（材料加工工程专业论文）铝合金焊接接头疲劳行为局部准则研究.pdf

中文摘要 在汽车、机车、高速船舶和航空航天领域，铝台金在结构中的应用日益广 泛。焊接是工业生产中的主要连接方法，疲劳断裂是焊接接头失效的主要型式。 本文通过焊接接头疲劳试验对铝合金3 a 2 1 和5 0 8 3 焊接接头疲劳性能和相应s - n 曲线进行了分析，计算了对接和不同角接头疲劳强度和曲线参数，分析了不同 接头几何形状和焊趾半径对疲劳强度的影响，并且对不同几何型式的接头以及 铝合金与钢焊接接头疲劳试验结果进行了比较。不同的承载方式和接头几何型 式导致了应力集中；焊趾半径大小决定了应力集中程度，最终影响焊接接头的 疲劳强度。 为了研究焊接接头残余应力对接头疲劳强度的影响，本文采用a n s y s 软件 计算焊接残余应力。首先模拟接头的焊接温度场，在此基础上计算接头残余应 力，并且分析研究了焊接接头尤其是疲劳断裂危险区的残余应力分布特征。结 果表明：对于本文的b 型和d 型接头焊趾处存在较高的残余应力值；其计算结 果与有限元网格划分有一定的关系。 局部法是近年来应用于焊接接头疲劳评定的一种新方法，本文采用铝合金 3 a 2 1 角接焊缝的拉伸疲劳试验结果对d a n gv a n 准则的局部法对于铝合金焊接接 头疲劳评定的有效性进行了研究，用三维有限元方法计算了角焊缝的最大主应 力和铝含金焊接接头的残余应力，并且分析了有限元单元尺寸对局部法评定的 影响。结果表明：适用于钢接头的局部法不适用于铝合金焊接接头，将材料常 数修正为a = 0 5 ，伊5 i m p a 后，评定结果与试验结果想符合。有限元网格尺寸对 局部参数肛。评定有一定影响，当最小单元尺寸小于0 6 5 m m ，单元尺寸对评定结 果的影响较小。 关键词：铝合金，接头型式，s - n 曲线，局部法，疲劳评定，残余应力 a b s t r a c t t h e r ei sg r o w i n gi n t e r e s ti nt h es t r u c t u r a lu s eo fa l u m i n u ma l l o y s ，f o rs u c h a p p l i c a t i o n sa s a u t o m o t i v ea n dr a i l w a yv e h i c l e s ，h i g h - s p e e ds h i p sa n da e r o s p a c e v e h i c l e s w e l d i n gi st h ep r i m a r yj o i n i n gm e t h o da n dw e l d e dj o i n t sc a r le x h i b i tp o o r f a t i g u ep r o p e r t i e s ，s of a t i g u ei sam a j o rd e s i g nc r i t e r i o n i nt h i sp a p e rt h ef a t i g u e r e s i s t a n c ea n ds - nc u r v e so fw e l d e dj o i n t sm a d eb ya l u m i n u ma l l o y3 a 2 1a n d5 0 8 3 a r ei n v e s t i g a t e db a s e d0 1 1t h er e s u l t so ff a t i g u et e s t s t h ep a r a m e t e r so fc u r v e sa n dt h e f a t i g u er e s i s t a n c eo fb u t ta n dg u s s e tw e l d e dj o i n t sa r ec a l c u l a t e d t h ei n f l u e n c eo f t h e j o i n tg e o m e t r yf o rw e l d e dj o i n ta n dt h et o eo fw e l do nf a t i g u er e s i s t a n c ei sd i s c u s s e d a n dt h et e s tr e s u l t so fa l u m i n u ma l l o y sw e l d e dj o i n t sa r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so f s t e e lw e l d e dj o i n t i ti n d i c a t e st h a tt h ed i f f e r e n tl o a d i n ga n dj o i n tg e o m e t r i e sl e a dt o t h ed i f f e r e n c eo fl o c a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o no fw e l d e dj o i n t sa n dt h et o eo fw e l d i n f l u e n c et h ed e g r e eo fl o c a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o ne v i d e n t l ya f f e c t i n gt h ef a t i g u e r e s i s t a n c eo fw e l d e dj o i n t s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sf o r t h ef a t i g u e p e r f o r m a n c eo ft h ew e l d e dj o i n t s ，t h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s si sc a l c u l a t e db yt h e s o f t w a r ea n s y s f i r s t l y ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do fw e l d e dj o i n t si ss i m u l a t e d b a s i n g o nt h er e s u l t ，t h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s si sc a l c u l a t e d ，a tt h es a n l et i m e ，t h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr e s i d u a ls t r e s s ，w h i c hf o rt h ew e l d e dj o i n t se s p e c i a l l y f o rt h ef a t i g u ef r a c t u r ez o n e ，a r es t u d i e d i ti n d i c a t e st h a tt h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s o f t h eba n dd j o i n t si nh e r ei sb j l g h ，a n dt h er e s u l td e p e n d so nt h em i n i m u mf es i z e i nt h et h e o r i e s ，d a n gv a nc r i t e r i o ni sm a i n l yd i s c u s s e d t h el o c a la p p r o a c hi san e w a p p r o a c ho ff a t i g u ee s t i m a t e sf o rw e l d e dj o i n t s t h e v a l i d i t yo ft h el o c a la p p r o a c h e sf o ra l u m i n u ma l l o yw e l d e dj o i n ti si n v e s t i g a t e db y u s i n gt h er e s u l t so ff a t i g u et e s t s o f3 a 2 1g u s s e t - w e l d e dj o i n t s b a s e do nt h e t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fw e l d e dj o i n t s ，t h em a x i m u mp r i n c i i c i a l s t r e s sa n dr e s i d u a ls t r e s sa r ec a l c u l a t e da n dt h ei n f l u e n c eo ft h ee l e m e n ts i z eo f fl o c a l a p p r o a c h e si sd i s c u s s e d i ti ss h o w nt h a tt h el o c a la p p r o a c h e sb a s e dt h es t e e lw e l d e d j o i n t sd o e sn o ta p p l yt oa l u m i n u ma l l o yw e l d e dj o i n t ，s o a f t e ra m e n d i n gt h e m a t e r i a lc o n s t a n t s ，萨o 5 、j b 5 1 m p a ，t h er e s u l t so f a s s e s s m e n ta r ea c c o r d e dw i t ht h e r e s u l t so fe x p e r i m e n t t h ee l e m e n ts i z eh a st h ei n f l u e n c eu p o nt h el o c a lp a r a m e t e r i i ，w h e nt h em i n i m u m s i z eo f t h r e e d i m e n s i o n a le l e m e n ti sl e s st h a n0 6 5 m mt h e n u m e r i c a lr e s u l t sh a ss m a l l e ri n f l u e n c e0 1 1t h ef a t i g u ee s t i m a t e s ， k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y s ，j o i n tg e o m e t r y ，s - nc u r v e - l o c a la p p r o a c h e s ， f a t i g u ea s s e s s m e n t ，r e s i d u a ls t r e s s i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 剃一签名巾嗲一期：年，月义日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者孙鞠萄墨 签字日期：螂年 ，月文日 导师签名：幸脚 签字日期：州童年月，日 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 随着现代工业的发展，铝台金成为机械、航空航天、汽车、机车制造等领 域的常用材料。在惰性气体保护焊接工艺出现之前，铝合金焊接接头的性能并 不可靠。因此，对铝合金材料焊接工艺的采用，特别是在承受交变载荷的结构 中的工艺，主要是在最近几十年才得以发展。随着铝合金在工业领域的应用日 益广泛，特别是在对于减轻结构重量占主要位置的场合，铝合金接头的疲劳性 能得到越来越多的重视。疲劳强度在某种程度上已经成为结构设计的标准。例 如，公路、机车车辆、船舶、飞行器的制造。而且，随着工业上对于减噪、节 能等需求的增加，尽可能的在制造成本允许的情况下减轻结构重量成为工业领 域的重要课题，铝合金等合金材料的使用必将越来越多。 焊接是铝合金结构的主要的连接方式。文献表明，焊接接头中9 0 n 以上 的失效都是由于疲劳引起的。因此，对于铝合金焊接接头疲劳性能的研究显得 尤为重要。但是，和目前所有的焊接钢试样的资料相比，同铝合金焊接接头疲 劳性能相关的资料和文献相对要少。有关熔焊中铝合金疲劳强度的文章则是在 1 9 4 7 年发表的1 2 , , - 4 1 。 由于疲劳断裂是铝合金焊接接头的主要破破坏形式，因此发展和建立准确的 焊接接头疲劳强度与寿命评定方法一直是国内外工程界关注的问题。为了能够 建立广泛认可的疲劳评定准则，国内外相关研究人对焊接接头进行了一定量的 试验分析工作【5 硼。“名义应力法”就是传统的焊接接头疲劳评定方法，即通过大 量实验建立一系列不同接头型式、载荷类型的s - n 曲线，这种方法所建立的曲 线依赖于焊缝的几何型式以及加载方式等因素，因此存在很大的局限性。“局部 法”是近年来疲劳评定发展的重要方向。“局部法”采用应力集中区域的应立场 作为“局部参量”，建立了具有普遍适用性的局部参量循环次数的s n 曲线， 这样就消除了名义应力法的局限性。 就目前的研究状况来说，铝含金焊接接头相对于钢制接头和铝合会光滑试样 的试验数据相对要少，而且对于如何利用局部法准则对铝合金接头进行评定， 第一章绪论 以及局部法的适用性上，还需要更加广泛和深入的研究。 1 2 铝合金焊接接头的疲劳特征 1 2 1 焊接金属疲劳特征 疲劳断裂是金属接头断裂的一种主要型式，主要发生在承受交变载荷或者 波动载荷的结构中，疲劳断裂一般都是由三个阶段组成【“，即疲劳裂纹的形成； 裂纹扩展；残余截面不能承受残余载荷发生断裂。很多情况下，对应于应变的 最大应力要小于材料的抗拉强度，有时候甚至也小于材料的屈服点。 对于焊接接头，由于其本身固有的特点，产生疲劳裂纹一般要比其它连接型 式的循环次数要小。焊接接头本身存在着大量的应力集中，例如，焊趾处，焊 缝的余高，另外不可避免的存在焊接缺陷( 气孔，夹渣等) ，这些都会降低焊接 接头的疲劳性能。另外，研究表明，焊接接头焊趾处也存在着大量的夹渣，这 些都会增大焊接接头的疲劳缺口效应。大量的因素综合作用，使得焊接接头的 疲劳寿命要低于母材性能。 1 2 2 铝合金焊接接头的疲劳特征 铝合金焊接接头的疲劳特性在很大程度上和钢接头一样，焊接接头的固有 特征都集中体现在焊接接头区域，因此可以认为焊接结构的疲劳实际上是焊接 接头的疲劳【8 】。对于铝合金焊接接头而言，极为重要的参量包括了整个接头以及 焊道的几何参数。对于铝合金材料焊接接头来说，在疲劳方面具有焊接接头的 一般特点，焊接母材的静特性对于接头的疲劳强度似乎没有大的影响，研究 9 j 表明，不同中铝合金材料相同接头的类型的焊接接头的疲劳强度相差不是很大。 1 3 影响铝合金焊接接头疲劳性能的主要因素 1 3 1 应力集中对焊接接头疲劳性能的影响 很多情况下，焊接结构的实际寿命要小于预期寿命，过早的发生失效，根 据研究发现，结构的疲劳裂纹一般会从应力集中处萌生。结构形状的弯曲或不 连续，形状失去均匀性，即结构横截面积的突变，是应力集中的起因。很多焊 第一章绪论 接结构的疲劳裂纹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都会成为应力集中的根源 l 1 0 ，“】。 1 3 1 1 由焊接接头设计不佳引起的应力集中”1 对于焊接结构，需要根据实际的承载情况对结构进行设计，好的设计可以 减小应力集中、残余应力和焊接变形，减少焊接成本，带来极大的益处；而设 计方案不佳，特别是存在孔、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 - 3 1 2 由接头型式引起的应力集中的影响“。“9 。”1 焊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。对于铝合金 焊接接头来说，焊缝的余高对疲劳强度有很大的影响。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。 十字接头和t 型接头属于常见的焊接结构。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，当焊缝传递载荷的时 候，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，并加工焊缝过度处使之圆滑过度。 搭接接头由于力线受到了严重的扭曲，疲劳强度是很低的。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 3 1 3 由焊缝形状引起的应力集中的影响 1 , 8 , 1 3 1 1 5 】 焊缝的基本形式有：对接焊缝和角焊缝。 第一章绪论 对接焊缝形状( 见图1 1 ) 焊趾区过渡角口和过渡半径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，但例矿比值保持不变，即过 渡角口恒定时，疲劳强度不发生变化；但如果焊缝宽度保持不变，变化参量 n 则发现焊缝高度日增加，接头疲劳强度降低，这显然是过渡角铺加的结果。 因此，随着过渡角。的增加，应力集中增加，疲劳强度降低。而随着p 的增加 ( 过渡角躲持不变) ，应力集中减小，疲劳强度增加。 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口 与板厚嚣之比a b o 6 - 4 7 时，一般断裂 于基本金属。但是增加焊缝尺寸对提商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基本金属的强度。 图1 - 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 fb u t tj o i n t 1 3 1 4 由焊接缺陷引起的应力集中的影响“”1 焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与缺陷的种类、方向和位鼍有关。缺陷大 体可以分为两类：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末焊透相仿。 ( 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 第一章绪论 劳强度的影响较大。表征咬边的主要参量为f 一咬边长度、_ i 咬边深度、形一 咬边宽度等。其中咬边深度 是影响疲劳强度的主要参量，目前可用深度矗或 深度与板厚比值( 偿) 作为参量评定焊接接头疲劳强度“。 ( 5 1 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 3 2 焊接残余应力对疲劳强度的影响。1 焊接残余应力是焊接结构所独有的特征，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有达到或接 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影响【2 l 】。 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r 值较低 时影响较大，在r 值较高时，例如在脉动载荷( r = 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o _ 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。 第一章绪论 1 3 3 材质困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。即，母材的静强度和接头疲劳强度没有直接关系。 ( 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 ) 的材料常数柳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 4 焊接接头疲劳强度评定方法及要点【8 l 焊接结构的疲劳强度主要由以下两点决定【1 2 1 ：裂纹萌生过程，它取决于焊缝 的焊趾和焊根处的局部缺口应力状态；裂纹扩展过程，它取决于裂纹( 包括缺 口效应在内) 的局部应力强度因子。焊接构件的最大缺口应力和( 裂纹) 应力 强度因子决定其疲劳强度，疲劳断裂过程中局部最大应力起着主导作用。焊接 接头和焊接结构的疲劳强度分析，目前国际焊接学会( 1 1 w ) 推荐的有4 个不同 层次的方法，即名义应力评定方法、结构应力评定方法，缺口应力评定方法和 断裂力学评定方法。近几年法国焊接研究所又提出了种新的评定方法局 部法。 1 4 1 名义应力评定方法 名义应力评定方法是用的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 s 8 ”、欧洲钢结构协会 ( e u r o p e a n c o n v e n t i o n f o r c o n s t m e f i o n a ls t e e l w o r k ) 钢结构疲劳设计规范m 】、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 ) 笙二童丝望 1 3 3 材质因素对疲劳强度的影响 f 1 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。即，母材的静强度和接头疲劳强度没有直接关系。 ( 2 1 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 ：“k ) ”的材料常数m 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。 f 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屣速率。 1 4 焊接接头疲劳强度评定方法及要点【b 】 焊接结构的疲劳强度主要由以下两点决定【1 2 】：裂纹萌生过程，它取决于焊缝 的焊趾和焊根处的局部缺口应力状态；裂纹扩展过程，它取决于裂纹( 包括缺 口效应在内) 的局部应力强度因子。焊接构件的最大缺口应力和( 裂纹) 应力 强度因子决定其疲劳强度，疲劳断裂过程中局部撮大应力起着主导作用。焊接 接头和焊接结构的疲劳强度分析，目前国际焊接学会( i i w ) 推荐的有4 个不同 层次的方法，即名义应力评定方法、结构应力评定方法，缺口应力评定方法和 断裂力学评定方法。近几年法国焊接研究所又提出了一种新的评定方法局 部法。 1 4 1 名义应力评定方法 名义应力评定方法是用的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袭征的典型焊接结 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 【2 2 1 、欧洲钢结构协会 ( e u r o p e a nc o n v e n t i o nf o rc o n g t m 嘶o n a ls t e e l w o r k ) 钢结构疲劳设计规范j 、日本 钢桥设汁规范和美国铁路桥粱以及高速公路设计规范等。国际焊接学会( 1 l w ) 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 ) 第一章绪论 的最新标准阱1 规范了结构钢和铝合金焊接接头的名义应力疲劳强度。 对于钢结构，提供了1 4 条斜率统一取m = 3 0 的彼此间平行而等距的s - 曲 线以便进行疲劳设计，对于铝合金，则有1 5 条s 曲线，其中与焊接接头设 计有关的s 曲线1 2 条。图卜2 中指出了在2 0 0 万次( 2 e 6 ) 循环次数下的特定 的疲劳强度，并将其定为疲劳级别觑兀同时还示出以5 0 0 万次( 5 e 6 ) 循环次 数定出的疲劳极限( 拐点) ，它用图上纵坐标的o 推算( 图中未示出相应值) 。 f i g 1 2f a t i g u er e s i s t a n c e s - n c u f r o so f n o m i n a ls t r e s s ( s t e e l ) s _ 曲线关系式为： n = c a c r ( 1 1 ) 名义应力的评定方法虽然应用最广，但它存在着一定的局限性：主要是基 于名义应力的s 曲线直接依赖于焊接接头型式和载荷类型等因素，这使得焊 接结构疲劳评定规范十分烦琐，对复杂结构名义应力的定义比较困难。这主要 是因为“名义应力”参数不是一个具有普遍意义的疲劳控制参量，它与具体的 结构细节尺寸等因素直接相关，因而所测量的s 皓线只是一种具体结构细节 的疲劳性能，而不具有适用性。 1 4 2 局部法 1 , 5 7 , 8 3 2 】 局部法的基本原理是：焊接接头的疲劳破坏是从应力集中处的最大应力 处开始的，局部的最大应力事实上起着主导作用。局部循环载荷是疲劳裂纹萌 生和扩展的先决条件，只要局部循环参量相同，就有相同的疲劳性能，这样可 b勺嚣。一 第一章绪论 采用应力集中区域应力场的“局部参量”作为疲劳断裂的控制参量。局部法是 对基于上述思路所建立的疲劳评定方法的概括阱5 2 “。 局部法包括了焊接接头局部焊缝几何细节等因素的影响，能够准确反映焊 接结构疲劳断裂的实际情况。目前已经发展了多种疲劳评定的局部法理论：缺 口应力强度因子法( n s i f ) 2 7 , 2 5 1 、等效应力强度因子法( e s i f ) 2 9 , 3 0 】、临界距 离法( c d m ) 3 t , 3 2 1 、临界面法和梯度体积法 3 3 , 3 4 噜。 法国焊接研究所最近在d a n gv a n 疲劳准则的基础上经过试验提出了一种用 于焊接按头疲劳评定的局部法，本文的局部法就是指的这种方法。关于局部法 的有关详细理论本文将在后面章节中做介绍。 其它有关方法包括缺口应力评定法、断裂力学评定方法，本文这里不做详 细的叙述。 1 5 本文研究的主要内容 本文对铝合金3 a 2 1 和5 0 8 3 横向角焊缝板接头、纵向角焊缝角接板接头、 对接接头和t 型角接接头等四种接头型式进行了局部法疲劳评定。具体的内容 如下： 1 ) 用传统的手工电弧焊制备了铝合金3 a 2 1 和5 0 8 3 四种不同型式的焊接接头， 并对焊后各试样尽心几何尺寸的测量，确定焊缝的几何尺寸、焊趾角度和焊 趾半径等参数，统计分析了这些数据的变化规律。在此基础上对各试样进行 了一系列的疲劳试验，应力比为r = 0 1 ，通过疲劳试验的数据和s - n 曲线， 分析了不同接头类型和材料的铝合金接头的疲劳强度的差异，讨论了不同的 因素对接头疲劳强度的影响。并且，将铝合金接头的疲劳性能和钢接头进行 了比较。 2 ) 依据焊接接头实际测量的尺寸建立三维有限元模型，采用a n s y s 软件焊接 接头的温度场，在温度场计算的基础上计算接头三维残余应立场，讨论了焊 接接头疲劳断裂危险区的残余应力场的分布特征，为用局部法准则进行疲劳 评定提供了基础 3 ) 在考虑了焊接残余应力的基础上，计算了各个焊接接头的最大主应力，从而 计算了焊接接头的局部参量，采用修正后的d a n gv a n 准则进行了疲劳评 定，针对铝台金焊接接头的特点，在本文试验的基础上，对参数进行了重新 修正，使d a n gv a n 准则能够同样适用于铝合金焊接接头。 第二章铝合金焊接接头疲劳性能试验研究 2 1 引言 第二章铝合金焊接接头疲劳性能试验研究 3 a 2 1 是应用最广泛的一类防锈铝合金，而5 0 8 3 不仅具有高强度和韧性，还 保持有高的抗点腐蚀和缝隙腐蚀能力及对应力腐蚀不敏感的优点，是制造高速 铁路机车的常用铝材，并具有良好的焊接性1 3 “。和钢材相比铝合金具有很多优 点，在国民经济中占有极其重要的地位。近年来铝合金焊接结构在汽车、高速 机车、船舶、航空航天领域的应用范围越来越广，其中一些铝合金焊接接头在 使用中承受交变载荷作用，因此国内外开始重视对铝合金焊接结构及其接头疲 劳性能的研究i t , 6 , 8 1 。目前在焊接疲劳强度的研究取得了一定的成果，但是铝合金 焊接接头疲劳疲劳强度方面的数据还不是很充分，一些研究工作的开展还很不 够。为此本章采用不同的接头型式对铝合金的疲劳性能进行了试验研究，并将 其疲劳试验结果进行比较，分析讨论了焊接材料和接头型式对疲劳强度的影响。 2 2 疲劳试验 2 2 1 试验材料 本文选择国产铝合会5 0 8 3 和3 a 2 1 板材，m i g 焊丝选用e r 5 3 5 6 ，t i g 焊焊 丝为h s 3 1 1 2 2 _ 2 试样的制备 采用8 m m 厚的3 a 2 1 板材和1 0 m m 厚的5 0 8 3 板材两种材料制备试样。应力 比r = 0 1 。四种型式的焊接接头：a 型非承载纵向立板十字、b 型非承载横向 立板十字接头、c 型对接接头、d 型角接接头( d 1 立板厚8 m m ，d 2 立板厚1 2 m m ) 。 接头型式如图2 1 、图2 - 1 、图2 3 和图2 4 示。3 a 2 1 合金焊接接头包括了以上 四种接头型式，5 0 8 3 合金试件为对接接头。材料的化学成分及力学往能【3 3 见 表2 1 、表2 2 、表2 3 。 9 兰二三里塑鱼垒堡垫堡苎壅翌堡壁蔓竺翌塞 表2 1 母材与焊丝的化学成分 i h b 2 1c h e m i c a lc o n s t i t u t i o no fb a s em e a la n dw e l d i n gw i r e s s i f e c u m n m g c rz n z rt i a i 3 a 2 io 60 70 210 1 60 0 5 0 10 1 5 余量 5 0 8 30 40 4010 1 i 40 4 ，9 0 0 5 - - 0 2 5 02 501 5 余量 e r 5 3 5 6 o 专5 蠢意0 0 5 o 2 45 5 5 0 0 5 0 2 o 1 一n 0 2 6 珈余置 c ：a y ，( 或) 相关的疲劳极限标准。由于工程中感兴趣 的是与基本体积v 大小相当的裂纹成核的标准，因此疲劳标准应基于基本体积v 内所有已发生塑性流动的晶体累积塑性应变的平均值，或者说是的平均值( 用 第三章焊接接头疲劳行为局部准则的基本理论 乞表示) 。该标准包括了体积v 内个别己发生塑变和产生微裂纹的晶粒。显然垂 直作用于这些微裂纹的正应力会影响疲劳微裂纹的扩展，即影响疲劳强度。 这种影响可通过以n 的平均应力的方式考虑，即所有滑移面上的正应力的平均 值。研究证明，体积v 内的的平均值与静水压力相等。于是提出一个适用 于工程应用的疲劳标准，即：d a n gv a n 准则： 毛+ 口。 其中a 、鼻为材料常数，可由试验确定。 3 3 基于d a n gv a n 准则应用于焊接接头疲劳评定的局部法 3 3 1 焊缝局部疲劳极限 ( 3 1 ) 法国焊接研究所在对角焊缝接头进行拉伸、拉弯( 包括三点弯曲和四点弯曲) 和纯弯载荷疲劳试验并对其结果分析的基础上发现，结构的疲劳极限依赖于局 部危险区( 焊趾和焊根) 的疲劳行为。对焊接结构的疲劳评定，可定义一个局部 疲劳极限标准，它直接考虑焊趾和焊根的局部应力状态。该局部疲劳极限与加 载形式、接头的几何形式均无关。 , z n t 图3 - 1 t 型接头试样形状 f i g 3 - 1d i m e n s i o n so f tj o i n t 3 9 塑三兰塑量量墨壅茎生塑曼墅鲨型塑差查墨堡 表3 - 1t 型接头几何形状参数 t a b 3 - ig e o m e t r ，p a r a m e t e r so f tj o i n t s no，d tf2 口 用见d o p _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 12 03 51 25 5 1 570 18 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 表3 - 2t 型接头理论与试验结果 t a b 3 - 2t h er e s u l t so f tj o i n t 用局部应力幅a g 。，的形式表达疲劳极限，疲劳极眼标准可表示为 ； 7 帖 5 帖 o 0 o 0 o o o o 0 o 6 5 3 5 2 3 3 3 2 ， 。2 ， 协2 2 吣 帖9 坦4 9 8 9 8 ；2 2 2 2 2 2 2 2加加加加如加 2 3 4 5 6 7 8 9 “ 第三章焊接接头疲劳行为局部准则的基本理论 ao-川aoo(，)(j-zj 式中，仃。、为作用于焊缝区域( i ) 的局部应力幅： a c r 。、为试验得出的焊缝区域( i ) 的局部疲劳极限； f i ) 为焊根或焊趾。 大量的试验结果表明，钢制焊接接头焊根和焊趾区的局部疲劳极限在相同 的局部应力幅范围内变化( a c t d “、= 2 6 0 - 3 0 0 m p a ，r = 0 1 ，n = 2 1 0 6 ) 。从安全角 度出发，角焊缝各危险区的局部疲劳极限均取为a c t d “、= 2 6 0 m p a ( r = 0 1 ) 。 图3 1 是一个用局部法预测疲劳裂纹起裂的实例。 表3 ，1 列出了接头的几何形状参数，表3 2 列出了用局部法评定的理论与试 验结果。可以看出，理论评定结果与试验结果完全相符。 3 _ 3 2 不考虑焊接残余应力的局部法 法焊所将d a n gv a n 准则应用于焊接接头的疲劳评定，有以下假设的前提： ( 1 ) 只考虑焊根和焊趾处的局部主应力振幅a o ， ( 2 ) 垂直于危险区表面的局部主应力幅仉为零， ( 3 ) 局部纵向主应力幅仉与a o - ，相比可以忽略。 焊缝局部疲劳极限可以表达为局部最大剪应力幅值钿。和最大静水压力 尸。的函数：f 。+ a p m 。 卢 ( 3 3 ) p m 。= = i o l 。+ 吼。】 f f m x = 互仃l a 式中：c r l 。为局部主应力的平均应力，回。为局部主应力的交变应力半幅( 如 图3 2 所示) ；a 和口为材料常数。一般情况下，对钢制焊接接头， a = 0 6 2 ，伊12 4 5 m p a 。 d a n gv a n 准则用局部最大剪应力幅值。和静载应力p 。分别为纵、横坐 标，当载荷路径达到r + 础k = 卢时，焊缝产生疲劳破坏。 公式( 3 - 3 ) 可用另一种形式表示： a o - l + 詈击蛔= 卢( 3 - 4 ) 将萨o 6 2 ，卢1 2 4 5 m p a 代入( 3 4 ) 式，得： a t t i d o r 了15 0 鬲4 ( 1 - r ) ( 3 - 5 ) 4 1 第三章焊接接头疲劳行为局部准则的基本理论 式中尺为应力比，棚猡为材料参数。 根据公式( 3 - 5 ) 可得到焊接接头危险区( 焊趾或焊根) 在各种应力比下的 局部疲劳极限，即裂纹成核门槛值。 t i m e t s 图3 - 2 局部主应力循环 f i g 3 - 2l o c a lp r i n c i p a ls t r e s sc ) r c i 目 3 3 3 考虑焊接残余应力的局部法 根据残余应力的形成机制，残余应力是多轴的，即使在表面薄强化层下所形 成的残余应力也是双轴的。考虑多轴应力状态的作用，可使用各种不同的判据。 在具有高的平均应力和残余应力时应该使用c r o s s l a n d 和d a n gv a n 判据4 “，其 表达式： r 。+ 耐) 脾。= 式中，五为最大剪应力，户为最大静水压力。 裂纹萌生在表面时，必须考虑双轴应力的作用，上述应力可以写成 只戢= p 1 ，+ 仃2 。+ 仃 。+ 盯2 。+ 盯l ，+ 盯2 ，) 3 f 。= 盯】2 ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) bd蒌62若 式中：吼。、盯：。为主应力的交变应力半幅( 吼。盯2 。) ； 吼。、仃：。，为主应力的平均应力； 吼，、盯：，为在该两方向上测得的稳定的残余应力值。 为了在局部法中考虑焊趾和焊根处残余应力对局部疲劳强度的影响，把局部 残余应力以静水压力的形式考虑进公式( 3 3 ) 中，即： 1 t m a x + 口+ ( p m 。( 挣( 仃。) ) 卢+ ( 3 - 9 ) j 抒如。= or 4 “七o 。s v + o 。 = 妻b 。+ 】 j 1 f 哪x = = 盯l d 式中：t r ( o r 。) 为危险部位残余应力张量的迹； c r r e 。o r e s 。，民。：是，y ，z 方向的残余应力。 和矿为材料常数法国焊接研究所经过试验得出的适用于钢材焊态 接头的参数分别为= o 6 2 和= 1 5 5 m p a 。 若式( 3 9 ) 成立时，焊缝在2 x 1 0 6 次循环下不会起裂；若式( 3 。9 ) 不成立 时，焊缝在2 1 0 6 次循环下会起裂。 图3 3 为考虑残余应力和不考虑残余应力时的持久限比较，显然考虑残余应 力时给出更合理的疲劳极限。 r + 】e 恤 ( a ) 考虑残余应力 4 3 第三章焊接接头疲劳行为局部准则的基本理论 ，m p a ( b ) 不考虑残余应力 图3