橫向焊縫，試最適合處理與應(yīng)力方向垂直的橫向焊縫，試驗(yàn)證明，疲勞強(qiáng)度增加驗(yàn)證明，疲勞強(qiáng)度增加2575%。 q 焊縫表面的硬化處理焊縫表面的硬化處理 采用噴丸或用錘頭撞擊焊縫表明或焊趾采用噴丸或用錘頭撞擊焊縫表明或焊趾處：消除焊趾處處：消除焊趾處0.5mm以下的咬邊等缺以下的咬邊等缺陷；加大焊趾處圓弧半徑，緩和幾何形狀陷；加大焊趾處圓弧半徑，緩和幾何形狀突變引起的應(yīng)力集中；預(yù)制表面殘余壓應(yīng)突變引起的應(yīng)力集中；預(yù)制表面殘余壓應(yīng)力。研究表明：噴丸硬化可以得到力。研究表明：噴丸硬化可以得到0.4mm左右的硬化層和殘余壓應(yīng)力左右的硬化層和殘余壓應(yīng)力 ，疲勞強(qiáng)度改，疲勞強(qiáng)度改善量為善量為3337%。 q塑料涂層（預(yù)防大氣腐蝕）塑料涂層（預(yù)防大氣腐蝕） 用塑料涂層來提高疲勞強(qiáng)度的方法是比較新的方法。用塑料涂層來提高疲勞強(qiáng)度的方法是比較新的方法。 塑料涂層的作用，主要是由于塑料里的碳鏈與金屬塑料涂層的作用，主要是由于塑料里的碳鏈與金屬表面相互作用，有防腐作用，延長裂紋的萌生壽命。表面相互作用，有防腐作用，延長裂紋的萌生壽命。 目前，塑料涂層尚未進(jìn)入工程實(shí)用。目前，塑料涂層尚未進(jìn)入工程實(shí)用。 疲勞裂紋實(shí)例分析疲勞裂紋實(shí)例分析 一、彈簧托梁疲勞裂紋分析一、彈簧托梁疲勞裂紋分析 1彈簧托梁的結(jié)構(gòu)（見圖彈簧托梁的結(jié)構(gòu)（見圖1 ） 為防止搖枕與彈簧托梁發(fā)生相對運(yùn)動，在彈簧托梁為防止搖枕與彈簧托梁發(fā)生相對運(yùn)動，在彈簧托梁上設(shè)有橫向拉桿座，通過橫向拉桿與搖枕連接。上設(shè)有橫向拉桿座，通過橫向拉桿與搖枕連接。圖圖1 搖動臺結(jié)構(gòu)搖動臺結(jié)構(gòu)1搖枕吊座；搖枕吊座；2搖枕；搖枕；3空簧或鋼簧；空簧或鋼簧；4彈簧托梁；彈簧托梁；5橫向拉桿；橫向拉桿；6橫向拉桿座橫向拉桿座彈簧托梁的結(jié)構(gòu)示于圖彈簧托梁的結(jié)構(gòu)示于圖2中中 母材 焊縫 焊縫 焊縫 焊縫 圖圖 2 圖圖3中示出了橫向拉桿座結(jié)構(gòu)，它由隔板、一塊外中示出了橫向拉桿座結(jié)構(gòu)，它由隔板、一塊外側(cè)筋板和兩塊內(nèi)側(cè)小筋板構(gòu)成。側(cè)筋板和兩塊內(nèi)側(cè)小筋板構(gòu)成。圖圖3 2疲勞裂紋情況疲勞裂紋情況 該車該車2004年年6月月9月投入運(yùn)用后，月投入運(yùn)用后，經(jīng)過一年多于經(jīng)過一年多于2005年年11月月9日在小筋板與日在小筋板與彈簧托梁立板連接焊縫端頭發(fā)現(xiàn)一起疲勞裂彈簧托梁立板連接焊縫端頭發(fā)現(xiàn)一起疲勞裂紋，紋，12月初在小筋板部位又發(fā)現(xiàn)月初在小筋板部位又發(fā)現(xiàn)3起裂紋，起裂紋，見圖見圖4所示，圖所示，圖5為裂紋部位放大圖。為裂紋部位放大圖。圖圖4 裂紋照片圖裂紋照片圖圖圖5 裂紋部位放大圖裂紋部位放大圖 3裂紋原因分析裂紋原因分析 出現(xiàn)疲勞裂紋的小筋板縱向角焊縫端頭是疲勞強(qiáng)度薄弱部出現(xiàn)疲勞裂紋的小筋板縱向角焊縫端頭是疲勞強(qiáng)度薄弱部位；從裂紋照片看，該部位的焊接質(zhì)量也比較差。這兩點(diǎn)可位；從裂紋照片看，該部位的焊接質(zhì)量也比較差。這兩點(diǎn)可能就是引起疲勞裂紋的主要原因。能就是引起疲勞裂紋的主要原因。 針對這個(gè)原因的處理措施：對各筋板端部焊縫進(jìn)行打磨處針對這個(gè)原因的處理措施：對各筋板端部焊縫進(jìn)行打磨處理，使焊縫與母材圓滑過渡，并探傷檢查無裂紋。打磨部位理，使焊縫與母材圓滑過渡，并探傷檢查無裂紋。打磨部位和要求見圖和要求見圖6所示。所示。圖圖6 各筋板端部焊縫打磨處理各筋板端部焊縫打磨處理 彈簧托梁的載荷分析（參見圖彈簧托梁的載荷分析（參見圖1） 橫向力：橫向拉桿座部位；橫向力：橫向拉桿座部位； 扭轉(zhuǎn)力：如果四根吊桿與彈簧托梁連接部的高度不扭轉(zhuǎn)力：如果四根吊桿與彈簧托梁連接部的高度不一致，特別是對角位置存在高度差時(shí)，轉(zhuǎn)向架運(yùn)行中彈簧一致，特別是對角位置存在高度差時(shí)，轉(zhuǎn)向架運(yùn)行中彈簧托梁將受到交變扭轉(zhuǎn)載荷的作用。托梁將受到交變扭轉(zhuǎn)載荷的作用。 采用有限元方法計(jì)算彈簧托梁上的應(yīng)力狀態(tài)。計(jì)采用有限元方法計(jì)算彈簧托梁上的應(yīng)力狀態(tài)。計(jì)算中假設(shè)橫向力為算中假設(shè)橫向力為20KN；在吊桿的四個(gè)連結(jié)點(diǎn)處施加；在吊桿的四個(gè)連結(jié)點(diǎn)處施加10KN力產(chǎn)生扭矩。力產(chǎn)生扭矩。 經(jīng)計(jì)算得出原結(jié)構(gòu)彈簧托梁上的應(yīng)力分布，見圖經(jīng)計(jì)算得出原結(jié)構(gòu)彈簧托梁上的應(yīng)力分布，見圖7。 圖圖7 原方案扭矩橫向力作用下應(yīng)力云圖原方案扭矩橫向力作用下應(yīng)力云圖 由圖可見，最由圖可見，最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩個(gè)大應(yīng)力出現(xiàn)在兩個(gè)內(nèi)側(cè)小筋板縱向角內(nèi)側(cè)小筋板縱向角焊縫端頭處，而該焊縫端頭處，而該處是疲勞強(qiáng)度薄弱處是疲勞強(qiáng)度薄弱部位，并存在收弧部位，并存在收弧弧坑等焊接缺陷，弧坑等焊接缺陷，因此產(chǎn)生了早期疲因此產(chǎn)生了早期疲勞裂紋。勞裂紋。 4確定橫向拉桿座改造方案確定橫向拉桿座改造方案 根據(jù)對裂紋原因的分析、計(jì)算結(jié)果，提出根據(jù)對裂紋原因的分析、計(jì)算結(jié)果，提出三個(gè)改造方案。三個(gè)改造方案。 改造方案一：改造方案一： 取消內(nèi)側(cè)兩個(gè)小筋板（先切割去除，再打取消內(nèi)側(cè)兩個(gè)小筋板（先切割去除，再打磨、探傷），在槽鋼內(nèi)加兩個(gè)小立板。小立板磨、探傷），在槽鋼內(nèi)加兩個(gè)小立板。小立板內(nèi)側(cè)面距離內(nèi)側(cè)面距離140mm，小立板長、高均為，小立板長、高均為90mm，單側(cè)坡口，如圖，單側(cè)坡口，如圖8所示：所示： 圖圖8 改造方案一改造方案一改造方案一有限元計(jì)算結(jié)果示于圖改造方案一有限元計(jì)算結(jié)果示于圖9。圖圖9 扭轉(zhuǎn)橫向力下橫向拉桿座部位應(yīng)力云圖扭轉(zhuǎn)橫向力下橫向拉桿座部位應(yīng)力云圖 改造方案二：改造方案二： 將原內(nèi)、外筋板取消（先切割去除，再打磨、探將原內(nèi)、外筋板取消（先切割去除，再打磨、探傷），立板進(jìn)行切割，使內(nèi)外筋板及立板均下沉傷），立板進(jìn)行切割，使內(nèi)外筋板及立板均下沉16mm，如圖，如圖10 所示。所示。圖圖10 改造方案二有限元計(jì)算結(jié)果示于圖改造方案二有限元計(jì)算結(jié)果示于圖11。圖圖11 改造方案三：改造方案三： 原方案的各筋板不改變，對各筋板端部焊縫進(jìn)行打磨處理。原方案的各筋板不改變，對各筋板端部焊縫進(jìn)行打磨處理。打磨后焊縫與母材圓滑過渡，探傷檢查無裂紋。打磨部位和打磨后焊縫與母材圓滑過渡，探傷檢查無裂紋。打磨部位和標(biāo)準(zhǔn)如前面圖標(biāo)準(zhǔn)如前面圖3-32。同時(shí)，在槽鋼內(nèi)側(cè)加焊兩個(gè)筋板，筋板。同時(shí)，在槽鋼內(nèi)側(cè)加焊兩個(gè)筋板，筋板尺寸尺寸120 x80（三角形直邊尺寸），厚度（三角形直邊尺寸），厚度10mm，高度方向，高度方向距離槽形梁鋼底面距離槽形梁鋼底面59mm（與孔中心平齊）加焊后筋板端頭（與孔中心平齊）加焊后筋板端頭打磨，如圖打磨，如圖12所示：所示：圖圖12 改造方案三有限元計(jì)算結(jié)果示于圖改造方案三有限元計(jì)算結(jié)果示于圖13。圖圖13 改造方案的綜合分析見下表改造方案的綜合分析見下表原方案原方案改造方案改造方案方案一方案一方案二方案二方案三方案三應(yīng)力狀應(yīng)力狀況況應(yīng)力值應(yīng)力值（MPa）455.6429.6405.2380.5-464.5-388.5-366.9-371.3下降下降5.7%11%15%工藝方面工藝方面取消原內(nèi)側(cè)小筋板取消原內(nèi)側(cè)小筋板比較麻煩。比較麻煩。 取消原內(nèi)、取消原內(nèi)、外筋板，并外筋板，并切割立板十切割立板十分麻煩，且分麻煩，且易損壞槽形易損壞槽形鋼。鋼。 增加的小筋板增加的小筋板與原小筋板間與原小筋板間距為距為27mm，無法施焊。無法施焊。綜合評價(jià)綜合評價(jià)疲勞強(qiáng)度改善不明疲勞強(qiáng)度改善不明顯顯 疲勞強(qiáng)度改疲勞強(qiáng)度改善有一定效善有一定效果，但改造果，但改造工藝麻煩。工藝麻煩。 疲勞強(qiáng)度改善疲勞強(qiáng)度改善較好，但無法較好，但無法實(shí)施，可用于實(shí)施，可用于新造。新造。共同措施：對各筋板角焊縫端部進(jìn)行打磨使焊縫與母材圓滑過渡；共同措施：對各筋板角焊縫端部進(jìn)行打磨使焊縫與母材圓滑過渡； 焊縫打磨后探傷檢查無裂紋；焊縫打磨后探傷檢查無裂紋； 盡量將焊縫布置在應(yīng)力較小的部位。盡量將焊縫布置在應(yīng)力較小的部位。二、油箱吊梁疲勞裂紋分析二、油箱吊梁疲勞裂紋分析 1裂紋情況裂紋情況 KD25G空調(diào)發(fā)電車，自空調(diào)發(fā)電車，自2004年年10月以來，其中月以來，其中K71型型K122型等發(fā)電車車下油箱吊梁先后發(fā)現(xiàn)多起裂型等發(fā)電車車下油箱吊梁先后發(fā)現(xiàn)多起裂紋。裂紋發(fā)生車都是在紋。裂紋發(fā)生車都是在1994年年 和和1995年以后生產(chǎn)的，年以后生產(chǎn)的，裂紋發(fā)生時(shí)間均在車輛廠修后裂紋發(fā)生時(shí)間均在車輛廠修后12年左右，即新造出廠年左右，即新造出廠10年左右。車下油箱吊梁發(fā)生裂紋部位見圖年左右。車下油箱吊梁發(fā)生裂紋部位見圖1所示。所示。 圖圖1 油箱吊梁裂紋實(shí)物照片油箱吊梁裂紋實(shí)物照片 2裂紋原因分析裂紋原因分析 （1）油箱吊梁與中梁下翼板連接部位為搭接接頭，）油箱吊梁與中梁下翼板連接部位為搭接接頭，均為短焊縫，起、落弧較多，焊接質(zhì)量差（見裂紋圖）。均為短焊縫，起、落弧較多，焊接質(zhì)量差（見裂紋圖）。因此，該部位焊接接頭疲勞強(qiáng)度低，又處于（中梁下翼因此，該部位焊接接頭疲勞強(qiáng)度低，又處于（中梁下翼板）最大拉應(yīng)力部位，所以首先在焊縫端頭產(chǎn)生疲勞裂板）最大拉應(yīng)力部位，所以首先在焊縫端頭產(chǎn)生疲勞裂紋，然后向吊梁腹板擴(kuò)展。紋，然后向吊梁腹板擴(kuò)展。 （2）油箱吊梁沿襲傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，只考慮了垂向載荷和）油箱吊梁沿襲傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，只考慮了垂向載荷和橫向載荷、滿足靜強(qiáng)度要求。沒有考慮縱向載荷以及疲橫向載荷、滿足靜強(qiáng)度要求。沒有考慮縱向載荷以及疲勞強(qiáng)度。勞強(qiáng)度。 3補(bǔ)強(qiáng)措施補(bǔ)強(qiáng)措施 通過初步分析，擬定了補(bǔ)強(qiáng)措施：加兩塊水平筋板，通過初步分析，擬定了補(bǔ)強(qiáng)措施：加兩塊水平筋板，焊在中梁腹板與吊梁腹板上，見圖焊在中梁腹板與吊梁腹板上，見圖2 所示。所示。圖圖2 油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)措施油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)措施 按照按照TB/T1335-96中中7.3條款條款“車體固結(jié)設(shè)車體固結(jié)設(shè)備的強(qiáng)度要求備的強(qiáng)度要求”，按下面三種載荷進(jìn)行強(qiáng)度校核：，按下面三種載荷進(jìn)行強(qiáng)度校核： 縱向載荷為縱向載荷為M3g； 橫向載荷為橫向載荷為Mg； 垂向載荷為垂向載荷為M(1.53)g； M為油箱總重。為油箱總重。 采用有限元方法對油箱吊梁原結(jié)構(gòu)與補(bǔ)強(qiáng)后進(jìn)采用有限元方法對油箱吊梁原結(jié)構(gòu)與補(bǔ)強(qiáng)后進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果列于下表。行強(qiáng)度校核，結(jié)果列于下表。油箱吊梁與中梁下翼板連接部位強(qiáng)度校核結(jié)果油箱吊梁與中梁下翼板連接部位強(qiáng)度校核結(jié)果載荷載荷最大等效應(yīng)力（最大等效應(yīng)力（MPa）橫向應(yīng)力分量（橫向應(yīng)力分量（MPa）原結(jié)構(gòu)原結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)后補(bǔ)強(qiáng)后原結(jié)構(gòu)原結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)后補(bǔ)強(qiáng)后縱向縱向169.587.9168.282.7橫向橫向4.94.04.93.2垂向垂向23.522.0-22.3-18.0三種載荷三種載荷組合組合151.974.8150.870.3 由計(jì)算結(jié)果可見：由計(jì)算結(jié)果可見： 在三種載荷作用下原結(jié)果和補(bǔ)強(qiáng)后的最大等效應(yīng)力都小在三種載荷作用下原結(jié)果和補(bǔ)強(qiáng)后的最大等效應(yīng)力都小于于Q235鋼的屈服極限（鋼的屈服極限（235MPa），滿足靜強(qiáng)度要求。），滿足靜強(qiáng)度要求。 橫向應(yīng)力分量是垂直于裂紋方向（垂直中梁）的應(yīng)力，橫向應(yīng)力分量是垂直于裂紋方向（垂直中梁）的應(yīng)力，由計(jì)算結(jié)果可見：縱向載荷對該應(yīng)力分量的貢獻(xiàn)最大，由計(jì)算結(jié)果可見：縱向載荷對該應(yīng)力分量的貢獻(xiàn)最大，是導(dǎo)致油箱吊梁裂紋的主要載荷。是導(dǎo)致油箱吊梁裂紋的主要載荷。 補(bǔ)強(qiáng)后，油箱吊梁裂紋部位的應(yīng)力下降了一倍多，因此補(bǔ)強(qiáng)后，油箱吊梁裂紋部位的應(yīng)力下降了一倍多，因此能有效地改善該部位的疲勞強(qiáng)度。能有效地改善該部位的疲勞強(qiáng)度。4補(bǔ)強(qiáng)措施的實(shí)施方案比較補(bǔ)強(qiáng)措施的實(shí)施方案比較方案一，見圖方案一，見圖3圖圖3 油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)實(shí)施方案一油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)實(shí)施方案一方案二，見圖方案二，見圖4圖圖4 油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)實(shí)施方案二油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)實(shí)施方案二 5施工說明施工說明 鑒于油箱吊梁結(jié)構(gòu)增加補(bǔ)強(qiáng)板時(shí)，施焊工藝條件較差，鑒于油箱吊梁結(jié)構(gòu)增加補(bǔ)強(qiáng)板時(shí)，施焊工藝條件較差，易導(dǎo)致各種焊接缺陷，由此造成的應(yīng)力集中將嚴(yán)重影響其疲易導(dǎo)致各種焊接缺陷，由此造成的應(yīng)力集中將嚴(yán)重影響其疲勞強(qiáng)度和壽命。建議，在實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)措施時(shí)要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，如：勞強(qiáng)度和壽命。建議，在實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)措施時(shí)要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，如： 1 1）保證焊接質(zhì)量，焊前必須對補(bǔ)強(qiáng)筋板處和吊梁與中）保證焊接質(zhì)量，焊前必須對補(bǔ)強(qiáng)筋板處和吊梁與中梁連接焊縫處清除油污、灰塵、涂料和油漆并除銹。梁連接焊縫處清除油污、灰塵、涂料和油漆并除銹。 2 2）檢查油箱吊梁與中梁連接焊縫，清理焊瘤、焊渣，）檢查油箱吊梁與中梁連接焊縫，清理焊瘤、焊渣，對于焊角不足、漏焊、焊縫不良等處重新補(bǔ)焊。對于焊角不足、漏焊、焊縫不良等處重新補(bǔ)焊。 3 3）采用氣體保護(hù)焊，對規(guī)定的焊角大小，必須達(dá)到要）采用氣體保護(hù)焊，對規(guī)定的焊角大小，必須達(dá)到要求。保證焊透、起落弧避免產(chǎn)生焊接缺陷、焊縫平滑過渡，求。保證焊透、起落弧避免產(chǎn)生焊接缺陷、焊縫平滑過渡，焊趾部和焊縫端頭打磨。焊趾部和焊縫端頭打磨。 4 4）焊后，對新增焊的部位，必須涂底漆。干燥后，分）焊后，對新增焊的部位，必須涂底漆。干燥后，分兩次噴涂阻尼防腐涂料，涂層總厚度不小于兩次噴涂阻尼防腐涂料，涂層總厚度不小于4 4mmmm。施工步驟：施工步驟： 拆下油箱拆下油箱清理需補(bǔ)強(qiáng)處、油箱吊梁與中梁連清理需補(bǔ)強(qiáng)處、油箱吊梁與中梁連接焊縫的油污和瀝青漿接焊縫的油污和瀝青漿 檢查并處理原吊梁與中檢查并處理原吊梁與中梁連接焊縫梁連接焊縫按補(bǔ)強(qiáng)方案二在中梁和油箱吊梁腹按補(bǔ)強(qiáng)方案二在中梁和油箱吊梁腹板之間焊接補(bǔ)強(qiáng)筋板，兩筋板焊接位置可上下調(diào)板之間焊接補(bǔ)強(qiáng)筋板，兩筋板焊接位置可上下調(diào)整，以便于施焊整，以便于施焊 焊接完成后，清除焊渣等焊接完成后，清除焊渣等涂涂底漆和防腐涂料。底漆和防腐涂料。思考題思考題1. 簡要說明疲勞破壞與靜力破壞的本質(zhì)差別。簡要說明疲勞破壞與靜力破壞的本質(zhì)差別。2. 簡述疲勞斷裂斷口的宏觀形貌特征。簡述疲勞斷裂斷口的宏觀形貌特征。3. 從斷口特征上如何判斷疲勞源，進(jìn)而分析疲勞斷裂的原因？從斷口特征上如何判斷疲勞源，進(jìn)而分析疲勞斷裂的原因？4. 什么是材料的疲勞強(qiáng)度？某材料的零件發(fā)生疲勞斷裂后，沒有條什么是材料的疲勞強(qiáng)度？某材料的零件發(fā)生疲勞斷裂后，沒有條件試驗(yàn)得出其件試驗(yàn)得出其S-N曲線，如何確定該零件的疲勞強(qiáng)度？曲線，如何確定該零件的疲勞強(qiáng)度？5. 什么是損傷？用公式表達(dá)疲勞損傷是可以累積的。什么是損傷？用公式表達(dá)疲勞損傷是可以累積的。6. 簡述線性累積損傷法則（簡述線性累積損傷法則（Miner法則）。法則）。7. 對接、搭接和角接接頭的疲勞裂紋常常發(fā)生在哪里？為什么角接對接、搭接和角接接頭的疲勞裂紋常常發(fā)生在哪里？為什么角接接頭的疲勞裂紋常常發(fā)生在焊趾處？接頭的疲勞裂紋常常發(fā)生在焊趾處？8. 提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度有哪些工藝措施？提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度有哪些工藝措施？ 上述第上述第1、7和和8為作業(yè)題。為作業(yè)題。