焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強度

1、焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強度在鋼鐵材料的研究中，人們總是希望材料具有較高的比強度，即以較輕的自身重量去承擔(dān)較大的負載重量，因為相同重量的結(jié)構(gòu)可以具有極大的承載能力；或是同樣的承載能力可以減輕自身的重量。所以高強鋼應(yīng)運而生，也具有較高的疲勞強度，基本金屬的疲勞強度總是隨著靜載強度的增加而提高。但是對于焊接結(jié)構(gòu)來說，情況就不一樣了，因為焊接接頭的疲勞強度與母材靜強度、焊縫金屬靜強度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬強度匹配沒有多大的關(guān)系，這個規(guī)律適合對接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭型式。材料的力學(xué)性能對裂紋擴展速率有一定影響，但影響并不大。在設(shè)計承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)時，試圖通過選用較高強度的鋼種來滿足

2、工程需要是沒有意義的。 造成上述結(jié)果的原因是由于在接頭焊趾部位沿溶合線存在有類似咬邊的熔渣楔塊缺陷。該尖銳缺陷是疲勞裂紋開始的地方，相當(dāng)于疲勞裂紋形成階段，因而接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命，主要由疲勞裂紋的擴展階段決定。這些缺陷的出現(xiàn)使得所有鋼材的相同類型焊接接頭具有同樣的疲勞強度，而與母材及焊接材料的靜強度關(guān)系不大。 1、接頭類型的影響 焊接接頭的形式主要有：對接接頭、十字接頭、T形接頭和搭接接頭，在接頭部位由于傳力線受到干擾，因而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。 對接接頭的力線干擾較小，因而應(yīng)力集中系數(shù)較小，其疲勞強度也將高于其他接頭形式。但實驗表明，對接接頭的疲勞強度在很大范圍內(nèi)變化，這是因為有一系

3、列因素影響對接接頭的疲勞性能的緣故。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類型、焊接位置、焊縫形狀、焊后的焊縫加工、焊后的熱處理等均會對其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對接接頭由于墊板處形成嚴重的應(yīng)力集中，降低了接頭的疲勞強度。這種接頭的疲勞裂紋均從焊縫和墊板的接合處產(chǎn)生，而并不是在焊趾處產(chǎn)生，其疲勞強度般與不帶墊板的最不佳外形的對接接頭的疲勞強度相等。 十字接頭或T形接頭在焊接結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。在這種承力接頭中，由于在焊縫向基本金屬過渡處具有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此十字或T形接頭的疲勞強度要低于對接接頭。對未開坡口的用角焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的

4、開坡口接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個薄弱環(huán)節(jié)上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對于開坡口焊透的的十字接頭，斷裂一般只發(fā)生在焊趾處，而不是在焊縫處。焊縫不承受工作應(yīng)力的T形和十字接頭的疲勞強度主要取決于焊縫與主要受力板交界處的應(yīng)力集中，T形接頭具有較高的疲勞強度，而十字接頭的疲勞強度較低。提高T形或十字接頭疲勞強度的根本措施是開坡口焊接，并加工焊縫過渡處使之圓滑過渡，通過這種改進措施，疲勞強度可有較大幅度的提高。 搭接接頭的疲勞強度是很低的，這是由于力線受到了嚴重的扭曲。采用所謂“加強”蓋板的對接接頭是極不合理的，由于加大了應(yīng)力集中影響，采用蓋板后，原來疲勞強度較高的

5、對接接頭被大大地削弱了。對于承力蓋板接頭，疲勞裂紋可發(fā)生在母材，也可發(fā)生在焊縫，另外改變蓋板的寬度或焊縫的長度，也會改變應(yīng)力在基本金屬中的分布，因此將要影響接頭的疲勞強度，即隨著焊縫長度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲勞強度增加，這是因為應(yīng)力在基本金屬中分布趨于均勻所致。 2、焊縫形狀的影響 無論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不同，其應(yīng)力集中系數(shù)也不相同，從而疲勞強度具有較大的分散性。 對接焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度影響最大。 (1)過渡角的影響 夾角保持不變，疲勞強度也保持不變。 (2)焊縫過渡半徑的影響 焊縫過渡半徑同樣對接頭疲勞強度具有重要影響，即過

6、渡半徑增加(過渡角保持不變)，疲勞強度增加。 3、角焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度也有較大的影響 當(dāng)單個焊縫的計算厚度a與板厚B之比a/B0.7時，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對提高疲勞強度僅僅在一定范圍內(nèi)有效。因為焊縫尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面即焊趾端處基本金屬的強度，故充其量亦不能超過該處的疲勞強度。4、焊接缺陷的影響 焊趾部位存在有大量不同類型的缺陷，這些不同類型的缺陷導(dǎo)致疲勞裂紋早期開裂和使母材的疲勞強度急劇下降（下降到80%）。焊接缺陷大體上可分作兩類：面狀缺陷(如裂紋、未熔合等)和體積型缺陷（氣孔、夾渣等），它們的影響程度是不問的，同時焊接缺陷對接頭疲勞強度的影響與缺陷的

7、種類、方向和位置有關(guān)。 (1)裂紋 焊接中的裂紋，如冷、熱裂紋，除伴有具有脆性的組織結(jié)構(gòu)外，是嚴重的應(yīng)力集中源，它可大幅度降低結(jié)構(gòu)或接頭的疲勞強度。 (2)未焊透 未焊透缺陷有時為表面缺陷（單面焊縫），有時為內(nèi)部缺陷(雙面焊縫)，它可以是局部性質(zhì)的，也可以是整體性質(zhì)的其主要影響足削弱截面積和引起應(yīng)力集中。 (3)咬邊 表征咬邊的主要參量有咬邊長度L、咬邊深度h、咬邊寬度W。影響疲勞強度的主要參量是咬邊深度h，目前可用深度h或深度與板厚比值(h/B)作為參量評定接頭疲勞強度。 (4)氣孔 疲勞強度下降主要是由于氣孔減少了截面積尺寸造成，它們之間有一定的線性關(guān)系。但是一些研究表明，當(dāng)采用機加工方法加工試樣表面，使氣孔處于表面上時，或剛好位于表面下方時，氣孔的不利影響加大，它將作為應(yīng)力集中源起作用，而成為疲勞裂紋的起裂點。這說明氣孔的位置比其尺寸對接頭疲勞強度影響更大，表面或表層下氣孔具有最不利影響。 (5)夾渣作為體積型缺陷，夾渣比氣孔對接頭疲勞強度影響要大。 通過上述介紹可見焊接缺陷對接頭疲勞強度的影響，不但與