1、焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因及改善工藝措施總結(jié)1焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個(gè)方面：客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材，而承受交變動(dòng)載 荷時(shí)，其承受能力卻遠(yuǎn)低于母材，而且與焊接接頭類(lèi)型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的 關(guān)系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過(guò)早失效的一個(gè)主要的因素；早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以靜載強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，沒(méi)有考慮抗疲勞設(shè)計(jì)，或者是 焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來(lái)設(shè)計(jì)不合理的焊接 接頭；工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員對(duì)焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點(diǎn)了解不夠，所設(shè)計(jì)的焊接 結(jié)構(gòu)往往照搬其它金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么與結(jié)構(gòu)形式；焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設(shè)計(jì)和

2、制造過(guò)程中人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低本錢(qián)、 輕量化，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷越來(lái)越大；焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向開(kāi)展 的趨勢(shì)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)承受動(dòng)載能力的要求越來(lái)越高，而對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度方面 的科研水平相對(duì)滯后。2焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的要素2.1靜載強(qiáng)度對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響在鋼鐵材料的研究中，人們總是希望材料具有較高的比強(qiáng)度，即以較輕的自 身重量去承當(dāng)較大的負(fù)載重量，因?yàn)橄嗤亓康慕Y(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(qiáng)鋼應(yīng)運(yùn)而生，也具有較高的 疲勞強(qiáng)度，基本金屬的疲勞強(qiáng)度總是隨著靜載強(qiáng)度的增加而提高。但是對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，情況就不一樣了，因?yàn)楹附咏宇^的疲勞強(qiáng)度與母材

3、靜強(qiáng)度、焊縫金屬靜強(qiáng)度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬?gòu)?qiáng)度匹配沒(méi)有多大 的關(guān)系，也就是說(shuō)只要焊接接頭的細(xì)節(jié)一樣，高強(qiáng)鋼和低碳鋼的疲勞強(qiáng)度是一樣 的，具有同樣的S-N曲線，這個(gè)規(guī)律適合對(duì)接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接 頭型式。Maddox研究了屈服點(diǎn)在386-636MPa之間的碳錦鋼和用6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)果說(shuō)明：材料的力學(xué)性能對(duì)裂紋 擴(kuò)展速率有一定影響，但影響并不大。在設(shè)計(jì)承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，試圖 通過(guò)選用較高強(qiáng)度的鋼種來(lái)滿足工程需要是沒(méi)有意義的。只有在應(yīng)力比大于+0.53.3降低應(yīng)力集中和產(chǎn)生壓縮應(yīng)力兼而有之的方法1）錘擊法錘擊法是冷加工方法，其作

4、用是在接頭焊趾處外表造成壓縮應(yīng)力。因此，本 方法的有效性與在焊趾外表產(chǎn)生的塑性變形有關(guān)；同時(shí)錘擊還可以減少存在的缺 口尖銳度，因而減少了應(yīng)力集中，這也是大幅度提高接頭疲勞強(qiáng)度的原因。國(guó)際 焊接學(xué)會(huì)推薦的氣錘壓力應(yīng)為56Pao錘頭頂部應(yīng)為812mm直徑的實(shí)體材料， 推薦采用4次沖擊以保證錘擊深度達(dá)0.6mm。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)最近的工作說(shuō)明， 對(duì)于非承載T形接頭，錘擊后其2X106循環(huán)下接頭疲勞強(qiáng)度提高54%o2）噴丸噴丸是錘擊的另一種形式，也屬?zèng)_擊加工的方法。噴丸的效果依賴(lài)于噴丸直 徑尺寸，噴丸尺寸不應(yīng)過(guò)大，以使其能處理微小的缺陷。同時(shí)一，噴丸尺寸亦不應(yīng) 過(guò)小，以保證一定的冷作硬化性能，噴丸一般可在

5、外表上的千分之幾毫米的深度 上發(fā)生作用。研究結(jié)果說(shuō)明，噴丸能顯著地提高高強(qiáng)鋼接頭的疲勞強(qiáng)度，噴丸對(duì) 瀛弧焊高強(qiáng)鋼材料具有突出的效果，其程度甚至高于TIG熔修。同時(shí)TIG熔修配 以噴丸錘擊，那么其效果更為顯著。4提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的最新技術(shù)超聲沖擊處理方法近年來(lái)開(kāi)展起來(lái)的超聲沖擊提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的方法，其機(jī)理與 錘擊和噴丸基本一致.但這種方法執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧，可控性好，使用靈活方便、噪 音極小、效率高、應(yīng)用時(shí)受限少，本錢(qián)低而且節(jié)能，適用于各種接頭，是一種理 想的焊后改善焊接接頭疲勞性能的方法。對(duì)幾種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼的對(duì)接和非承 載縱向角接頭實(shí)施超聲沖擊處理，然后進(jìn)行了焊態(tài)與沖擊處理的比照

6、疲勞試驗(yàn)， 研究了超聲沖擊法改善焊接頭疲勞強(qiáng)度的實(shí)際效果，比照結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，焊 接接頭經(jīng)超聲沖擊處理后，疲勞強(qiáng)度提高了 50170%,效果十分顯著。低相變點(diǎn)焊條方法提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度原理和開(kāi)展壓縮應(yīng)力可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，已有大量的文獻(xiàn)論述，然而問(wèn)題是 如何在焊接接頭中較方便的引入壓縮應(yīng)力。眾所周知，由于化學(xué)成分、合金含量和冷卻速度不同，鋼鐵材料在冷卻過(guò)程 中會(huì)發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變或?qū)掖蔚慕M織轉(zhuǎn)變，這一組織轉(zhuǎn)變伴隨有體積膨脹，在 拘束條件下將會(huì)產(chǎn)生相變應(yīng)力，屬于壓縮應(yīng)力。對(duì)于焊縫金屬來(lái)說(shuō)，這將有利于 剩余拉伸應(yīng)力的降低甚至出現(xiàn)剩余壓縮應(yīng)力，從而改善焊接接頭的力學(xué)性能。低 相變點(diǎn)焊條(

7、LowTransformationTemperatureWeldingElectrode,LTTE)就是一種利 用相變應(yīng)力在焊接接頭中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的新型焊接材料。早在60年代，前蘇聯(lián)焊接專(zhuān)家就提出了低相變點(diǎn)焊條方法能夠提高焊接結(jié) 構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，但是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有提出“低相變點(diǎn)焊條”的概念，只稱(chēng)其為一種特 殊焊條其堆焊金屬成分主要依靠3-4%的Mn含量來(lái)降低相變點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)冶金相變。 文獻(xiàn)指出，選用這些特殊的焊條，對(duì)小試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，用這些焊條堆焊之 后的疲勞強(qiáng)度要高于未堆焊試驗(yàn)75%0近幾年，依靠Cr和Ni降低焊接材料熔敷金屬的馬氏體相變點(diǎn)，并由于超低 碳鋼材的開(kāi)展，低相變點(diǎn)焊

8、條得到了快速的開(kāi)展，日本和中國(guó)在這方面進(jìn)行了大 量的研究，但目前仍然在實(shí)驗(yàn)室階段。LTTE焊條改善疲勞強(qiáng)度的效果天津大學(xué)材料學(xué)院設(shè)計(jì)和優(yōu)化研制了低相變點(diǎn)焊條，并在各種焊接接頭上進(jìn) 行了大量的疲勞試驗(yàn)和工藝性能試驗(yàn)。LTTE 方法采用低相變點(diǎn)焊條LTTE和普通焊條E5015分別對(duì)橫向?qū)咏宇^、非承載十 字接頭、縱向環(huán)繞角焊縫接頭、縱向平行角焊縫接頭和縱向?qū)咏宇^施焊，并進(jìn) 行疲勞比照試驗(yàn)。結(jié)果說(shuō)明，相變點(diǎn)焊條LTTE接頭的疲勞強(qiáng)度分別比普通焊條 E5015接疲勞強(qiáng)度提高11%、23%、42%、46%、59%,疲勞壽命提高幅度從幾倍 到上百倍。由于低相變點(diǎn)焊條是在較低溫度下發(fā)生馬氏體相變體積膨脹而

9、獲得的剩余 壓縮應(yīng)力，因此剩余壓縮應(yīng)力的大小與焊接接頭拘束度有較大關(guān)系，拘束度越大, 其剩余壓縮應(yīng)力越大，疲勞強(qiáng)度的提高效果也越大。(2)低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修(LTTE-dressing)方法然而，為使焊縫金屬在正常的冷卻速度下和在較低的溫度下發(fā)生馬氏體相 變，焊接材料中加入了較多的合金元素，從而使得低相變點(diǎn)焊接材料的本錢(qián)提高 許多。如果一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的全部焊縫都采用低相變焊接材料進(jìn)行施焊，焊接結(jié)構(gòu) 的本錢(qián)也將大幅度增加，這是很不經(jīng)濟(jì)的。眾所周知，焊接接頭疲勞斷裂主要從焊趾部位開(kāi)裂，如果使焊接接頭的焊趾 部位產(chǎn)生剩余壓縮應(yīng)力，那么可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，而并不需要全部采用 低相變點(diǎn)焊條，這樣

10、可以降低使用本錢(qián)。從這一思路考慮，天津大學(xué)在試驗(yàn)的基 礎(chǔ)上提出了低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修(LTTE-dressing)提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的方法。 采用非承載十字接頭和縱向環(huán)繞角焊縫接頭兩種接頭類(lèi)型，分別比照了低相變點(diǎn) 焊條焊趾熔修(LTTE-dressing)和普通焊條焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，前者的疲勞強(qiáng)度分 別比后者提高19.9%和41.7%,證明了這一思路的可行性和實(shí)用性，為低相變點(diǎn) 焊條LTTE更合理的在工程實(shí)際中應(yīng)用進(jìn)行了前期試驗(yàn)研究，同時(shí)低相變點(diǎn)焊條 焊趾熔修(LTTE-dressing)接頭也可以反映低相變點(diǎn)焊條在蓋面焊縫和近焊趾蓋面 焊道的應(yīng)用情況。低相變點(diǎn)焊條的的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：低相變點(diǎn)

11、焊條焊接方法是隨同焊接過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，防止了焊后加工處理 的不方便；(2)低相變點(diǎn)焊條方法無(wú)需特殊的操作要求，因而操作簡(jiǎn)單方便；(3)低相變點(diǎn)焊接材料用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度，由于不受后續(xù)焊道熱作 用的影響，它更適合于隱蔽焊縫、被覆蓋焊縫、單面焊的反面焊縫等不能進(jìn)行焊 后加工處理的焊縫的疲勞強(qiáng)度提高；LTTE焊條還可以用于焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的修復(fù)。缺點(diǎn)：焊接材料中加入了較多的合金元素，從而使得低相變點(diǎn)焊接材料的本錢(qián)提 高，但可以通過(guò)LTTE-dressing等方法加以彌補(bǔ)。的情況下，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)鋼。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(lèi)似咬邊的

12、熔 渣楔塊缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm,尖端半徑小于0.015mm。該尖銳缺陷 是疲勞裂紋開(kāi)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(kuò)展階段決定。這些缺陷的出現(xiàn)使得所有鋼材的 相同類(lèi)型焊接接頭具有同樣的疲勞強(qiáng)度，而與母材及焊接材料的靜強(qiáng)度關(guān)系不 大。應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響221接頭類(lèi)型的影響焊接接頭的形式主要有：對(duì)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(duì)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(qiáng)度也將高于其 他接頭形式。但實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度在很大范圍內(nèi)變化，這

13、是因?yàn)橛?一系列因素影響對(duì)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(lèi)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(huì)對(duì) 其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對(duì)接接頭由于墊板處形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，降低 了接頭的疲勞強(qiáng)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(qiáng)度一般與不帶墊板的最不佳外形的對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng) 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(guò)渡處具有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對(duì)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(qiáng)度要低于對(duì)接接頭。對(duì)未開(kāi) 坡口的用角

14、焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的開(kāi)坡口接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力 時(shí)，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個(gè)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(duì)于開(kāi)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(qiáng)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(qiáng)度，而十字接頭的疲勞強(qiáng)度 較低。提高T形或十字接頭疲勞強(qiáng)度的根本措施是開(kāi)坡口焊接，并加工焊縫過(guò)渡 處使之圓滑過(guò)渡，通過(guò)這種改進(jìn)措施，疲勞強(qiáng)度可有較大幅度的提高。搭接接頭的疲勞強(qiáng)度是很低的，這是由于力線受到了嚴(yán)重的扭曲。采用所謂 “加強(qiáng)”蓋板的對(duì)接接頭是極不合理的，由于加大了應(yīng)

15、力集中影響，采用蓋板后, 原來(lái)疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭被大大地削弱了。對(duì)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(zhǎng)度，也會(huì)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(qiáng)度，即隨著焊縫長(zhǎng)度與蓋板 寬度比率的增加，接頭的疲勞強(qiáng)度增加，這是因?yàn)閼?yīng)力在基本金屬中分布趨于均 勻所致。焊縫形狀的影響無(wú)論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對(duì)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(qiáng)度具有較大的分散性。對(duì)接焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度影響最大。（1）過(guò)渡角的影響：Yamaguchi 等人建立了疲勞強(qiáng)度和基本金屬與焊縫金屬之間過(guò)渡角

16、（外鈍角）的關(guān)系。試驗(yàn)中 W（焊縫寬度）和h（高度）變化，但h/W比值保持不變。這意味著夾角保持不變， 試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，疲勞強(qiáng)度也保持不變。但如果W保持不變，變化參量h,那么發(fā) 現(xiàn)h增加，接頭疲勞強(qiáng)度降低，這顯然是外夾角降低的結(jié)果。（2）焊縫過(guò)渡半徑的影響：Sander等人的研究結(jié)果說(shuō)明焊縫過(guò)渡半徑同樣對(duì) 接頭疲勞強(qiáng)度具有重要影響，即過(guò)渡半徑增加（過(guò)渡角保持不變），疲勞強(qiáng)度增加。角焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度也有較大的影響。當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)算厚度a與板厚B之比a/B0.7時(shí)，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對(duì)提高疲勞強(qiáng)度僅僅在一 定范圍內(nèi)有效。因?yàn)楹缚p尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面即焊趾端處基

17、本金 屬的強(qiáng)度，故充其量亦不能超過(guò)該處的疲勞強(qiáng)度。Soete, VanCrombrugge采用 15mm厚板用不同的角焊縫施焊，在軸向疲勞載荷下的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫的焊腳為 13mm時(shí)，斷裂發(fā)生在焊趾處基本金屬或焊縫中。當(dāng)焊縫的焊腳小于此值時(shí)，疲 勞斷裂發(fā)生在焊縫上；當(dāng)焊腳尺寸為18mm時(shí)斷裂發(fā)生在基本金屬中。據(jù)此他 們提出極限焊腳尺寸：S=0.85Bo式中S為焊腳尺寸，B為板厚?？梢?jiàn)縱使焊腳尺 寸到達(dá)板厚時(shí)（15mm）,仍可得焊縫處的斷裂結(jié)果，這一結(jié)果與理論結(jié)果符合得 很好。焊接缺陷的影響焊趾部位存在有大量不同類(lèi)型的缺陷，這些不同類(lèi)型的缺陷導(dǎo)致疲勞裂紋早 期開(kāi)裂和使母材的疲勞強(qiáng)度急劇下降（下降到

18、80%）。焊接缺陷大體上可分作兩 類(lèi)：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 度是不同的，同時(shí)焊接缺陷對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響與缺陷的種類(lèi)、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(yán)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(qiáng)度。早期的研究己說(shuō)明， 在寬60mm、厚12.7mm的低碳鋼對(duì)接接頭試樣中，在焊縫中具有長(zhǎng)25mm、深 5.2mm的裂紋時(shí)（它們約占試樣橫截面積的10%）,在交變載荷條件下，其2X106 循環(huán)壽命的疲勞強(qiáng)度大約降低了 55%65%。2）未焊透：應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，不一定把未焊透均認(rèn)為是缺陷，因?yàn)橛袝r(shí)人為

19、地要求 某些接頭為周部焊透，典型的例子是某些壓力容器接管的設(shè)計(jì)。未焊透缺陷有時(shí) 為外表缺陷（單面焊縫），有時(shí)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.其主要影響是削弱截面積和引起應(yīng)力集中。以削弱面積10% 時(shí)的疲勞壽命與未含有該類(lèi)缺陷的試驗(yàn)結(jié)果相比，其疲勞強(qiáng)度降低了 25%,這意 味著其影響不如裂紋嚴(yán)重。3）未熔合：由于試樣難以制備，至今有關(guān)研究極其稀少。但是無(wú)可置疑，未 熔合屬于平面缺陷，因而不容忽視，一般將其和未焊透等同對(duì)待。4）咬邊：表征咬邊的主要參量有咬邊長(zhǎng)度L、咬邊深度h、咬邊寬度W。影 響疲勞強(qiáng)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

20、） 作為參量評(píng)定接頭疲勞強(qiáng)度。5）氣孔：為體積缺陷，Harrison對(duì)前人的有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)，疲 勞強(qiáng)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。但是一些研究說(shuō)明，當(dāng)采用機(jī)加工方法加工試樣外表，使氣孔處于外表上時(shí), 或剛好位于外表下方時(shí)，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(diǎn)。這說(shuō)明氣孔的位置比其尺寸對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響更大， 外表或表層下氣孔具有最不利影響。6）夾渣：IIW的有關(guān)研究報(bào)告指明：作為體積型缺陷，夾渣比氣孔對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響要大。通過(guò)上述介紹可見(jiàn)焊接缺陷對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響，不但與缺陷尺寸有關(guān)， 而且還決定于許多其

21、他因素，如外表缺陷比內(nèi)部缺陷影響大，與作用力方向垂直 的面狀缺陷的影響比其它方向的大；位于剩余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在剩余 壓應(yīng)力區(qū)的大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋)比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中同樣 缺陷影響大。焊接剩余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響焊接剩余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)所特有的特征，因此，它對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的 影響是人們廣為關(guān)心的問(wèn)題，為此人們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)往往采 用有焊接剩余應(yīng)力的試樣與經(jīng)過(guò)熱處理消除剩余應(yīng)力后的試樣，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)作 比照。由于焊接剩余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，而 熱處理在消除剩余應(yīng)力的同時(shí)也恢復(fù)或局部地恢復(fù)了材料的性能，同時(shí)也由于試 驗(yàn)結(jié)

22、果的分散性，因此對(duì)試驗(yàn)結(jié)果就產(chǎn)生了不同的解釋?zhuān)瑢?duì)焊接剩余應(yīng)力的影響 也就有了不同的評(píng)價(jià)。試舉早期和近期一些人所進(jìn)行的研究工作為例，可清楚地說(shuō)明這一問(wèn)題，對(duì) 具有余高的對(duì)接接頭進(jìn)行的2X106次循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，不同研究者得出了不同結(jié) 論。有人發(fā)現(xiàn)：熱處理消除應(yīng)力試樣的疲勞強(qiáng)度比焊態(tài)相同試樣的疲勞強(qiáng)度增加 12.5%；另有人那么發(fā)現(xiàn)焊態(tài)和熱處理的試樣的疲勞強(qiáng)度是一致的，即差異不大； 但也有人發(fā)現(xiàn)采用熱處理消除剩余應(yīng)力后疲勞強(qiáng)度雖有增加，但增加值遠(yuǎn)低于 12.5%等等。對(duì)外表打磨的對(duì)接接頭試樣試驗(yàn)結(jié)果也是如此，即有的試驗(yàn)認(rèn)為， 熱處理后可提高疲勞強(qiáng)度17%,但也有的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，熱處理后疲勞強(qiáng)度沒(méi)有

23、提高等。這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期來(lái)使人困惑不解，直到前蘇聯(lián)一些學(xué)者在交變載荷下進(jìn)行 了一系列試驗(yàn)，才逐漸澄清了這一問(wèn)題。其中最值得提出的是Trufyakov對(duì)在不同應(yīng)力循環(huán)特征下焊接剩余應(yīng)力對(duì)接 頭疲勞強(qiáng)度影響的研究。試驗(yàn)采用14Mn2普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，試樣上有一條橫 向?qū)雍缚p，并在正反兩面堆焊縱向焊道各一條。一組試樣焊后進(jìn)行了消除剩余 應(yīng)力的熱處理，另一組未經(jīng)熱處理疲勞強(qiáng)度比照試驗(yàn)采用三種應(yīng)力循環(huán)特征系 數(shù) r=-l, 0, +0.3o在交變載荷下(r=-l),消除剩余應(yīng)力試樣的疲勞強(qiáng)度接近130MPa,而未經(jīng)消 除剩余應(yīng)力的僅為75MPa,在脈動(dòng)載荷下(r=0),兩組試樣的疲勞強(qiáng)度相同，均為 185

24、MPa0而當(dāng)r=0.3時(shí)，經(jīng)熱處理消除剩余應(yīng)力的試樣疲勞強(qiáng)度為260MPa,反 而略低于未熱處理的試樣(270MPa)。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是：在r值較高時(shí), 例如在脈動(dòng)載荷下(r=0),疲勞強(qiáng)度較高，在較高的拉應(yīng)力作用下，剩余應(yīng)力較快 地得到釋放，因此剩余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響就減弱；當(dāng)r增大到0.3時(shí)，剩余 應(yīng)力在載荷作用下，進(jìn)一步降低，實(shí)際上對(duì)疲勞強(qiáng)度已不起作用。而熱處理在消除剩余應(yīng)力的同時(shí)又軟化了材質(zhì)，因而使得疲勞強(qiáng)度在熱處理 后反而下降o這一試驗(yàn)比擬好地說(shuō)明了剩余應(yīng)力和焊接熱循環(huán)所引起材質(zhì)變化對(duì) 疲勞強(qiáng)度的影響。從這里也可以看出焊接剩余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響與疲勞 載荷的應(yīng)力循環(huán)特

25、性有關(guān)。即在循環(huán)特性值較低時(shí)，影響比擬大。前面指出，由于結(jié)構(gòu)焊縫中存有到達(dá) 材料屈服點(diǎn)的剩余應(yīng)力，因此在常幅施加應(yīng)力循環(huán)作用的接頭中，焊縫附近所承 受的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)將是由材料的屈服點(diǎn)向下擺動(dòng)，而不管其原始作用的循環(huán)特征 如何。例如標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)為+S1到-S2,那么其應(yīng)力范圍應(yīng)為S1+S2。但接頭中的實(shí) 際應(yīng)力循環(huán)范圍將是由Sy(屈服點(diǎn)的應(yīng)力幅)到Sy-(S1+S2)o這一點(diǎn)在研究焊接接 頭疲勞強(qiáng)度時(shí)是非常重要的，它導(dǎo)致了一些設(shè)計(jì)規(guī)范以應(yīng)力范圍代替了循環(huán)特征 ro止匕外，在試驗(yàn)過(guò)程中，試件的尺寸大小、加載方式、應(yīng)力循環(huán)比、載荷譜也 對(duì)疲勞強(qiáng)度有很大的影響。3改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝方法焊接接頭

26、疲勞裂紋一般啟裂位置存在于焊根和焊趾兩個(gè)部位，如果焊根部位 的疲勞裂紋啟裂的危險(xiǎn)被抑制，焊接接頭的危險(xiǎn)點(diǎn)那么集中于焊趾部位。許多方法 可以用于提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。減少或消滅焊接缺欠特別是開(kāi)口缺陷；改善焊趾部位的幾何形狀降低應(yīng)力集中系數(shù)；調(diào)節(jié)焊接剩余應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生剩余壓縮應(yīng)力場(chǎng)。焊接過(guò)程優(yōu)化方法不僅是針對(duì)提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度而考慮，同時(shí)對(duì)焊接結(jié) 構(gòu)的靜載強(qiáng)度、焊接接頭的冶金性能等各方面都有極大的益處，這方面的資料很 多在此不多贅述。下面從工藝方法角度考慮分三局部詳細(xì)論述改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主要 方法。改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中方法1）TIG熔修國(guó)內(nèi)外的研究均說(shuō)明，TIG熔修可大幅度提高焊接

27、接頭的疲勞強(qiáng)度，這種方 法是用鴇極氨弧焊方法在焊接接頭的過(guò)渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間 形成平滑過(guò)渡。減少了應(yīng)力集中，同時(shí)也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因 而使接頭部位的疲勞強(qiáng)度提高。熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位0.51.5mm處，并要保持重熔部位 潔凈，如果事先配以輕微打磨效果更佳。重要的是重熔中發(fā)生熄弧時(shí)，如何處理 重新起弧的方法，因?yàn)檫@勢(shì)必影響重熔焊道的質(zhì)量，一般推薦重新起弧的最好位 置是在焊道弧坑之前面6mm處，最近國(guó)際焊接學(xué)會(huì)組織歐洲一些國(guó)家和日本的 一些焊接研究所，采用統(tǒng)一由英國(guó)焊接研究所制備的試樣進(jìn)行了一些改善接頭疲 勞強(qiáng)度方法有效性的統(tǒng)一性研究，證實(shí)經(jīng)該方法處

28、理后該接頭的2X106循環(huán)下 的標(biāo)稱(chēng)疲勞強(qiáng)度提高58%,如果將得到的211MPa的疲勞強(qiáng)度標(biāo)稱(chēng)值換算成相應(yīng) 的特征值（K指標(biāo)）為144MPa。它已高出國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的接頭細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度中的最 高的FAT值。2）機(jī)械加工假設(shè)對(duì)焊縫外表進(jìn)行機(jī)械加工，應(yīng)力集中程度將大大減少，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng) 度也相應(yīng)提高，當(dāng)焊縫不存在缺陷時(shí)，接頭的疲勞強(qiáng)度可高于基本金屬的疲勞強(qiáng) 度。但是這種外表機(jī)械加工的本錢(qián)很高，因此只有真正有益和確實(shí)能加工到的地 方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴(yán)重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊 縫根部應(yīng)力集中要比焊縫外表的應(yīng)力集中嚴(yán)重的多，所以在這種情況下焊縫外表 的機(jī)械加工是毫無(wú)意義的。如果

29、存有未焊透缺陷，因?yàn)槠诹鸭y將不在余高和焊 趾處起始裂，而是轉(zhuǎn)移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺陷存在的情況下，機(jī) 加工反而往往會(huì)降低接頭疲勞強(qiáng)度。有時(shí)不用對(duì)整體焊縫金屬進(jìn)行機(jī)加工，而只需對(duì)焊趾處采用機(jī)械加工磨削處 理，這種做法亦能大幅度提高接頭疲勞強(qiáng)度。研究說(shuō)明，在這種情況下，起裂點(diǎn) 不是在焊趾處，而是轉(zhuǎn)移到焊縫缺陷部位。前蘇聯(lián)Makorov對(duì)高強(qiáng)鋼（抗拉強(qiáng)度。b=1080MPa）橫向?qū)雍缚p的交變載荷 的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)說(shuō)明，在焊態(tài)條件下2X106循環(huán)次數(shù)時(shí)疲勞強(qiáng)度為150MPa, 如果對(duì)焊縫進(jìn)行機(jī)械加工處理，除去余高，那么疲勞強(qiáng)度提高到275MPa,這已 與基本金屬的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)。但如果對(duì)焊

30、趾處進(jìn)行局部磨削加工，其疲勞強(qiáng)度為 245MPa,它是機(jī)加工效果的83%,與焊態(tài)相比，疲勞強(qiáng)度提高65%,當(dāng)然不 論是采用機(jī)加工方法，還是磨削方法，如果不能仔細(xì)按要求進(jìn)行，以便保證加工 效果，疲勞強(qiáng)度的提高是有限的。3）砂輪打磨采用砂輪磨削，雖然其效果不如機(jī)械加工，但也是一種提高焊接接頭疲勞強(qiáng) 度的有效方法。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦采用高速電力或水力驅(qū)動(dòng)的砂輪，轉(zhuǎn)速為 （1500040000）/min,砂輪由碳-鴇材料制作，其直徑應(yīng)保證打磨深度半徑應(yīng)等于 或大于W板厚。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)最近的研究說(shuō)明，試樣經(jīng)打磨后，其2X106循 環(huán)下的標(biāo)稱(chēng)疲勞強(qiáng)度提高45%,如果將得到的199Mpa疲勞強(qiáng)度標(biāo)稱(chēng)值換算成相

31、 應(yīng)的特征值（135MPa）它也高于國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的接頭細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度中的最高的FAT 值。要注意的是磨削方向應(yīng)與力線方向一致，否那么在焊縫中會(huì)留下與力線垂直的 刻痕，它相當(dāng)于應(yīng)力集中源，起到降低接頭疲勞強(qiáng)度的作用。4）特種焊條方法本方法是研制了一種新型的焊條，它的液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣具有較高的溶濕 能力，可以改善焊縫的過(guò)渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應(yīng)力集中程度， 從而提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。與TIG熔修的缺點(diǎn)相類(lèi)似，它對(duì)焊接位置具有較 強(qiáng)的選擇性，特別適合于平焊位置和平角焊，而對(duì)于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu) 越性就顯著降低了。調(diào)整剩余應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法1）預(yù)過(guò)載法假如在含有應(yīng)力集中的試樣上施加拉伸載荷，直到在缺口處發(fā)生屈服，并伴 有一定的拉伸塑性變形，卸載后，載缺口及其附近發(fā)生拉伸塑性變