1、5 5 焊接结构的疲劳强度焊接结构的疲劳强度 焊接作为现代理想的连接手段，与其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，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。即使在低应力下也容易产生疲劳断裂。5 5 焊接结构的疲劳强度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，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
2、，焊接接头承为焊接结构。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。焊接结构的疲劳薄弱环节。5.1 5.1 各种焊接接头的疲劳破坏形式各种焊接接头的疲劳破坏形式 1横向对接焊缝横向对接焊缝 在没有焊接缺陷时，在没有焊接缺陷时，带有余高的横向对接焊带有余高的横向对接焊缝，应力集中
3、主要发生缝，应力集中主要发生在焊缝的焊趾和焊根处，在焊缝的焊趾和焊根处，所以疲劳破坏一般始发所以疲劳破坏一般始发于此，见图于此，见图5-1 a）和）和b）。）。a)b)图图5-1 5-1 横向对接接头横向对接接头 疲劳裂纹部位疲劳裂纹部位 2纵向对接焊缝纵向对接焊缝 外力方向与对接焊缝平行，外力方向与对接焊缝平行，焊缝表面的波纹与应力方向垂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直，疲劳破坏将从缺口最严重的鳞纹处开始，或者在更换焊的鳞纹处开始，或者在更换焊条的那一点，见图条的那一点，见图5-2 a)。在梁的翼缘边对接一个小附在梁的翼缘边对接一个小附件，在焊缝端部形成严重的应件，在焊
4、缝端部形成严重的应力集中，因此裂纹常出现在焊力集中，因此裂纹常出现在焊缝端部，见图缝端部，见图5-2 b）。）。a)b)图图5-2 5-2 纵向对接焊缝疲劳纵向对接焊缝疲劳裂纹部位裂纹部位 3角接焊缝角接焊缝 角接焊缝的破坏形式有以下角接焊缝的破坏形式有以下几类：几类：（1）在不承载的横向角焊）在不承载的横向角焊缝中，疲劳裂纹发生在焊趾处，缝中，疲劳裂纹发生在焊趾处，见图见图5-3（a）中；）中；（2）对于承载的横向角焊）对于承载的横向角焊缝，裂纹起始于焊趾或焊根缝，裂纹起始于焊趾或焊根，见图，见图5-3（b）；）；（3）对于承载和不承载的）对于承载和不承载的纵向角焊缝，裂纹都起始于焊纵向角焊
5、缝，裂纹都起始于焊缝两端缝两端 ，见图，见图5-3（c）、）、（d）。）。图图5-35-3角接接头的破坏形式角接接头的破坏形式（黑点表示裂纹的开始点）（黑点表示裂纹的开始点）不承载的横向角焊缝不承载的横向角焊缝 不承载的纵向角焊缝不承载的纵向角焊缝横向角焊的筋板横向角焊的筋板（纵向角焊的筋板）（纵向角焊的筋板）承载的横向角焊缝承载的横向角焊缝 承载的纵向角焊缝承载的纵向角焊缝横向角焊搭接横向角焊搭接侧向角焊搭接侧向角焊搭接5.2 5.2 影响焊接接头疲劳强度的因素影响焊接接头疲劳强度的因素 q 应力集中的影响应力集中的影响 研究表明，一个结构的疲劳特征主要决研究表明，一个结构的疲劳特征主要决定
6、于它所包含的应力集中的严重程度。由于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，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此，应力集中是影响焊接接头疲劳强度的主要因素。要因素。（一）横向对接接头（一）横向对接接头 图图5-4中示出了横向对接接头中的工作应力中示出了横向对接接头中的工作应力分布。分布。为名义应力，在焊趾和焊根处都有一为名义应力，在焊趾和焊根处都有一定的应力集中。定的应力集中。图图5 5-4-4 对接接头中工作应力的分布对接接头中工作应力的分
7、布00 影响横向对接焊缝应力集中的主要因素影响横向对接焊缝应力集中的主要因素是焊缝余高是焊缝余高h和过渡处半径和过渡处半径r，见图，见图3-5。图图5-5 对接焊缝余高对接焊缝余高h、过渡半径、过渡半径r与应力集中系数与应力集中系数K的关系的关系表表5-1 如果使用机械加工方法将余高切除，则应力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，见表显提高，见表5-1 接头的表面状态接头的表面状态对接接头的疲劳极对接接头的疲劳极限限-1-1（MPaMPa)母材轧制状态母材轧制状态225225235235横向对接焊接态
8、横向对接焊接态117117127127横向对接两面加工横向对接两面加工215215225225纵向对接焊接态纵向对接焊接态179.34179.34 但当焊缝带有严重缺陷或未焊透时，其缺陷或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。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（二）搭接接头 搭接接头中的工作应力分布见图搭接接头中的工作应力分布见图5-6所所示。搭接接头的应力集中比对接接头严重，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
9、接接头低得多。因此其疲劳强度也比对接接头低得多。a a）等截面板搭接）等截面板搭接 b b）不等截面板搭接）不等截面板搭接图图5-6 5-6 侧面搭接焊缝应力分布图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。限与焊缝两直角边的比值和机加工情况有关。搭接端焊缝搭接端焊缝两直角边比两直角边比疲劳极限疲劳极限0 0（MPaMPa）母材母材200 200 1 1直角边比直角边比1 1：1 180802 2直角边比直角边比1 1：2 297973 3焊缝经机械加工焊缝经机械加工1021024 4盖板直角边比盖板直
10、角边比1 1：3.83.8，经机械加工，经机械加工200200 表表5-2 2侧焊缝形式的搭接接头，无论是受到拉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。压或弯曲载荷，其疲劳强度都比端焊缝低。见图见图5-8和表和表5-35-3。材料材料应力比应力比疲劳极限（疲劳极限（MPaMPa）a)a)b)b)c)c)碳钢碳钢b b=432MPa=432MPas s=262MPa=262MPa0 0707080809090-1-13434434340405050表表5-35-3 a)b)c)图图5-8 5-8 侧焊缝搭接接头侧焊缝搭接接头（三）（三）T形（十字）接头形（十字）
11、接头 图图5-9中示出了中示出了T形（十字）接头的工作应力分布。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。其应力集中系数远比对接接头高。a)a)未开坡口角焊缝构成的未开坡口角焊缝构成的接头接头b)b)开开K K形坡口角焊缝构成的形坡口角焊缝构成的接头接头图图5-9 T5-9 T形（十字）接头的形（十字）接头的应力分布应力分布 未开坡口的未开坡口的T形接头，当焊缝传递工作应力时，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果焊缝的计算厚度a与板厚与板厚t之比之比a/t0.60.7,一般断于
12、焊缝。如果一般断于焊缝。如果a/t0.7,一般断于焊趾，这一般断于焊趾，这时再增大焊缝厚度也不能使其疲劳强度进一步提高，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。基本金属光滑过渡。图图5-10中示出了三种十字接头型式中示出了三种十字接头型式。板厚板厚1212S=5a=8a）b）c）图图5-10 5-10 三种十字接头型式三种十字接头型式rkrk焊接接头的焊接接头的疲劳极限疲劳极限母材金属的母材金属的疲劳极限疲劳极限正应力下的正应力下的疲劳缺口系数疲劳缺口系数母材金属母材金属应力比应力比
13、（MPaMPa）（MPaMPa）备注备注St37St370 023623615.715.72602601.11.1图中图中a a）-1.0-1.011811813.713.71621621.41.4St52St520 01911913263261.71.7-1.0-1.01391392012011.451.45St37St370 010310314.714.72602602.32.3图中图中b b）-1.0-1.0717115.715.71621622.52.5St52St52-1.0-1.078782012012.62.6St37St370 088882602602.952.95图中图中c
14、c）-1.0-1.039391621624.154.15表表5-4 十字接头的疲劳极限十字接头的疲劳极限a）b）c）q 焊趾处的微小缺陷对疲劳强度的影响焊趾处的微小缺陷对疲劳强度的影响 大量试验表明，除各种焊接接头的几何尺寸因大量试验表明，除各种焊接接头的几何尺寸因素造成应力集中（应力分布不均匀）外，焊趾处还素造成应力集中（应力分布不均匀）外，焊趾处还存在着微小的气孔、未焊透、细小的尖锐熔渣楔块存在着微小的气孔、未焊透、细小的尖锐熔渣楔块以及沿熔合线的轻微咬边（见图以及沿熔合线的轻微咬边（见图3-11）。熔渣楔块）。熔渣楔块的平均尺寸为的平均尺寸为0.15mm，咬边深度在，咬边深度在0.1mm
15、以下，以下，它们是一般探伤方法不能检查出来的微小缺陷。它们是一般探伤方法不能检查出来的微小缺陷。图图5-11 5-11 焊趾微观缺口效应焊趾微观缺口效应图图512 a)CW2C构架侧梁断裂照片构架侧梁断裂照片图图5-125-12为为CW-2CCW-2C转向转向架构架侧梁断裂照架构架侧梁断裂照片。该构架于片。该构架于20032003年年8 8月进行月进行A4A4修程时修程时对定位座实施了补对定位座实施了补强处理，于强处理，于20042004年年1010月月1616日发生断裂日发生断裂事故，仅运行了一事故，仅运行了一年多。年多。a a图为定位座图为定位座补强板焊缝沿焊趾补强板焊缝沿焊趾开裂的实物照
16、片；开裂的实物照片；图图512 b)CW2C构架侧梁断口照片构架侧梁断口照片b b图为裂纹断口照片。由断口照片可见：裂纹源在补强板焊缝靠近内侧的端部；此外，沿图为裂纹断口照片。由断口照片可见：裂纹源在补强板焊缝靠近内侧的端部；此外，沿焊缝还有许多焊缝还有许多“台阶台阶”，这是焊趾部许多微小缺陷引起的多条裂纹扩展形成的。，这是焊趾部许多微小缺陷引起的多条裂纹扩展形成的。CW-2CCW-2C（B B）转向架定位座补强后严重裂损的原因，主要是补强板只采用了角焊缝，没有转向架定位座补强后严重裂损的原因，主要是补强板只采用了角焊缝，没有按照按照“焊满磨平焊满磨平”的工艺要求去实施，从而在焊缝处产生严重的
17、应力集中；同时，焊缝的工艺要求去实施，从而在焊缝处产生严重的应力集中；同时，焊缝质量较差，特别是在焊趾处存在许多微小缺陷，大大削弱了该焊接接头的疲劳强度。质量较差，特别是在焊趾处存在许多微小缺陷，大大削弱了该焊接接头的疲劳强度。q 焊接残余应力的影响焊接残余应力的影响 焊接残余应力的作用与平均应力相当，二者的焊接残余应力的作用与平均应力相当，二者的区别仅在于：平均应力在加载过程中是不变的，而区别仅在于：平均应力在加载过程中是不变的，而焊接残余应力在加载过程中会逐渐释放，因此其影焊接残余应力在加载过程中会逐渐释放，因此其影响也逐渐减小。响也逐渐减小。焊接残余应力如何影响焊接接头的疲劳强度问焊接残
18、余应力如何影响焊接接头的疲劳强度问题，至今仍存在争议。题，至今仍存在争议。基本上有两种观点：基本上有两种观点：一类观点是：残余应力对疲劳强度的影响可以忽略。一类观点是：残余应力对疲劳强度的影响可以忽略。理由是：焊接接头的疲劳强度主要与焊缝几何尺理由是：焊接接头的疲劳强度主要与焊缝几何尺寸和焊趾部存在的应力集中等因素的影响有关，残寸和焊趾部存在的应力集中等因素的影响有关，残余应力的影响是第二位的；拉伸残余应力使疲劳余应力的影响是第二位的；拉伸残余应力使疲劳极限降低，压缩残余应力使疲劳极限增加。焊接残极限降低，压缩残余应力使疲劳极限增加。焊接残余应力的总体影响不显著。余应力的总体影响不显著。另一类
19、观点是：在一定条件下，残余应力可影响焊另一类观点是：在一定条件下，残余应力可影响焊接接头的疲劳强度。如，当高残余拉应力点与焊接接接头的疲劳强度。如，当高残余拉应力点与焊接结构的应力集中点重合时，残余应力对疲劳强度的结构的应力集中点重合时，残余应力对疲劳强度的影响是毫无疑问的。影响是毫无疑问的。（一）消除焊接残余应力工艺对接头疲劳强（一）消除焊接残余应力工艺对接头疲劳强 度的影响度的影响 由残余应力测试结果可以看出，退火处由残余应力测试结果可以看出，退火处理和除锈喷丸处理都能明显地消除和改变焊理和除锈喷丸处理都能明显地消除和改变焊接构架表面的残余应力状态。接构架表面的残余应力状态。1退火处理后，
20、整个构架被均匀加热，退火处理后，整个构架被均匀加热，残余应力通过塑性变形而产生松弛。这对疲残余应力通过塑性变形而产生松弛。这对疲劳极限有双重影响：消除残余应力能使疲劳劳极限有双重影响：消除残余应力能使疲劳强度提高，但同时又使金属软化、降低疲劳强度提高，但同时又使金属软化、降低疲劳强度。强度。表表5-5中列出了退火处理对于对接接头疲劳强度影响的试中列出了退火处理对于对接接头疲劳强度影响的试验结果。验结果。母材强度（母材强度（MPaMPa）试样试样状态状态-1-1（MPaMPa）310310母材母材210210V V形接头形接头焊接状态焊接状态93.793.7退火或回火退火或回火96.396.34
21、80480母材母材235235V V形接头形接头焊接状态焊接状态118118退火或回火退火或回火122122520520母材母材307307V V形接头形接头焊接状态焊接状态126126退火或回火退火或回火134134表表5-5 退火处理后对接接头的疲劳强度退火处理后对接接头的疲劳强度 2冷作强化处理（喷丸、滚压、捶击冷作强化处理（喷丸、滚压、捶击等），使焊接结构表面（或接头表面）造成等），使焊接结构表面（或接头表面）造成压缩残余应力，能大大提高焊接接头的疲劳压缩残余应力，能大大提高焊接接头的疲劳强度。低碳钢喷丸硬化层厚度可达强度。低碳钢喷丸硬化层厚度可达0.4mm左右，对接接头喷丸后，在左右
22、，对接接头喷丸后，在2106次循环次循环时，疲劳强度提高时，疲劳强度提高5565；非承载横向；非承载横向角焊缝，疲劳强度提高角焊缝，疲劳强度提高3639。（二）交变载荷作用下焊接构架上残余应（二）交变载荷作用下焊接构架上残余应力的变化力的变化 残余应力是一个不稳定的力学量，在交残余应力是一个不稳定的力学量，在交变载荷作用下会引起残余应力的变化（释变载荷作用下会引起残余应力的变化（释放）。其机理是：在动应力和残余应力共同放）。其机理是：在动应力和残余应力共同作用下，如果某部位应力值超过材料的屈服作用下，如果某部位应力值超过材料的屈服极限，就会在该部位产生塑性变形，使残余极限，就会在该部位产生塑性
23、变形，使残余应力释放，降低残余应力的峰值。动应力幅应力释放，降低残余应力的峰值。动应力幅值愈大，残余应力下降的愈多愈快。一般在值愈大，残余应力下降的愈多愈快。一般在几十次到几万次循环内完成应力释放，释放几十次到几万次循环内完成应力释放，释放的幅值为的幅值为5080之间。之间。图图5-15中示出了焊接构架在室内疲劳试验中，中示出了焊接构架在室内疲劳试验中，某一测点的残余应力随循环周次的变化规律。某一测点的残余应力随循环周次的变化规律。图图5-155-15焊接构架某测点的残余应力随循环周次焊接构架某测点的残余应力随循环周次的变化规律的变化规律q 焊接缺陷的影响焊接缺陷的影响 （一）一般规律（一）一
24、般规律 在焊接接头中可能存在着各种缺陷，缺在焊接接头中可能存在着各种缺陷，缺陷会造成严重的应力集中，对焊接接头的疲陷会造成严重的应力集中，对焊接接头的疲劳强度产生显著影响。影响程度与缺陷的种劳强度产生显著影响。影响程度与缺陷的种类、位置和方向有关。类、位置和方向有关。1缺陷可分为两类：面状缺陷（裂纹、缺陷可分为两类：面状缺陷（裂纹、未焊透及咬边等）和体积型缺陷（气孔、夹未焊透及咬边等）和体积型缺陷（气孔、夹渣等）。面状缺陷引起严重的应力集中，对渣等）。面状缺陷引起严重的应力集中，对疲劳强度的影响比体积型缺陷要大。疲劳强度的影响比体积型缺陷要大。2表面或靠近表面的缺陷比内部缺陷表面或靠近表面的缺
25、陷比内部缺陷对疲劳强度的影响大；位于应力集中区的缺对疲劳强度的影响大；位于应力集中区的缺陷（如焊趾部）比位于均匀应力场中同样缺陷（如焊趾部）比位于均匀应力场中同样缺陷的影响大；位于拉应力区的缺陷比在压应陷的影响大；位于拉应力区的缺陷比在压应力区的影响大。力区的影响大。3与作用力方向垂直的缺陷比其它方与作用力方向垂直的缺陷比其它方向的缺陷对疲劳强度的影响大。向的缺陷对疲劳强度的影响大。（二）面状缺陷对焊接接头疲劳强度的影响（二）面状缺陷对焊接接头疲劳强度的影响 1未焊透（未熔合）未焊透（未熔合）b b）横向角接）横向角接a a）横向对接）横向对接图图3-16 3-16 未焊未焊透透 表表5-6中
26、列出了未焊透深度对焊接接头中列出了未焊透深度对焊接接头脉动疲劳极限脉动疲劳极限 的影响（的影响（为板厚）为板厚）00疲劳极限疲劳极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疲劳极限疲劳极限表表5-6 交叉杆端部环焊缝焊根部未焊透，见图交叉杆端部环焊缝焊根部未焊透，见图5-15（a）、）、（b）;（a）图为未焊透分布于整个环形断口内表面的边缘；图为未焊透
27、分布于整个环形断口内表面的边缘；（b）图为未焊透分布于环形断口半环。图为未焊透分布于环形断口半环。疲劳试验结果表明：疲劳裂纹疲劳试验结果表明：疲劳裂纹88%断在交叉杆端部环焊断在交叉杆端部环焊缝处（缝处（14根试样），只有两根断在交叉杆压窝部位。根试样），只有两根断在交叉杆压窝部位。图图 5-15 2咬边（咬肉）咬边（咬肉）咬边使焊缝与母材连接处产咬边使焊缝与母材连接处产生凹槽，引起应力集中，降低生凹槽，引起应力集中，降低疲劳强度。如图疲劳强度。如图5-16中。中。在钢结构设计规范中规定，在钢结构设计规范中规定，咬肉深度不得超过咬肉深度不得超过1mm。接头疲劳强度接头疲劳强度0（MPa）901
28、00160180焊缝焊缝焊缝焊缝图图5-16 5-16 咬肉对接头疲劳强度的影响咬肉对接头疲劳强度的影响 3裂纹裂纹 焊接冷裂纹和热裂纹是危害最大的缺陷，焊接冷裂纹和热裂纹是危害最大的缺陷，裂纹尖端的曲率半径接近于零，是严重的应裂纹尖端的曲率半径接近于零，是严重的应力集中源。能够被检测出来的裂纹，在大多力集中源。能够被检测出来的裂纹，在大多数标准中都是被禁止的。数标准中都是被禁止的。4.4.点固焊点固焊 装配焊接过程中，经常采用点固焊定位，由于不能保装配焊接过程中，经常采用点固焊定位，由于不能保证焊缝连续，疲劳裂纹会在点固焊两侧产生。图证焊缝连续，疲劳裂纹会在点固焊两侧产生。图5-175-17
29、中中为立板内侧点固焊处有未很好清根留下的焊渣，成为疲为立板内侧点固焊处有未很好清根留下的焊渣，成为疲劳源，所以焊接操作时应谨慎进行点固焊定位。劳源，所以焊接操作时应谨慎进行点固焊定位。图图5-175-17q母体金属材料性能的影响母体金属材料性能的影响v 母材金属的疲劳强度总母材金属的疲劳强度总是随其静强度的增加而是随其静强度的增加而提高。但对焊接结构来提高。但对焊接结构来说，只要焊接接头的类说，只要焊接接头的类型一样，高强钢和中低型一样，高强钢和中低强度钢的疲劳强度基本强度钢的疲劳强度基本一致，也具有相同的一致，也具有相同的S-NS-N曲线，这个规律适合对曲线，这个规律适合对接接头、角接接头和
30、焊接接头、角接接头和焊接梁等各种接头形式，接梁等各种接头形式，见图见图5-185-18。图图5-18 5-18 表面状况及环境因素与疲劳极限表面状况及环境因素与疲劳极限和抗拉强度的关系和抗拉强度的关系q母体金属材料性能的影响母体金属材料性能的影响v 另外研究了屈服极限为另外研究了屈服极限为386386MPaMPa636MPa636MPa之间的碳锰钢，之间的碳锰钢，采用采用6 6种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况，结果表明：材料的力学性能对裂纹扩展速扩展情况，结果表明：材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响也不大。所以，焊接结构选用率
31、有一定影响，但影响也不大。所以，焊接结构选用较高强度的钢种是没有意义的。只有静强度条件起主较高强度的钢种是没有意义的。只有静强度条件起主要作用时，焊接接头母材才应采用高强度钢。要作用时，焊接接头母材才应采用高强度钢。这是因为在接头焊趾部沿熔合线存在有微观缺口效这是因为在接头焊趾部沿熔合线存在有微观缺口效应应咬边及熔渣楔块缺陷，它是疲劳裂纹萌生的地方，咬边及熔渣楔块缺陷，它是疲劳裂纹萌生的地方，因而焊接接头在一定应力幅值下的疲劳寿命主要由扩因而焊接接头在一定应力幅值下的疲劳寿命主要由扩展寿命决定。所以不同强度钢材的焊接接头，其疲劳展寿命决定。所以不同强度钢材的焊接接头，其疲劳强度与母材及焊接材料
32、的静强度关系不大。强度与母材及焊接材料的静强度关系不大。5.3 5.3 合理地设计焊缝、焊接接头形式合理地设计焊缝、焊接接头形式焊缝、焊接接头形式合理设计的原则是尽量降低焊缝、焊接接头形式合理设计的原则是尽量降低各种形式的应力集中。例如：各种形式的应力集中。例如：l （1）尽可能采用低加强高的对接接头，重要焊尽可能采用低加强高的对接接头，重要焊缝甚至要用机加工手段去掉加强高。缝甚至要用机加工手段去掉加强高。l （2）承受疲劳载荷的十字接头应开坡口以增大承受疲劳载荷的十字接头应开坡口以增大熔深、保证焊透，并使角焊缝圆滑凹入、过渡至熔深、保证焊透，并使角焊缝圆滑凹入、过渡至连接件母材上。连接件母材
33、上。l （3）需要采用不开坡口的需要采用不开坡口的T形接头和搭接接头形接头和搭接接头时，由于它们的应力集中较为严重，可用调整焊时，由于它们的应力集中较为严重，可用调整焊脚尺寸并加工焊趾过渡区来降低应力集中。一般，脚尺寸并加工焊趾过渡区来降低应力集中。一般，T形接头采用双面焊比单面焊好。形接头采用双面焊比单面焊好。5.3 5.3 合理地设计焊缝、焊接接头形式合理地设计焊缝、焊接接头形式（4）设计盖板接头、附连板和筋板时，尽量）设计盖板接头、附连板和筋板时，尽量采用圆滑过渡的结构形式，见下图。采用圆滑过渡的结构形式，见下图。l 改进前改进前 改进后改进后 5.3 5.3 合理地设计焊缝、焊接接头形
34、式合理地设计焊缝、焊接接头形式（5）应避免双条焊缝交叉或汇聚于一点。应避免双条焊缝交叉或汇聚于一点。（6）尽量避免在结构的大应力区布置焊缝尽量避免在结构的大应力区布置焊缝 连接部位的刚度也不能过大。连接部位的刚度也不能过大。5.4 5.4 影响焊接结构疲劳强度的因素影响焊接结构疲劳强度的因素 对于整个焊接结构，影响其疲劳强度的对于整个焊接结构，影响其疲劳强度的主要因素有三个：应力幅值、应力循环次数主要因素有三个：应力幅值、应力循环次数和结构细节（称为细节设计）。和结构细节（称为细节设计）。下面以焊接钢梁为例介绍各种细节设下面以焊接钢梁为例介绍各种细节设计对结构疲劳强度的影响。计对结构疲劳强度的
35、影响。q 焊接钢梁结构的疲劳强度焊接钢梁结构的疲劳强度 工字梁结构的腹板与翼缘连接角工字梁结构的腹板与翼缘连接角焊缝，大部分应力集中发生在焊缝起焊缝，大部分应力集中发生在焊缝起弧弧熄弧位置上。有两种几何上的缺熄弧位置上。有两种几何上的缺口，一是弧坑使焊缝在纵向断面上产口，一是弧坑使焊缝在纵向断面上产生一个显著的变化，见图生一个显著的变化，见图5-18；另；另一种是在熄弧与起弧焊道之间焊根处一种是在熄弧与起弧焊道之间焊根处未完全熔化、由包住的夹渣造成的缺未完全熔化、由包住的夹渣造成的缺口。试验结果得出，在口。试验结果得出，在2106次循次循环下，手工焊组拼梁的疲劳强度在环下，手工焊组拼梁的疲劳强
36、度在133MPa165MPa范围内。范围内。图图5-18 5-18 换焊条的弧坑裂纹换焊条的弧坑裂纹 为了改善疲劳强度，有两种办法：第一种办法是为了改善疲劳强度，有两种办法：第一种办法是开坡口、使焊缝熔透整个腹板，试验结果表明，在开坡口、使焊缝熔透整个腹板，试验结果表明，在2106次循环时，其疲劳强度可提高次循环时，其疲劳强度可提高147MPa200MPa。第二种办法是采用自动焊工艺，可以避。第二种办法是采用自动焊工艺，可以避免起弧免起弧熄弧位置出现缺陷，试验结果为熄弧位置出现缺陷，试验结果为2106次次循环时其疲劳强度达到循环时其疲劳强度达到150MPa185MPa。610q 腹板加强筋细节
37、的影响腹板加强筋细节的影响 图图5-19中示出了腹中示出了腹板加强筋不同的细节设计。板加强筋不同的细节设计。其中，其中，B型细节把加强筋型细节把加强筋焊到受拉翼缘（下翼板）焊到受拉翼缘（下翼板）上，此时疲劳破坏发生在上，此时疲劳破坏发生在翼缘上。试验结果表明，翼缘上。试验结果表明，在在2106次循环时，疲次循环时，疲劳强度为劳强度为100MPa。图图5-19 5-19 腹板加强筋细节腹板加强筋细节 图图5-19中其它六种细节是把加强筋焊到腹板中其它六种细节是把加强筋焊到腹板上，或是焊到腹板和受压翼缘上。这些细节设计的上，或是焊到腹板和受压翼缘上。这些细节设计的试件都在腹板中破坏，裂纹从一条或多
38、条加强筋与试件都在腹板中破坏，裂纹从一条或多条加强筋与腹板间的焊缝端部开始，所有细节的试验结果都落腹板间的焊缝端部开始，所有细节的试验结果都落在相同的分散带内，在在相同的分散带内，在2 106次循环时，加强筋次循环时，加强筋板倒角的疲劳强度约为板倒角的疲劳强度约为116MPa，不倒角的都为，不倒角的都为100MPa。q拼接接头细节的影响拼接接头细节的影响图图5-20中列出了几种拼接接头细节中列出了几种拼接接头细节 图图5-20 5-20 几种拼接接头细节几种拼接接头细节2106次ABC120145178型式拼接接头疲劳强度（MPa）型式拼接接头疲劳强度（MPa）2106次134159159DE
39、F 一般，没有边孔的拼一般，没有边孔的拼接接头，大部分破坏发生接接头，大部分破坏发生在焊趾上，或者在焊缝缺在焊趾上，或者在焊缝缺陷处，当有边孔时，在角陷处，当有边孔时，在角焊缝端部或边孔周围的那焊缝端部或边孔周围的那些小缺口上，应力集中导些小缺口上，应力集中导致低的疲劳强度，见图致低的疲劳强度，见图5-21。图图5-215-21在腹板三角边孔顶点产生在腹板三角边孔顶点产生严重的应力集中严重的应力集中q翼缘盖板细节的影响翼缘盖板细节的影响 图图5-22中列出了几种翼缘盖板端部细中列出了几种翼缘盖板端部细节及其疲劳强度节及其疲劳强度 图图5-22 5-22 几种翼缘盖板端部细节几种翼缘盖板端部细节
40、ABC797980型式盖板端部细节疲劳强度（MPa）2106次DEF型式盖板端部细节疲劳强度（MPa）2106次83(77)9356G1005.5 5.5 改善焊接结构疲劳强度的工艺措施改善焊接结构疲劳强度的工艺措施 q修整焊缝修整焊缝 （一）局部机加工（打磨法）（一）局部机加工（打磨法）1对焊缝进行局部机加工有利于提高对焊缝进行局部机加工有利于提高疲劳强度。疲劳强度。将焊缝余高机加工平滑，疲劳强度能增将焊缝余高机加工平滑，疲劳强度能增加到几乎和母材金属一样。加到几乎和母材金属一样。2角接接头一般采用砂轮或磨盘小心地打磨，角接接头一般采用砂轮或磨盘小心地打磨，达到高质量的光滑程度。达到高质量的
41、光滑程度。打磨时需要像图打磨时需要像图5-23中中B那样，深入到板材表面下（下凹那样，深入到板材表面下（下凹0.5mm左右），左右），排除焊趾缺陷，其疲劳强度可提高排除焊趾缺陷，其疲劳强度可提高70%左右；若左右；若象象A这种磨削，疲劳强度增量只有这种磨削，疲劳强度增量只有30%左右。左右。图图5-23 5-23 打磨焊趾缺陷打磨焊趾缺陷AB 3不承载角焊缝的两端磨削成下凹形，试验不承载角焊缝的两端磨削成下凹形，试验证明，其疲劳强度也能改善证明，其疲劳强度也能改善70%左右；在两端焊左右；在两端焊趾处轻微磨削，疲劳强度增量也只有趾处轻微磨削，疲劳强度增量也只有30%左右。左右。4对于附连板纵向
42、对接焊缝端部的机加工处对于附连板纵向对接焊缝端部的机加工处理也有两种方法，见图理也有两种方法，见图5-24。图图524 一种是把尖角加工成一个合适的圆角；另一种方一种是把尖角加工成一个合适的圆角；另一种方法则是在附连板的端点各钻一个孔。疲劳强度改善法则是在附连板的端点各钻一个孔。疲劳强度改善的效果见表的效果见表5-7。原疲劳强度原疲劳强度（MPaMPa）两端磨成圆角两端磨成圆角两端钻孔两端钻孔半径半径r(mm)r(mm)疲劳强度疲劳强度（MPaMPa）改善程改善程度（度（%）孔径（孔径（mmmm）疲劳强度疲劳强度（MPaMPa）改善程改善程度（度（%）868612121001001616797
43、9505010810837372020117117505071711010128128808059595 588885050表表5-7 焊缝端部机加工改善疲劳强度的试验结果焊缝端部机加工改善疲劳强度的试验结果q TIG（钨极惰性气体保护焊）修整（钨极惰性气体保护焊）修整 TIG修整就是沿着焊缝焊趾再熔化，它不修整就是沿着焊缝焊趾再熔化，它不仅可使焊缝与母材之间平滑过渡、改善焊趾仅可使焊缝与母材之间平滑过渡、改善焊趾外形，并且消除了熔渣楔块，从而提高接头外形，并且消除了熔渣楔块，从而提高接头的疲劳强度。的疲劳强度。最适合处理与应力方向垂直的横向焊缝，试最适合处理与应力方向垂直的横向焊缝，试验证明
44、，疲劳强度增加验证明，疲劳强度增加2575%。q 焊缝表面的硬化处理焊缝表面的硬化处理 采用喷丸或用锤头撞击焊缝表明或焊趾采用喷丸或用锤头撞击焊缝表明或焊趾处：消除焊趾处处：消除焊趾处0.5mm以下的咬边等缺以下的咬边等缺陷；加大焊趾处圆弧半径，缓和几何形状陷；加大焊趾处圆弧半径，缓和几何形状突变引起的应力集中；预制表面残余压应突变引起的应力集中；预制表面残余压应力。研究表明：喷丸硬化可以得到力。研究表明：喷丸硬化可以得到0.4mm左右的硬化层和残余压应力左右的硬化层和残余压应力，疲劳强度改疲劳强度改善量为善量为3337%。q塑料涂层（预防大气腐蚀）塑料涂层（预防大气腐蚀）用塑料涂层来提高疲劳
45、强度的方法是比较新的方法。用塑料涂层来提高疲劳强度的方法是比较新的方法。塑料涂层的作用，主要是由于塑料里的碳链与金属塑料涂层的作用，主要是由于塑料里的碳链与金属表面相互作用，有防腐作用，延长裂纹的萌生寿命。表面相互作用，有防腐作用，延长裂纹的萌生寿命。目前，塑料涂层尚未进入工程实用。目前，塑料涂层尚未进入工程实用。疲劳裂纹实例分析疲劳裂纹实例分析 一、弹簧托梁疲劳裂纹分析一、弹簧托梁疲劳裂纹分析 1弹簧托梁的结构弹簧托梁的结构（见图（见图1）为防止摇枕与弹簧托梁发生相对运动，在弹簧托梁为防止摇枕与弹簧托梁发生相对运动，在弹簧托梁上设有横向拉杆座，通过横向拉杆与摇枕连接。上设有横向拉杆座，通过横
46、向拉杆与摇枕连接。图图1 摇动台结构摇动台结构1摇枕吊座；摇枕吊座；2摇枕；摇枕；3空簧或钢簧；空簧或钢簧；4弹簧托梁；弹簧托梁；5横向拉杆；横向拉杆；6横向拉杆座横向拉杆座弹簧托梁的结构示于图弹簧托梁的结构示于图2中中 母材 焊缝 焊缝 焊缝 焊缝 图图 2 图图3中示出了横向拉杆座结构，它由隔板、一块外中示出了横向拉杆座结构，它由隔板、一块外侧筋板和两块内侧小筋板构成。侧筋板和两块内侧小筋板构成。图图3 2疲劳裂纹情况疲劳裂纹情况 该车该车2004年年6月月9月投入运用后，月投入运用后，经过一年多于经过一年多于2005年年11月月9日在小筋板与日在小筋板与弹簧托梁立板连接焊缝端头发现一起疲
47、劳裂弹簧托梁立板连接焊缝端头发现一起疲劳裂纹，纹，12月初在小筋板部位又发现月初在小筋板部位又发现3起裂纹，起裂纹，见图见图4所示，图所示，图5为裂纹部位放大图。为裂纹部位放大图。图图4 裂纹照片图裂纹照片图图图5 裂纹部位放大图裂纹部位放大图 3裂纹原因分析裂纹原因分析 出现疲劳裂纹的小筋板纵向角焊缝端头是疲劳强度薄弱部出现疲劳裂纹的小筋板纵向角焊缝端头是疲劳强度薄弱部位；从裂纹照片看，该部位的焊接质量也比较差。这两点可位；从裂纹照片看，该部位的焊接质量也比较差。这两点可能就是引起疲劳裂纹的主要原因。能就是引起疲劳裂纹的主要原因。针对这个原因的处理措施：对各筋板端部焊缝进行打磨处针对这个原因
48、的处理措施：对各筋板端部焊缝进行打磨处理，使焊缝与母材圆滑过渡，并探伤检查无裂纹。打磨部位理，使焊缝与母材圆滑过渡，并探伤检查无裂纹。打磨部位和要求见图和要求见图6所示。所示。图图6 各筋板端部焊缝打磨处理各筋板端部焊缝打磨处理 弹簧托梁的载荷分析（参见图弹簧托梁的载荷分析（参见图1）横向力：横向拉杆座部位；横向力：横向拉杆座部位；扭转力：如果四根吊杆与弹簧托梁连接部的高度不扭转力：如果四根吊杆与弹簧托梁连接部的高度不一致，特别是对角位置存在高度差时，转向架运行中弹簧一致，特别是对角位置存在高度差时，转向架运行中弹簧托梁将受到交变扭转载荷的作用。托梁将受到交变扭转载荷的作用。采用有限元方法计算
49、弹簧托梁上的应力状态。计采用有限元方法计算弹簧托梁上的应力状态。计算中假设横向力为算中假设横向力为20KN；在吊杆的四个连结点处施加；在吊杆的四个连结点处施加10KN力产生扭矩。力产生扭矩。经计算得出原结构弹簧托梁上的应力分布，见图经计算得出原结构弹簧托梁上的应力分布，见图7。图图7 原方案扭矩横向力作用下应力云图原方案扭矩横向力作用下应力云图 由图可见，最由图可见，最大应力出现在两个大应力出现在两个内侧小筋板纵向角内侧小筋板纵向角焊缝端头处，而该焊缝端头处，而该处是疲劳强度薄弱处是疲劳强度薄弱部位，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，因此产生了早期疲因此产生了早期疲劳裂
50、纹。劳裂纹。4确定横向拉杆座改造方案确定横向拉杆座改造方案 根据对裂纹原因的分析、计算结果，提出根据对裂纹原因的分析、计算结果，提出三个改造方案。三个改造方案。改造方案一：改造方案一：取消内侧两个小筋板（先切割去除，再打取消内侧两个小筋板（先切割去除，再打磨、探伤），在槽钢内加两个小立板。小立板磨、探伤），在槽钢内加两个小立板。小立板内侧面距离内侧面距离140mm，小立板长、高均为，小立板长、高均为90mm，单侧坡口，如图，单侧坡口，如图8所示：所示：图图8 改造方案一改造方案一改造方案一有限元计算结果示于图改造方案一有限元计算结果示于图9。图图9 扭转横向力下横向拉杆座部位应力云图扭转横向力
