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太原理工大学硕士研究生学位论文 工程结构材料焊接接头疲劳性能的对比研究 摘要 进入二十一世纪，人类对新材料的要求越来越高，对环境的保护意 识也越来越强烈，因此对于一种新材料能否满足结构设计和环境的要求 成了人们普遍关心的问题。而对承受动载荷的结构件来说，疲劳性能是 必须考虑的因素之一。本文对两种新材料的疲劳性能进行了研究，即 w e l d o x 9 6 0 高强钢和镁合金a z 31 b 。基于对这两种新材料的深入认识， 我们又对常用的q 2 3 5 b 、铝合金5 a 0 6 分别和w e l d o x 9 6 0 高强钢、镁 合金a z 3 1 b 的疲劳性能进行了对比研究。 我们研究了q 2 3 5 b 的对接接头、横向十字接头、纵向十字接头和侧 面连接接头等四种焊接接头的疲劳性能，试验结果表明：在2 x1 0 6 循环 次数下，对接接头的疲劳强度为1 5 7 8 m p a ，横向十字接头的疲劳强度为 1 6 4 8mp a ，纵向十字接头的疲劳强度为l1 8 3 m p a ，侧面连接接头的疲 劳强度为1 1 3 0 m p a 。四种接头的疲劳强度均达到国际焊接学会规定的标 准。 研究了w e l d o x 9 6 0 高强钢的对接接头、横向十字接头和纵向十字 接头等三种焊接接头的疲劳性能，试验结果表明：在2 x1 0 6 循环次数下， 对接接头的疲劳强度为1 8 2 0 m p a ，横向十字接头的疲劳强度为1 4 7 9 御a ，纵向十字接头的疲劳强度为1 3 2 4 m p a 。三种接头的疲劳强度均达 到国际焊接学会规定的标准。 研究了铝合金5 a 0 6 的母材、对接接头、横向十字接头、纵向十字 接头和侧面连接接头等五种试样型式的疲劳性能，试验结果表明：在2 1 0 6 循环次数下，母材的疲劳强度为9 9 9 7 m p a ，对接接头的疲劳强度 为7 0 9 6 m p a ，横向十字接头的疲劳强度为5 7 4 8m p a ，纵向十字接头的 疲劳强度为4 1 8 0 m p a ，侧面连接接头的疲劳强度为4 8 2 0 m p a 。四种焊 接接头接头的疲劳强度基本达到国际焊接学会规定的标准。 研究了镁合金a z 3 l b 的母材、对接接头、横向十字接头、纵向十字 接头和侧面连接接头等五种试样型式的疲劳性能，试验结果表明：在2 x1 0 6 循环次数下，母材的疲劳强度为6 6 7 2 m p a ，对接接头的疲劳强度 太原理工大学硕士研究生学位论文 为3 9 0 0 m p a ，横向十字接头的疲劳强度为2 4 3 8m p a ，纵向十字接头的 疲劳强度为3 2 1 8 m p a ，侧面连接接头的疲劳强度为2 4 4 0 m p a 。四种焊 接接头接头的疲劳强度均达不到国际焊接学会针对铝合金焊接接头的标 准。 我们分别对q 2 3 5 b 和w e l d o x 9 6 0 、铝合金5 a 0 6 和镁合金a z 3 1 b 的疲劳性能进行了对比。结果表明：w e l d o x 9 6 0 焊接接头的疲劳性能 总体上比q 2 3 5 b 的疲劳性能要好，铝合金5 a 0 6 焊接接头的疲劳性能均 比镁合金a z 31 b 的疲劳性能要好。 采用扫描电子显微镜( s e m ) 分别对铝合金和镁合金焊接接头的疲 劳断口形貌特征进行了观察。结果显示：铝合金断口中有明显的疲劳辉 纹，在局部区域内有大量的韧窝和二次裂纹，也可以发现细小的解理台 阶，说明铝合金焊接接头的疲劳断裂时一种准解理机制的脆性断裂；而 镁合金焊接接头断口中没有连续、清晰的疲劳条纹，大部分区域都是由 细小密集的解理台阶、扇形花样、河流状花样组成，在断口的很多地方 都可以看到大小不一的二次裂纹，说明镁合金焊接接头的疲劳断裂是一 种解理机制的脆性断裂。 关键词：q 2 3 5 b ，w e l d o x 9 6 0 ，铝合金5 a 0 6 ，镁合金a z 3 1 b ， 焊接接头，疲劳评定 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o n t r a s ts t u d yo ni i ! a ，r i g u ep e r f o r m a n c e o fe n g i n e e i u n gs t r u c t u r em a t e r i a lw e l d e d j o i n t a bs t r a c t t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h ef o u re n g i n e e r i n gs t r u c t u r em a t e r i a l s q 2 35 b ，t h eh i g h s t r e n g t hs t e e lw e l d o x 9 6 0 ，5 a 0 6a l u m i n u ma l l o ya n d a z 31bm a g n e s i u ma l l o yi ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea s s e s s e d b yt h em e t h o do ft h en o m i n a ls t r e s s ；s o m ep a r a m e t e r sc o n c e r n e dt ot h e f a t i g u es t r e n g t hw e r er e c e i v e d c o m p a r e dt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h i s f o u rm e t a l s ，s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sw e r ef o u n d t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ff o u rw e l d e dj o i n t so fq 2 3 5 b b u t t j o i n t ， t r a n s v e r s ec r o s s j o i n t ，l o n g i t u d i n a lc r o s sj o i n ta n ds i d e - w e l dj o i n tw a ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h eb u t tjo i n t ， t r a n s v e r s ec r o s sj o i n t ，l o n g i t u d i n a lc r o s sj o i n ta n ds i d e w e l dj o i n tw a s r e s p e c t i v e l y1 5 7 8 m p a ，1 6 4 8 m p a ，11 8 3 m p aa n d11 3 0 m p au n d e rt h ec y c l e n u m b e ro ft h e2x10 6 t h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h e f o u rjo i n t sr e a c h e dt h e c r i t e r i ao ft h ei n t e r n a t i o n a lw e l d i n gi n s t i t u t e t h e f a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h r e ew e l d e djo i n t so fw e l d o x 9 6 0 一b u t t jo i n t ，t r a n s v e r s ec r o s sjo i n ta n dl o n g i t u d i n a lc r o s sjo i n tw a ss t u d i e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t t h ef a t i g u e s t r e n g t h o ft h eb u t tjo i n t ， t r a n s v e r s ec r o s s j o i n t ，l o n g i t u d i n a l c r o s sj o i n ta n ds i d e w e l dj o i n tw a s r e s p e c t i v e l y1 9 2 0m p a ，1 4 7 9 m p aa n d1 3 2 4 m p au n d e rt h ec y c l en u m b e ro f t h e2 x10 6 t h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h et h r e ej o i n t sr e a c h e dt h ec r i t e r i ao ft h e i n t e r n a t i o n a lw e l d i n gi n s t i t u t e t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ff i v es p e c i m e n so f5 a 0 6 一b a s em e t a l ，b u t t jo i n t ，t r a n s v e r s ec r o s sjo i n t ，l o n g i t u d i n a lc r o s sjo i n ta n ds i d e w e l djo i n tw a s s t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h eb a s e m e t a l ，b u t tj o i n t ，t r a n s v e r s ec r o s sj o i n t , l o n g i t u d i n a lc r o s sj o i n ta n ds i d e w e l d i n 太原理工大学硕士研究生学位论文 i o i n tw a sr e s p e c t i v e l y9 9 9 7 a ，7 0 9 6 a ，5 7 4 8 m p a ，41 8 0 a a n d 4 8 2 0 m p au n d e rt h ec y c l en u m b e ro ft h e2 1o b t h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h e f o u rio i n t sr e a c h e dt h ec r i t e r i ao ft h ei n t e m a t i o n a lw e l d i n gi n s t i t u t e t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ff i v es p e c i m e n so fa z 3lb - b a s em e t a l ，b u t t j o i n t ，t r a n s v e r s ec r o s sj o i n t ，l o n g i t u d i n a lc r o s sj o i n ta n ds i d e w e l dj o i n tw a s s t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h eb a s e m e t a l ，b u t tjo i n t ，t r a n s v e r s ec r o s sjo i n t ，l o n g i t u d i n a lc r o s sjo i n ta n ds i d e w e l d j o i n tw a sr e s p e c t i v e l y6 6 7 2 御a ，3 9 0 0 a ，2 4 3 8 a ，3 2 18 aa n d 2 4 4 0m p au n d e rt h ec y c l en u m b e ro ft h e2 x 10 0 t h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h e f o u rio i n t sd i dn o tr e a c ht h ec r i t e r i ao ft h ei n t e r n a t i o n a lw e l d i n gi n s t i t u t eo f a l u m i n u ma l l o y 1 1 1 e f a t i g u ep e r f o r m a n c e o ft h eq 2 35 b ，t h eh i g h - s t r e n g t hs t e e l w e l d o x 9 6 0 ，5 a 0 6a l u m i n u ma l l o ya n da z 3 1bm a g n e s i u ma l l o yw a s c o n t r a s t e d t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h ew e l d o x 9 6 0w e l d e dj o i n t sw a s b e t t e rt h a nt h eq 2 3 5 b ；a n dt h e5 a 0 6w a sb e t t e rt 1 1 a nt h ea z 31 b t h ef a t i g u ef r a c t u r ea p p e a r a n c eo ft h ew e l d e djo i n t so ft h ea l u m i n u m a l l o ya n dt h em a g n e s i u ma l l o yw a so b s e r v e db yt h es c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e 1 1 1 ef a t i g u eb r i g h tr i p p l ew a sc l e a r l yf o u n di nt h ef r a c t u r ef a c eo f t h ea l u m i n u ma l l o y t h e r ew e r el o r so fd i m p l e sa n ds e c o n d a r yc r a c k si nt h e p a r t i a la r e a ，a n dt h ef i n ec l e a v a g es t e p sw e r ef o u n d s ot l l ef a t i g u er u p t u r e o f t h ea l u m i n u ma l l o yw e l d e djo i n t sw a saq u a s i c l e a v a g ep a t t e mo ft h eb r i t t l e r u p t u r e b u tt h e r ew e r en oc o n t i n u a la n dc l e a rf a t i g u es t r i p e si nt h ef r a c t u r e f a c eo ft h em a g n e s i u ma l l o yw e l d e dj o i n t s m o s t l ya r e a sw e r ef o r m e do ft h e f i n ea n dd e n s ec l e a v a g es t e p s ，f a n - s h a p e dd e s i g n sa n df l u v i a ld e s i g n s a n d t h e r ew e r ed i f f e r e n ts i z eo ft h es e c o n d a r yc r a c k si nt h ef r a c t u r ef a c e t h e r e f o r e ，t h ef a t i g u er u p t u r eo ft h em a g n e s i u ma l l o yw e l d e djo i n t sw a sa c l e a v a g ep a t t e r no ft h eb r i t t l er u p t u r e k e y w o r d s ：q 2 3 5 b ，w e l d o x 9 6 0 ，5 a 0 6 ，a z 31 b ，w e l d e d j o i n t s ， f a t i g u ep e r f o r m a n c e i v 声n 廿i ：i f i 户口 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的 指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：套嗜司日期：以刃锣乡刁 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规 定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交论文的原 件与复印；学校可以采用影印、缩印或其它复制并保存学位 论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术 交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：哟泵 导师签名：亚嗡以j e l 凝：椭。多t 1 日期：驯n 夕 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 疲劳断裂是焊接金属结构失效的一种主要形式，它发生在承受交变或波动应变 的构件中，一般说来对应于破坏时的最大应力要低于材料的抗拉强度，甚至低于材 料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂【l 】。据资料统计，由疲劳 裂纹引起的焊接结构失效断裂事故占总断裂事故的7 0 - - 8 0 以上，约有5 0 - - 9 0 的 机械结构的破坏属于疲劳破坏1 2 一】。 焊接结构疲劳失效的主要原因有以下几个方面【4 】：( 1 ) 焊接接头的静载承受能力 一般不低于母材，在承受交变载荷时，其承受能力却远远低于母材，而且与焊接接 头类型和焊接结构型式有密切关系，这是引起一些焊接结构过早疲劳失效的一个主 要因素。( 2 ) 早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，以至 于出现了许多现在看来不合理的焊接接头。( 3 ) 工程技术人员对焊接结构抗疲劳性能 的特点了解不够，设计的焊接结构往往照搬其他金属结构的疲劳设计准则和型式。( 4 ) 焊接结构日益广泛，在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本和轻量化，导 致焊接结构的设计载荷越来越大。( 5 ) 焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊 接结构承受动载能力的要求越来越高，而焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞 后【5 】o 由于疲劳破坏引起的焊接结构的失效一般都是灾难性的，会给社会和家庭带来 巨大的损失和痛苦【扣1 3 】。因此，了解焊接结构疲劳强度的特点，正确设计焊接结构， 采用更合理的评定方法，研究焊接结构的疲劳性能对确保焊接结构的安全性是至关 重要的。 随着社会的进步、发展和工程结构的需要，越来越多的新钢种和新材料不断运 用到焊接结构中来，并逐步扩大着应用的范围和条件。这其中就包括w e l d o x 9 6 0 高强钢、铝合金5 a 0 6 和镁合金a z 3 1 b 。 w e l d o x 9 6 0 属于低合金高强结构钢，是s s a bo x e l o s u n d 公司w e l d o x 系列产品。该钢主要是通过调整钢中碳及合金元素的质量分数并配以适当的热处理 来实现强韧性的。作为新一代钢种，w e l d o x 9 6 0 高强钢以其优良的性能，如细晶 粒、超洁净度、高均匀性、高强度、高韧性和良好综合性能等满足了焊接结构多方 面的要求，并在舰船、工程机械、石油管线、锅炉及压力容器、桥梁、汽车、火车、 发电设备等领域得到了广泛的应用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 铝合金5 a 0 6 是具有优良性能的轻型结构材料，密度小，强度高，具有良好的塑 性和耐蚀性，且可以进行热处理强化，因此，广泛应用于制造各种高强度的轻型结 构。目前，该铝合金焊接结构广泛应用于航天、航空和交通运输等工业。 镁合金是目前国内外重新认识并积极开发的一种轻量化材料，它具有高的比强 度【1 4 1 ，优良的阻尼性能【1 5 】，好的铸造性能1 6 1 ，优良的机械力n - r _ 性能【1 7 】，好的电磁屏 蔽性能【1 8 】，而且还易实现循环使用1 1 9 】。但是镁合金在高温下的强度、疲劳和抗蠕变 性能较差【2 0 l ；镁合金的表面性能较低，导致低硬度、低耐磨性、较差的抗蚀性、大 的凝固收缩【2 1 】；镁合金在熔融态会有强烈的化学反应。这些成为影响镁合金广泛应 用的不利因素。 这些焊接结构中往往承受疲劳载荷且其主要失效形式为疲劳破坏。由于焊接结 构的固有特点集中体现在焊接接头区，故而可以认为焊接结构的疲劳实际上就是焊 接接头的疲劳瞄】。目前w e l d o x 9 6 0 高强钢、镁合金与铝合金焊接接头疲劳强度方 面的数据还不是很充分，尤其是镁合金，对其疲劳强度的研究还处于起步阶段。因 此，准确研究这些焊接接头的疲劳性能，具有十分重要的社会意义和经济意义。 1 2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素 1 2 1 应力集中对疲劳强度的影响 可以认为结构形状的弯曲或不连续，形状失去均匀性是应力集中的起因。一些 焊接结构的疲劳裂纹一般从结构的局部应力集中处开始，结构元件设计不佳，接头 型式不合理和焊接缺陷是应力集中的根源【l 刀j 。 1 2 1 1 由结构元件引起的应力集中的影响 焊接结构设计中，良好的设计可以带来不可估量的益处：而设计方案不佳，特 别是圆孔、凹口、圆角及加强筋等遍及整个结构的应力集中因素，可导致结构过早 地发生各类失效，包括疲劳失效。 1 2 1 2 由接头型式引起的应力集中的影响 i , 2 4 , 2 5 】 焊接接头的基本型式有：对接接头、十字接头、t 型接头和搭接接头，在接头部 位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。 对接接头因其力线受到的干扰较小，故而应力集中系数较小，其疲劳强度也将 高于其他接头型式，是一般设计中优先考虑采用的接头型式。具有余高的对接接头， 应力集中主要发生在焊趾处。具有永久垫板的对接接头由于垫板处形成严重的应力 集中，降低了接头的疲劳强度，疲劳裂纹一般从焊缝和垫板的结合处产生，其疲劳 强度与不带垫板的最差外形对接接头的疲劳强度相等。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 十字接头或t 型接头由于焊缝向基本金属过渡处具有明显的截面变化，其应力 集中系数要比对接接头的应力集中系数高一些，因此十字或t 型接头的疲劳强度要 低于对接接头。对未开坡口的用角焊缝连接的接头，和局部熔透焊缝的开坡口接头， 当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂可能发生在两个薄弱环节，即焊趾部位和焊缝 上；对于开坡口焊透的接头，断裂一般只发生在焊趾处；焊缝不承受工作应力的十 字或t 型接头的疲劳强度主要取决于焊缝与主要受力板交界处的应力集中。提高十 字或t 型接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接，并加工焊缝过渡处使之圆滑过渡。 搭接接头由于力线受到了严重的扭曲，疲劳强度很低。采用所谓“加强”盖板的 对接接头是极不合理的，由于加大了应力集中的影响，采用盖板后，原来疲劳强度 较高的对接接头被大大削弱了。对于承力盖板接头，疲劳裂纹可能发生在母材，也 可能发生在焊缝。 1 2 1 3 由焊缝形状引起的应力集中的影响 1 , 2 6 - - 2 8 焊缝的基本形式有：对接焊缝和角焊缝。对接焊缝形状( 见图1 1 ) 焊趾区过渡 角9 和过渡半径p 对焊接接头的疲劳强度具有重要影响。当焊缝宽度形和高度日变 化，但剧形保持不变，即过渡角0 恒定时，疲劳强度不发生变化；但如果焊缝宽度 形保持不变，变化高度风则发现焊缝高度日增加，接头疲劳强度降低，这显然是 过渡角口增加的结果。因此，随着过渡角目的增加，应力集中增加，疲劳强度降低。 而随着p 的增加( 过渡角p 保持不变) ，应力集中减小，疲劳强度增加。 图l - 1 对接接头几何形状参数 f i g 1 - 1g e o m e t r yp a r a m e t e r so f b u t t j o i n t 角焊缝形状对接头的疲劳强度也有较大的影响。当单个焊缝的计算厚度a 与板 厚口之比a b o 钏7 时，一般断裂于母材金 属。但是增加焊缝尺寸对提高疲劳强度仅仅在一定范围内有效，因为焊缝尺寸的增 加并不能改变另一薄弱截面即焊趾端部母材金属的强度。 1 2 1 4 由焊接缺陷引起的应力集中的影响 l 2 9 , 3 0 1 焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与缺陷的种类、方向和位置有关。缺陷大体可 太原理工大学硕士研究生学位论文 以分为两类：面状缺陷( 如裂纹、未熔合等) 和体积型缺陷( 气孔、夹渣等) ，它们 的影响程度是不同的。 ( 1 ) 裂纹：焊接接头的焊缝和热影响区都可能有裂纹存在，裂纹尖端是极为严重 的应力集中部位，它会大幅度降低结构或接头的疲劳强度。 ( 2 ) 未焊透：未焊透缺陷有时为表面缺陷( 单面焊缝) ，有时为内部缺陷( 双面 焊缝) ，可以是局部性质的，也可以是整体性质的。其主要影响是削弱截面积和引起 应力集中，对疲劳强度的影响不如裂纹严重，如果存有未焊透缺陷，焊缝根部未焊 透处很可能成为疲劳裂纹起始的位置。 ( 3 ) 未熔合：未熔合往往位于接头焊趾区表面，属于面状缺陷，对焊接接头疲劳 强度的影响程度与未焊透相仿。 ( 4 ) 咬边：咬边常发生在焊趾部位，是一种最为常见的焊接缺陷，对接头疲劳强 度的影响较大。表征咬边的主要参量为：，一咬边长度、五一咬边深度、f 阻咬边宽 度等。其中咬边深度h 是影响疲劳强度的主要参量，目前可用深度h 或深度与板厚 比值( 庇偿) 作为参量评定焊接接头疲劳强度【3 h 引。 ( 5 ) 气孔：h a r r i s o n 对前人的有关试验结果进行了分析总结，认为气孔引起疲劳 强度下降主要是由于气孔减少了截面积尺寸造成的。有一些研究表明，当采用机加 工方法加工试样表面，使气孔处于表面上时，或刚好位于表面下方时，气孔的不利 影响加大，它将作为应力集中源起作用，而成为疲劳裂纹的起裂点。这说明气孔的 位置比其尺寸对接头疲劳强度影响更大，表面或表层下气孔具有最不利的影响。 ( 6 ) 夹渣：夹渣往往位于焊趾区部位，对接头疲劳强度的影响比气孔要大。 1 2 2 焊接残余应力对疲劳强度的影响 焊接残余应力是焊接结构所特有的特征，因此，它对焊接结构疲劳性能的影响 是人们普遍关心的问题。由于实际焊接结构中焊缝及其附近存在达到或接近屈服点 的残余应力，因此在常幅施加应力循环作用的接头中，焊缝附近所承受的实际应力 循环将是由材料的屈服应力( 或接近屈服应力) 向下摆动，而不管其原始作用的循 环特征如何。这在研究焊接接头疲劳强度时是非常重要的，它导致目前大多数焊接 结构疲劳设计规范以应力范围代替了最大应力水平。 残余应力的存在改变了有效平均应力水平，有明显屈服点的材料对平均应力不 敏感，而屈服点不明显的材料则与此相反。当焊接接头裂纹成核区存在拉伸焊接残 余应力时，非淬硬材料和具有高塑性低屈强比淬硬材料接头的疲劳强度不受其影响， 而低塑性高屈强比淬硬材料接头的疲劳强度则由于拉伸残余应力的存在而降低。这 表明焊接残余应力对焊接接头疲劳性能的影响与材料的塑性变形能力密切相关，原 始焊接残余应力只有在疲劳过程中未被松弛而保留下来的部分才能对疲劳过程产生 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 影响【2 2 】。 残余应力的影响还和疲劳载荷的应力循环特性，有关。在循环特性，值较低时影 响较大，在r 值较高时，例如在脉动载荷p = o ) 下，疲劳强度较高，在较高的拉应力 作用下，残余应力较快地得到释放，因此残余应力对疲劳强度的影响就减弱；当， 继续增大到0 3 时，残余应力在载荷的作用下进一步降低，实际对疲劳强度已不起作 用。 1 2 3 材质因素对疲劳强度的影响 ( 1 ) 材料强度的影响：对焊接接头来说，一般认为疲劳强度与材料本身的抗拉强 度没有关系。 ( 2 ) 焊缝金属和热影响区的影响：在平面应力范围内，疲劳裂纹扩展速率 d a d n = c ( a k ) ”的材料常数肌随材料屈服点的增加而降低，而c 随屈服点的增加 而上升，材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但并不大。 ( 3 ) 焊缝金属强度匹配的影响：焊缝金属强度匹配对裂纹扩展速率有一定影响， 高匹配似乎具有较快的裂纹扩展速率。 1 3 名义应力评定方法及要点 名义应力评定方法是运用十分广泛的基本方法。该方法是用简单的公式进行计 算来判断母材受载横截面积上的名义应力( 轴向力除以横截面积，弯距或扭距除以 有关截面模量) 是否小于疲劳断裂时的持久名义应力。名义应力评定方法以“名义应 力”为疲劳控制参数，通过大量试验建立一系列不同焊接接头几何形状、载荷类型的 。孓曲线，据此进行疲劳强度和寿命估测。名义应力方法直接包括了焊接接头局部应 力集中、局部焊缝尺寸偏差、残余应力、冶金状态以及焊接工艺等因素的影响，是 试验和统计经验相结合的方法。 、 目前一些有关疲劳设计和评定的标准多采用以名义应力表征的典型焊接结构件 及接头的疲劳强度。如我国钢结构设计规范g b 1 7 8 8 3 4 1 、欧洲钢结构协会( e u r o p e a n c o n v e n t i o nf o rc o n s t r u c t i o n a ls t e e l w o r k ) 钢结构疲劳设计规范1 3 副、日本钢桥设计规范 和美国铁路桥梁以及高速公路设计规范等。 国际焊接学会( i i w ) 的最新标准【3 6 】规范了结构钢和铝合金焊接接头的名义应力 疲劳强度，分别见图1 2 和图l 一3 所示。 对于钢结构，提供了1 4 条斜率统一取m = 3 0 的一组彼此间平行而等距的p - 曲线以便进行疲劳设计，对于铝合金，则有1 5 条孓i 曲线，其中与焊接接头设计 有关的洲曲线1 2 条。图中出了在2 0 0 万次( 2 e 6 ) 循环次数下特定的疲劳强度，并 将其定为疲劳级别f a t ，同时还出以5 0 0 万次( 5 e 6 ) 循环次数定出的疲劳极限( 拐 太原理工大学硕士研究生学位论文 点) ，它用图上纵坐标的a a 推算( 图中未指出相应值) 。 刚曲线关系式为： n = c a o 用 ( 1 1 ) 该标准所推荐的各部分p 曲线的置信度为7 5 ，存活率为9 5 。 b 昌 j b 品 q l e 6 2 e 6 5 e 6l e 7 l o 酬 图1 2 钢结构名义应力疲劳强度孓曲线 f i g 1 2f a t i g u er e s i s t a n c es - n c u r v e so fn o m i n a ls t r e s s ( s t e e l ) l e 6 2 e 65 e 61 e 7 l o p _ n 图1 3 铝合金名义应力疲劳强度s - n 曲线 f i g 1 - 3f a t i g u er e s i s t a n c es - nc u r v e so fn o m i n a ls t r e s s ( a l u m i n i u m ) 名义应力的评定方法是目前应用最广的一种评定方法，它针对不同的金属、不 同的焊接接头和不同的载荷类型绘出不同的名义应力曲线。国际焊接学会针对钢和 铝合金不同的焊接接头给出了设计标准，但对于镁合金焊接接头则没有相应的标准， 因此研究镁合金焊接接头的疲劳强度设计标准很有现实意义。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 本课题研究的主要内容和技术路线 1 4 1 本课题研究的主要内容 本文分别对q 2 3 5 b 、w e l d o x 9 6 0 、铝合金5 a 0 6 和镁合金a z 3 1 b 等四种金属 焊接接头的疲劳性能进行了研究，分别针对不同的接头进行了名义应力评定，得出 了和疲劳性能有关的各种参数，并对各种断口进行了宏观和扫描电镜分析。具体内 容如下： 1 使用不同的焊接方法制备四种金属的焊接接头试件：用手工电弧焊焊接q 2 3 5 b 的各种接头，用熔化极气保焊( m a g ) 焊接w e l d o x 9 6 0 的各种接头，用钨极氩弧 焊( t i g ) 焊接铝合金5 a 0 6 和镁合金a z 31 b 的各种接头。 2 在高频疲劳试验机上对四种金属的各种焊接接头试件进行试验，q 2 3 5 b 试验 参数为：应力比r = 0 1 ，动载频率v = 1 3 5 - 1 4 5 h z ；w e l d o x 9 6 0 、铝合金5 a 0 6 和镁 合金a z 3 1 b 的试验参数为：应力比都为0 ，动载频率分别为1 3 4 - 1 4 1 h z 、1 1 1 1 1 6 h z 和9 7 9 9 h z 。分别绘制了不同接头的s w 曲线，分析了断口的宏观和扫描电镜照片。 3 分别对q 2 3 5 b 和w e l d o x 9 6 0 、铝合金5 a 0 6 和镁合金a z 3 1 b 这两组金属焊 接接头的疲劳性能进行了对比分析，并用本文特有的疲劳参量疲密比对四种金 属不同的焊接接头进行了对比分析。 1 4 2 本课题研究路线 本文研究的研究路线如图1 4 所示。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 4 研究路线 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章q 2 3 5 b 钢焊接接头的疲劳性能分析 2 1 前言 结构钢q 2 3 5 b 广泛运用于航空、航天、交通运输和建筑等行业中，是工程中常 用的焊接结构用钢，对这种钢种的焊接接头疲劳性能研究也比较成熟，已经形成了 规范。为了研究新材料焊接接头的疲劳性能，我们重新研究了结构钢q 2 3 5 b 焊接接 头的疲劳性能，通过对比，来研究新材料焊接接头疲劳性能的优劣，为新材料的运 用奠定基础。 本章将对这种金属的四种典型的焊接接头的疲劳性能进行研究，即对接接头、 横向十字接头、纵向十字接头和侧面连接接头，其中前两种属于横向焊缝，后两种 属于纵向焊缝。 2 2 试验材料及过程 2 2 1 试验材料 本章中的疲劳试验材料采用厚度为8m l n 的低碳钢板q 2 3 5 b ，它们的化学成分 和力学性能见表2 1 和表2 - 2 ，数据来源于原材料合格证和试验数据。焊接材料采用 低合金高强度钢焊条e 5 0 1 5 ，焊条直径均为4m m ，焊条熔敷金属的化学成分和力学 性能见表2 1 和表2 2 ，e 5 0 15 焊条数据来源于原材料合格证，括号内的数据为标准 值。 表2 1 试验材料的化学成分( w t ) t a b l e2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t e s tm a t e r i a l s ( w t ) 材料 cs im nsp q 2 3 5 b 0 1 l0 3 20 2 l0 0 2 30 0 2 6 e 5 0 1 5 熔敷金属 o 0 50 5 11 2 60 0 1 3 0 0 2 4 表2 - 2 试验材料的力学性能 t a b l e2 - 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft e s tm a t e r i a l s 材料 屈服强度抗拉强度延伸率冲击值 咖2 ，m p a o b m p a 6 5 a b f 】r c q 2 3 5 b 2 6 54 1 52 6| e 5 0 1 5 熔敷金属 4 5 7 仑4 0 0 )5 s 2 ( 4 9 0 )3 3 仑2 2 ) 1 3 7 ，- 3 0 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 疲劳试件的准备 2 2 2 1 对接接头( a 型) 对接接头疲劳试件采用8 m m 厚的q 2 3 5 b 材料钢板。先把钢板火焰切割或剪切 为1 9 0 m m 7 0 m m 的板条，在板条长度方向的中部刨出双v 型坡口。为了防止和减 小疲劳试件焊后出现角变形和错边变形，加工双v 型坡口时在试件两面分别刨削成 坡口角度为9 0 。深度为3 m m 的对称v 型坡口，中部留有厚度为2 r n m 未加工部分， 坡口底部宽度4 m m 。用直流反接电弧焊进行双面焊接，每一面焊接两层，焊接时从 坡口一端起弧到另一端熄弧，避免在焊道中部起弧和熄弧，并在靠近试板边缘的地 方起弧和熄弧。层间温度1 1 0 ，第二层焊接时电弧有所摆动，液态金属应填满坡口 边缘，以防止焊接咬边的产生。焊接工艺参数见表2 3 。 表2 - 3a 型接头焊接工艺参数 t a b l e2 - 3 w e l d i n gp a r a m e t e r so fw e l d e dj o i n t sa 焊条直径焊接电流 焊接电压焊接速度 d m mi 入uns 1 1 1 m m i n 1 第一层4 01 3 52 2 2 42 0 0 第二层4 01 5 52 3 2 51 5 0 试件焊接完成后采用铣床加工试件尺寸，把试件加工成宽度6 0 m m 后，再铣出 试验段宽度为4 0i i l l n 长度7 01 t i i l l 的疲劳试件，注意焊缝两端不要有起弧和熄弧留下 的缺陷。对接接头试件的几何形状和尺寸如图2 1 所示。 图2 1对接接头( a 型) 试件的几何形状和尺寸 f i g 2 一l g e o m e t i c a lc h a r a c t e r i s t i co fw e l d e dj o i n t sa 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 2 横向十字接头( b 型) 横向十字接头疲劳试验采用8 m m 厚的q 2 3 5 b 材料钢板。先把钢板火焰切割或 剪切为1 9 0 m m 7 0 m m 的板条( 用作主板) 和7 0 m m 2 5 m m 小板条( 用作角接板) ， 在主板两侧中间部位横向各焊接一块小板条，焊缝为不开坡口的角焊缝，焊接一层。 为了防止和减小焊接时出现角变形，先在侧面进行定位焊，然后利用手工电弧焊在 主附板两侧交叉进行四道船形焊，分两次进行焊接，中间温度1 1 0 。焊接时从坡口 一端起弧到另一端熄弧，避免在焊道中部起弧和熄弧，并尽可能靠近试板边缘起弧 和熄弧，并注意防止主板上的焊接咬边缺陷。所采用的焊接工艺参数见表2 4 。 表2 4b 型接头焊接工艺参数 t a b l e2 - 4w e l d i n gp a r a m e t e r so fw e l d e dj o i n t sb 焊条直径焊接电流焊接电压焊接速度 d m ml | kuns m m m i n 。1 层 4 01 6 02 4 2 61 3 0 试件焊接完成后采用铣床加工试件尺寸，把试件加工成宽度6 0 m m 后，再加工 成试验段宽度为4 0i n t o 长度7 0m l n 的疲劳试件，注意焊缝两端不要有起弧和熄弧留 下的缺陷。横向十字接头试件的几何形状和尺寸如图2 2 所示。 图2 - 2 横向十字接头( b 型) 试件的几何形状和尺寸 f i g 2 2 g e o m e t i c a lc h a r a c t e r i s t i co fw e l d e dj o i n t sb 2 2 2 3 纵向十字接头( c 型) 纵向十字接头疲劳试验采用8m t n 厚的低碳钢板q 2 3 5 b 和低合金钢板16 m n 。 先把钢板火焰切割或剪切为1 9 0 m m 6 0 m m 的板条( 用作主板) 和5 0 m m 2 0 m m 小 板条( 用作角接板) ，采用铣床在主板上加工试验段尺寸，试验段宽度为4 0 m m ，长 上。t t l l l 上 太原理工大学硕士研究生学位论文 度8 0 m m 。利用直流反接电弧焊在主板两面长度和宽度方向的中部纵向各焊接一块小 板条，焊缝为角焊缝。为了防止和减小焊接时出现变形，先在角接板中部两侧进行 定位焊，然后用手工电弧焊在主板两侧交叉进行焊接，焊接时，首先在角接板一侧 中部起弧围绕角接板端部旋转1 8 0 度后在角接板另一侧中部熄弧，然后在主板另一 侧如法炮制。四道焊缝分两次焊接，中间温度1 1 0 * c 。需要注意的是，由于在疲劳试 验中断裂发生在角接板端部的焊缝或焊趾，因此，焊接时在角接板端部尽可能不要 熄弧和产生咬边缺陷，也尽量保持该处的焊缝几何形状一致，以免影响疲劳试验结 果的准确度。所采用的焊接工艺参数见表2 5 。 表2 - 5c 型接头焊接工艺参数 t a b l e 2 5w e l d i n gp a r a m e t e r so fw e l d e dj o i n t sc 焊条直