（环境工程专业论文）客车转向架典型焊接接头疲劳性能及其影响因素研究.pdf

k 立銮堑厶堂亟堂位淦塞 生塞撞翌 中文摘要 摘要：焊接接头是焊接构架中最容易产生疲劳失效的部位，因此，对焊接接 头的研究是研究焊接构架疲劳强度的重点。 本文主要通过p s n 曲线疲劳试验法和有限元数值模拟的方法对长春轨道客 车有限公司提供的客车转向架构架上的三种典型焊接接头( 对接、十字和横向角 接接头) 的疲劳性能及其影响因素进行了测定和分析。 文中首先介绍了p s n 曲线疲劳试验方法、数据处理方法及曲线绘制方法， 并按照这些方法对三种接头试样进行疲劳试验，得出了这三种焊接接头在存活率 分别为5 0 、9 0 、9 5 下，中长寿命区的p s n 曲线及其方程。然后，采用直 接延长法和h a i b a c h 疲劳曲线修证法将曲线延长至长寿命区。 为了考察缺口应力对接头疲劳强度的影响，文中采用施加静载荷并结合电阻 应变测量的试验方法对各种接头焊缝焊趾处的应力集中系数进行了测量。文中还 借助了有限元数值模拟方法建立了各种接头的理想模型，通过数值计算得出不易 使用试验方法测量位置的应力集中系数并对试验方法得出的结果进行了验证。最 后，对两种方法的结果进行了分析。 焊接缺陷也是影响接头疲劳强度的重要原因。论文中针对常见的几种焊缝表 面缺陷、接头几何形状不规范缺陷和焊缝内部缺陷进行了有限元数值模拟计算， 根据计算结果总结出了缺陷对接头疲劳强度影响的一些规律。 关键词：焊接接头；疲劳试验；p - s - n 曲线t 应力集中：焊接缺陷：有限元 分类号： 韭塞奎迪厶主亟堂位途塞缱s 墅坠! a b s t r a c t a b s t r a c t ：w e l d e dj o i n t sa r et h em o s tf a t i g a b l ep a r t so nt h ew e l d e ds t r u c t u r e s ； t h e r e f o r et h ew e l d e dj o i n t ss h o u l db ec o n s i d e r e dm o r ew i t h i nt h es t u d yo ft h ew e l d e d s t r u c t u r e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef a t i g u ec h a r a c t e ro f3k i n d so f w e l d e dj o i n t s ，e n dt oe n d w e l d e dj o i n t ，c r o s ss h a p e dw e l d e dj o i n ta n dc o m e rw e l d e dj o i n t ，w h i c hw e r ep r o v i d e d b yc h a n gc h u nr a i l w a yv e h i c l ec o ，l t dw a ss t u d i e db yp - s - nc u r v ef a t i g u et e s t i n g a n df i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i s f i r s to fa l l ，t h ep r o c e d u r e so fp - s - nc u r v ef a t i g u et e s t ，d a t ap r o c e s s i n ga n dp - s n c u r v ep l o t t i n gw e r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r a n dt h e n ，t h e s ep r o c e d u r e sw e r et a k e ni n t o p r a c t i c eo nt h o s e3k i n d so f w e l d e d j o i n t sm e n t i o n e da b o v e a s t h er e s u l t s ，t h em i d l o n g f a t i g u el i f ep s nc u r v e so ft h ew e l d e dj o i n t sw i t hd i f f e r e n tf r a c t i o ns u r v i f i n g ，5 0 ， 9 0 ，9 5 ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge q u a t i o n sw e r eg o t t e n a f t e r w a r d s ，b 觞i n go nt h e d i r e c tp r o l o n g i n gm e t h o da n dh a i b a c hr e v i s i o nm e t h o d a l lt h em i d l o n gf a t i g u el i f e p s nc u r v e sw e r ep r o l o n g e dt ol o n gf a t i g u el i f er e g i m e i no r d e rt oe x a m i n et h ee f f e c to f t h en o t c hs t r e s so nf a t i g u es t r e n g t ho f w e l d j o i n t s ， s t a t i cl o a dw a sa p p l i e do nt h ew e l d e dj o i n t s ，m e a n w h i l es t r a i ng a u g e sw e r eu s e dt o m e a s u r es t r e s so nw e l dt o e sa n db a s em e t a lt oc a l c u l a t et h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n c o e f f i c i e n t s w h e r e a s ，f i n i t ee l e m e n t ss i m u l a t i n gc a l c u l a t i o nw a sa l s ob o r r o w e dt o v e r i f yr e s u l t sg o t t e nb yt h et e s t i n gm e t h o da n dt og e tt h e s t r e s sc o n c e n t r a t i o n c o e 币c i e n t so fs o m ea r e a sw h e r et h es t r e s sg a u g e sw e r ei n c o n v e n i e n tt op a s to nt h e w e l d e dj o i n t s a r e rt h i s ，a l lt h er e s u l t sf r o mt e s t sa n ds i m u l a t i n gc a l c u l a t i o nw e r e a n a l y z e d w e l dd e f e c t sa r ea l s ov e r yf a t a la c t o rf o rt h ef a t i g u es t r e n g t ho fw e l d e dj o i n t i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，s e v e r a lk i n d so fc o m m o ni n t e r n a l ，e x t e m a ld e f e c t sa n di r r e g u l a r g e o m e t r ys h a p e s d e f e c t sw e l e s i m u l a t i n g c a l c u l a t e d b yf i n i t e e l e m e n t sm e t h o d a c c o r d i n g t ot h er e s u l to f s i m u l a t i o n , s o m ec o n c l u s i o n sw e r ed r a w n k e y w o r d s ：w e l d e dj o i n t ，f a t i g u et e s t ，p - s - nc u r v e ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，w e l d d e f e c t s ，f i n i t ee l e m e n t c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索， 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) 学位做储签名。讧砟 导师签名：烈姗 签字日期：2 上刁年，t 月，7 e l 签字日期：m 7 年肛月7 e t 韭应銮堑厶鲎亟i ：翌篷迨塞墼鲤挂生! 盟 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啭之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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。 学位论文作者签名：弘孑认 签字日期：1 妒斫年，1 月，_ 7 同 6 l 致谢 本论文的工作是在我的导师刘志明教授的悉心指导下完成的，刘志明教授严 谨的治学念度、科学的工作方法和宽容谦逊的品格给了我极大的帮助和影响。在 此衷心感谢近三年来刘志明老师对我的关心和指导。 缪龙绣教授、李强教授也对我在实验室的科研工作进行了悉心指导，并在学 习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向两位老师表示衷心的谢意。 谢基龙教授和孙守光教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，杨继震同学对我论文中的有限元建模和计算 工作给予了热情帮助，在此向他表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 丝立窑堑厶堂亟：翌虚纶室 ! 缝i 金 第一章绪论 1 1 金属疲劳破坏现象与疲劳问题研究的发展 金属材料( 或构件) 在低于抗拉强度的交变应力循环作用下，产生微观的塑 性变形，这种变形将降低材料继续承载的能力，并引起裂纹的萌生和扩展并当一 条裂纹达到临界值时最终突然断裂，这种现象称为会属疲劳破坏现象。在工程结 构和机械设备中，金属疲劳破坏的现象极为广泛，据统计约有5 0 9 0 的机械结 构的破坏属于疲劳破坏1 1 “。疲劳破坏也是铁路机车车辆上许多零部件破坏的主要 形式之一。由于造成疲劳破坏的应力一般低于材料的屈服强度极限，疲劳裂纹的 萌生及扩展阶段没有明显的宏观塑性变形，不容易察觉，特别是在裂纹生长的初 期更是如此，而材料( 或构件) 疲劳破坏的最后阶段瞬时断裂又十分突然， 因此，由疲劳破坏引起的事故往往是灾难性的，经常造成巨大的经济损失甚至人 员伤亡。因此，关注疲劳问题具有重大意义。 有记载的最早通过疲劳试验对疲劳问题进行研究的是德国的w a 艾伯特。法 囡的j v 彭赛列首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。但疲劳研究的奠基人 则是德国的铁路工程师a 沃勒，他在1 9 世纪5 0 6 0 年代最早得到表征疲劳性能 的s - n 曲线并提出疲劳极限的概念。此后，一些研究者发展了沃勒的经典研究工 作，如盖尔伯尔等研究了平均应力的影响；古德曼提出了一个有关平均应力的简 化理论。 2 0 世纪初，由于光学显微镜开始用于疲劳机理的研究，使人们观察到了局部 滑移线和滑移带引起的裂纹。2 0 世纪5 0 年代p j e 福赛思首先观察到疲劳过程 中在滑移带内有金属薄片挤出的现象。随后n 汤普孙等人发现这种滑移带不易用 电解抛光去掉，称为“驻留滑移带”。后来证明，驻留滑移带常常成为裂纹源。1 9 2 4 年德国的j v 帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，假设轴承的累积损伤与其转动次数 成线性关系。1 9 4 5 年美国m a 迈因纳明确提出了疲劳破坏的线性损伤累积理论， 也称为帕姆格伦迈因纳定律，简称迈因纳定律。此后，电子显微镜和扫描电镜 使研究人员能够观察在疲劳载荷作用下细微的组织结构变化，从而扩展了深入了 解疲劳机理的新视野。6 0 年代后期，概率疲劳分析和设计从电子产品发展到机械 产品，开始了概率统计理论在疲劳设计中的应用，同时，制造出了能够模拟零件 或构件服役载荷工况的随机疲劳试验机。而7 0 年代中期以来，断裂力学的进展丰 富了传统疲劳理论的内容，电子计算机控制的电液伺服疲劳试验机也被应用于疲 劳试验，促进了疲劳理论的发展。 j e 立熏趣厶翌亟堂垃论塞! 绪论 近f 年来，计算机软硬件技术的发展和疲劳理论研究的进步，为疲劳寿命的 理论计算提供了新的方法和手段。其中以有限元理论为基础的数值模拟计算技术 被广泛应用于产品疲劳寿命评估与定量寿命设计中，这不仅提高了理论计算的精 度和可靠性、简化了对一些复杂问题( 如多轴疲劳、形状不规则裂纹扩展舰律的 预测等) 的计算，还在新产品的设计中对节省丌发时1 日j 和成本起到了非常重要的 作用。除此之外，在疲劳试验方面，也出现了一些新的方法和技术，例如：运用 随机载荷谱加载进行疲劳试验束研究产品的疲劳寿命。这种加载方式能够较为真 实的反映材料及构件在实际工作状况下的载荷，使试验中得到的结果真正反映实 际情况。 1 2 焊接接头的疲劳 目莳焊接技术以其能够简化结构细节、节约材料、提高劳动生产率等优点， 已被非常广泛的应用于工业生产各领域中。尤其在机车车辆钢结构中焊接结构的 运用已经相当普遍。车辆的焊接结构在运行中，一般都是工作在承受循环往复的 动载荷的情况下，从而容易在较低应力下产生疲劳破坏。而焊接结构中，如果疲 劳破坏确实发生，疲劳裂纹一般会先出现在应力集中现象较严重的接头部位，这 使得接头成为最可能产生疲劳破坏的位置。因此，对于焊接接头疲劳性能的研究 是研究焊接结构疲劳性能的重点。 与未焊接的金属材料相比较，焊接接头的疲劳性能除了受到接头母材疲劳性 能的影响外，还与其它因素有关，而且这些因素在接头疲劳破坏中的影响经常超 过母材本身的影响。对没有缺i = 1 ( 效应) 的金属母材，其疲劳强度主要与材料的 极限抗拉强度有关i s 。但对于焊接接头来说，由于焊缝的存在，使得焊接接头局部 存在受载截面面积改变和材料不均匀等现象，焊缝周围会有缺口( 效应) 产生。 实际上，接头疲劳强度很大程度上取决于局部缺口效应的大小。 接头缺口效应主要决定于如下几个因素：1 、接头的形式。接头形式决定了接 头在受载时力流偏转的情况，力流偏转的程度对缺口效应的大小影响非常大；2 、 接头受载情况。相同的接头，在承载与不承载的情况下，其疲劳强度会有很大差 异，同时焊缝方向与载荷方向的不同也会表现出不同的疲劳性能；3 、焊缝的几何 形状。焊缝的几何形状会影响焊缝的应力集中情况；4 、焊接工艺。采用何种焊接 方式、所用焊条类型、坡口的形式和焊接残余应力等：5 、焊接质量。主要是焊接 缺陷的影响。常见的焊接缺陷有：未焊透、夹杂、未融合、咬边、溢满、错位等。 这些缺陷实际上都会不同程度的增大缺陷处局部的缺口效应，降低接头的疲劳强 度。 2 b 峦窑堑厶堂亟蔓堂位淦塞l 绮淦 1 3 焊接接头疲劳性能的疲劳试验方法 1 3 1 焊接接头的疲劳试验 虽然近些年有限元数值模拟方法经常被用于焊接构架疲劳性能的研究，但由 于焊接接头疲劳性能受到诸多因素影响，且大都是不容易人为控制的，具有很大 不确定性，因此，在对其进行研究时很难利用计算机仿真的方法建立完全反映实 际情况的模型，以数值模拟计算的方法得出确切数据。因此，通过对典型焊接接 头进行疲劳试验获得试验数据还是不可替代的研究手段。 进行疲劳试验的目的是借助疲劳试验装置( 疲劳试验机) 在试验室中，将所 需要的循环载荷有效的加载到受验试件上，以获得相应的试验数据，用来测算接 头在某一应力水平下的疲劳寿命( 循环次数) 或一定循环次数下的疲劳强度( 应 力水平) 。由于疲劳试验中一般采用的是相对实际焊接结构小得多的小型标准试 件，这种小试件常常一旦出现微小可见裂纹后，随即完全断裂，裂纹扩展阶段相 对很短，但实际构件的疲劳扩展阶段要相对缓慢。因此，试验获得的试件的疲劳 寿命值通常要小于实际构件的疲劳寿命，获得的估计值要相对保守。 针对焊接接头的疲劳试验加载方式主要有：轴向加载与弯曲加载两种。其中 轴向拉伸、压缩载荷是铁路车辆转向架焊接接头的主要受载方式。 疲劳试验是在循环应力下进行的，为了确定循环应力，可以采取下列基本参 数进行描述： 应力循环内的最小应力： 应力循环内的最大应力： 平均应力：最= ( 氏。+ ) 2 应力幅：s o = ( 趾一) 2 应力比：r = 。 通常情况下用应力比足与应力幅来描述循环应力，其中应力比给定了循环 特征，应力幅是疲劳破坏的控制参量。轴向拉伸( j 下值) 、压缩( 负值) 试验经常 采用的应力循环方式如图1 1 所示，a ) 为脉动拉伸循环；b ) 为等幅对称循环； c ) 为半拉伸循环 韭盛童适厶堂亟翌位淦塞 l 缢淦 檀仲 i 脚 b ) 图l l 焊接接头疲劳试验的典 f i g 1 1t y p i c a ls t r e s sc y c l ei nw e l d e dj o i n tf a t i g u et e s t 1 3 2 焊接接头疲劳性能的描述 通常材料或构件( 包括焊接接头) 的疲劳性能，用作用应力s 与到破坏时的 寿命n 之间的关系描述，这种关系通常表现 为形如图1 2 所示的曲线关系，该曲线被 称为s n 曲。在焊接接头疲劳性能评定中， 一般将应力比r = 一1 ，应力幅s 。= 一s m “ 的s n 曲线( 基本疲劳性能曲线) 作为评 定的依据。图l - 2s - n 曲线 f i g 1 - - 2s - nc u r v e 从此曲线可以总结出会属材料或构件的应力与疲劳寿命关系变化的一般规 律：最初，在疲劳寿命较低的区域，能够重复施加的应力随着循环次数( 疲劳寿 命) 的增加而迅速降低，但随后曲线逐渐变得平直，应力下降开始变得缓慢，应 力稍有下降，疲劳寿命就会大大增加。如应力继续降低，s n 曲线将无限逼近一 条与n ( 疲劳寿命) 轴的水平线，这条水平线的存在表明，在应力小于或等于某 一值时，疲劳寿命将等于无限次循环，这个应力值称为疲劳极限。由于试验不可 能无休止的做下去，因此在通过试验方法确定焊接接头极限应力时，所谓的“无 限次”一般被定义为一定次数，如2 x 1 0 6 次循环，此时的疲劳极限称为条件疲劳极 限。 通过试验方法确定焊接接头的疲劳性能，主要是由测得的疲劳试验数据通过 计算、拟合得出基本疲劳性能曲线的过程。焊接接头容易产生疲劳源的位置是缺 口效应较大的焊趾和焊根等处的最大缺口应力点，但在实际中最大缺口应力一般 与名义应力有正比关系，因此可以认为其取决于与最大缺口应力点相邻的母材的 名义应力，名义应力可以用试验机加载在试件上的载荷除以最大缺口应力点相邻 的母材的截面积近似得到，用这种近似的方法进行的评定方法称为：名义应力评 定法。此外，也可采用局部缺口应力作为评定接头疲劳性能的参数，即所谓缺口 应力评定法，实际上与名义应力方法相比，此法更接近实际情况、能更合理的将 试件的试验结果用于实际结构，但除了需要较复杂的计算和测量外，相关理论尚 4 e 瘟窑埋厶：兰亟堂位论塞! 绪淦 处于研究阶段，还未形成一套系统完整的方法。 1 4 选题背景 任何一种机械构件在设计及投入使用i i 都要进行强度校核，以保证其在服役 过程中既能承受各种载荷的作用，又能充分发挥材料的抗力。因此，机械构件在 使用载荷下的疲劳强度评估和疲劳寿命估算已成为机械设计及制造中的重要课 题。 目前我国铁路事业j 下处于一个新的发展时期，客车高速化、货车重载化的发 展方向对铁路车辆的设计制造又提出了新要求。由于焊接结构广泛的应用于铁路 车辆的车体、转向架等部件上，而疲劳破坏是焊接结构，特别是焊接接头的主要 失效形式，因此，对焊接接头的疲劳强度和寿命均有很高的要求。但目前我们在 进行车辆疲劳设计时，由于缺乏相关的资料，因此所采用的焊接接头疲劳评估数 据普遍是参考国外有关资料得到的。然而，根据大量试验结果发现：即使相同类 型的焊接接头，如果其生产加工条件有所不同，疲劳性能会有很大差异，所以， 有必要对我国国内生产的焊接接头的基本疲劳数据进行试验研究。以便给各种焊 接构架的设计和安全评定提供技术保证和数据支持。 本文涉及的试验是针对以低合金高强度结构钢q 3 4 5 ( 1 6 m n ) 作为母材的，三 种典型手工焊接接头：带有封底焊道的v 形坡口对接焊接接头、单面v 形坡口横 向角接接头和角焊缝十字接头，进行的疲劳性能试验。 q 3 4 5 ( 1 6 m n ) 作为一种强度高且拥有良好的韧性、塑性和焊接性能的结构钢， 广泛用于建筑、桥梁、造船、铁路机车车辆等各类工程结构中。试验中三种接头 也是焊接结构中最常见的类型。因此，对此三种焊接接头进行试验研究，以获得 相关疲劳性能数据是非常必要的。 1 5 论文的主要内容 本论文的主要内容是：根据规范对三种典型焊接接头进行疲劳试验，以获得 绘制p - s - n 曲线所需数据，然后通过概率统计和数值计算方法得出各p - s - n 曲线 的方程，并根据方程绘制出p s n 曲线；此外，还采用有限元方法，以本文疲劳 试验中的三种接头为建模对象，进行数值模拟计算，考察、分析接头形式、焊接 缺陷两个因素对焊接接头疲劳强度的影响。 各部分内容概述如下： 1 焊接接头p s n 曲线试验和应力集中系数测定试验 此部分涉及第二和第三章的内容。第二章主要介绍了试验中三种接头的特点 立宝道厶堂亟：兰位i 金室! 绪论 和p s 一曲线疲劳试验方法、数掘处理方法和曲线绘制方法。 第三章首先给出了各种接头试样的尺寸、母材性能、疲劳试验设备及加载条 件，接f 来以对接接头为例介绍了疲劳试验升降法、成组法的试验过程和数掘处 理过程及p s n 曲线的绘制。此后，列出了其它两种接头的试验结果和数据处理 结果，并给出了p s n 曲线图。最后，将根掘2 1 0 6 次循环条件疲劳极限绘制的各 p s n 曲线向长寿命区进行了延长，得到较完整的曲线。另外，为了考察局部缺口 应力对接头疲劳性能的影响，还采用加静载荷和电阻应变测量的方法分别测量了 各种接头焊缝焊趾处的应力集中系数。 2 焊接接头的数值模拟 此部分包含第四章和第五章的内容。其中第四章先介绍了应力集中与疲劳强 度的关系及两个分别描述应力集中和疲劳强度变化的参数，即应力集中系数k ，及 疲劳缺口系数k ，：之后介绍了建立接头有限元模型、加载计算的方法及根据计算 结果推算出的应力集中系数；最后，根据试验结果和计算结果就不同接头形式引 起的不同局部应力集中对接头疲劳强度的影响进行了讨论。 第五章则根据疲劳试验中试样断裂的实际情况，结合有限元方法，分别建立 了带有表面缺陷、几何形状不规范和内部缺陷的接头模型，并加载计算，得出此 三种缺陷对疲劳性能的影响规律。 6 立窒堑厶：羔亟堂位淦塞z 埕缝毯基缝篮娃睦挂直星壅2 笪线送丝生选 第二章焊接接头疲劳性能特点及疲劳曲线试验方法 2 1 焊接接头疲劳性能的一般特点 焊接接头的作用是在保证一定强度( 静强度与疲劳强度) 的前提下，将由同 种或不同种母材制造的余属部件以不同的形式通过焊接方式连接起来。如图2 一l 所示，接头主要由三种成分组 成：焊缝金属、热影响区熔合 金属及热影响区边缘母材金 属。由于焊接缺陷是普遍存在 的，因此疲劳裂纹一般都会出 现在热影响区内的焊接缺陷 处，接着会发展而进入母材或 焊缝金属。 热影响区 图2 1 焊接接头组成 f i g ，2 1c o n s t i t u t i o n o f w e l d e dj o i n t 如绪论中所述，焊接接头疲劳强度受多方面原因影响，如母材的机械性能、 焊接构件尺寸、热处理等，但最主要的因素还是接头类型( 焊接形式与焊缝承载 与否) 与接头的焊接质量( 接头的焊接缺陷) ，其中接头类型又是相对更重要的因 素。与母材相比，接头的疲劳强度势必要有所下降，但下降程度会因接头类型有 很大不同，如，焊接质量较好的纵向承载对接接头其疲劳强度下降仅为l o 2 0 ，而同样是焊接质量较好的纵向承载的角接接头其疲劳强度下降为5 0 7 0 i ”。其中，对接接头疲劳强度对于焊接缺陷敏感度比较大，而角接接头由于力流偏 转严重，本身缺口效应很大，因此焊接缺陷影响对其影响就相对较小。表4 1 列出 了对接及角接接头不同细部型式的疲劳强度。 对焊接结构来说焊接接头的疲劳强度至少在长寿命试验中与母材静强度、焊 缝会属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝会属强度匹配没有多大的关系，也 就是说只要焊接接头形式、尺寸和加工质量相似，高强钢和低碳钢的疲劳强度几 乎一样的，具有形似的s - n 曲线，这个规律适合对接接头、角接接头等各种接头 型式。在设计承受交变载荷的焊接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足 工程需要是没有太大意义的。只有在应力比大于+ o 5 的情况下，静强度条件起主 要作用时，焊接接头母材才应采用高强钢。造成上述结果的原因是由于在接头焊 趾部位沿溶合线存在有类似咬边的熔渣楔块缺陷，其厚度在o 0 7 5 r a m 0 5 m m ，尖 端半经小于0 0 1 5 m m 。该尖锐缺陷是疲劳裂纹开始的地方，相当于疲劳裂纹形成 阶段，因而接头在一定应力幅值下的疲劳寿命，主要由疲劳裂纹的扩展阶段决定。 7 丝立室堑厶鲎亟堂位淦塞2 埕缝缝叁瘗丛丝丝签直丛瘗垃茴垡遮鉴立鎏 这些缺陷的出现使得所有钢材的相同类型焊接接头具仃十h 似的疲劳强度，而与母 材及焊接材料的静强度关系不大。 表2 - 1典型焊接接头不同细部型式的脉动循环疲劳强度( 胆2 xl 旷) t a b 2 - 1f a t i g u es t r e n g t ho ft y p i c a lw e l d e dj o i n t su n d e ri m p u i s i v ec y c l el o a d 焊接接头细部喇式疲劳强度( m p a ) 对接接头( 双面成型) 二口- 1 7 6 对接接头( 单面成型) 1 1 7 一 二 一 开坡口“形十字接头 j i 8 5 栅粕蟛博麒衅1 5 一半一 7 2 不开坡口k 形十字接头( k 。8 r a m ) 、九5 2 v一 2 2 三种常见焊接接头的特点 本文试验中涉及的焊接接头有三种类型：v 形坡口对接接头、角焊缝十字接 头和单边v 形坡口横向角接接头。 2 2 1v 形坡口对接接头 对接接头基本不存在力流偏转问题，因而应力集中系数较小，疲劳性能相对 较好。有研究表明，焊接质量优越的对接接头试件的疲劳强度可以接近母材的疲 劳强度“1 。对接焊缝连接的板材可处于同一平面之内或有一微小交角。焊缝形式有 i 形( 即不开坡口) 、v 形和u 形( 单面成型) 、双x 形和双u 形( 双面成型) 等。 母材的主要受载情况有三种，即焊缝方向的拉伸( 或压缩) 载荷q ，垂直于 焊缝方向的压缩( 或拉伸) 载荷盯。以及焊缝方向上的剪切载荷“。弯曲和横向剪 切是次要载荷。对接接头通常有三种，即用于盯。的横向对接接头、用于q 的纵向 对接接头( 连续焊缝) 和节点板接头。其中横向接头强度下降较大。 横向对接接头的裂纹萌生危险部位常在咬边和焊缝根部缺口处。纵向对接接 头常在焊缝长度范围之内的起、熄弧处。断续焊缝试件则常在焊缝端部。三者的 断裂面总是垂直于主要加载方向。 匙窒窑堑厶堂亟兰垃堡塞 z 埕缝缝叁蕉2 丝篚整虫星蕉筮盥垡这箜立选 坡r 丁形式( 焊缝形状) 和焊根的处理方式也会对疲劳强度产尘影响。图2 2 所示，单面成形无封底焊道的形式a ，承受盯时，其相对于母材的疲劳强度降低 系数为0 5 ( 疲劳强度降低系数定义为：y = c r p 。啡，其中c r p 为母材的对称循环 疲劳强度，绵。为焊接接头中母材的对称循环疲劳强度) ，在焊根部作出一定坡口 并熔敷一封底焊道( b ) 或使焊根成彤于陶瓷挚片之上或在焊缝f 面加上一块会属 垫板并与之焊透( c ) ，这些措旌可将疲劳强度降低系数提高到0 7 以上。 窦叠禽 abc 图2 - - 2 焊根的不同处理方式 f i g 2 2d i f f e r e n t t r e a t m e n to fw e l dt o e s 对接接头，两板之日j 的错位( 如图2 3 示) 会影响这个接头的疲劳强度，错 位可能是轴向错位( a ) 也有可能为角度错位或称角变形( b ) 。错位通常是由于焊 接前组装不正确造成的。在轴向载荷下，接头将被拉直，此时接头承受附加弯曲 应力，从而使得疲劳强度降低”1 。 a b 图2 3 对接接头两板之间的错位示意圈 f i g 2 3d i s a li g n m e n to ft w ow e l d e d p l a t e s 2 2 2 角焊缝十字接头 这种接头通常用来连接在不同平面罩的两块钢板。接头形式如图2 4 所示， 两块承载的翼板以角焊缝焊接在另块钢板的两侧。如图中箭头方向的纵向载荷f 从一块翼板经过焊缝，穿过一块与之 垂直的钢板传递到另一块翼板上，力 流偏转较开坡口的对接焊缝严重。此 外，这种接头两面施焊过程中难于焊 透，大多具有根部间隙，因此疲劳性 能很差，但由于不用在焊接前做丌坡 口等准备工作因此工艺简单，也经 常被使用。与开坡口对接焊缝相比 黝一 阚 k ， 7 缓缓缓黝 飞 、秒 惑 2 4 角焊缝十字接头示意图 f i g 2 4c r o s sw e l d e dj o i n t sw i t hf i1l e tw e l d 此种接头角焊缝中的焊接缺陷对疲劳强度的 9 k 盛垒丝厶堂亟堂位盈塞2 埕挂毯盘焦：盐蛙篚挂盘丝瘗：丛鱼缮毯蝗立造 影响较小，这是因为角焊缝接头本身的缺口效应己经很大而使得焊缝中的其他不 连续性缺陷相形见绌”1 。与对接接头相似，疲劳裂纹经常出现在焊趾或焊根处。 承受吼时，疲劳强度降低系数介于0 3 至0 4 之问。 2 2 3 单边v 形坡口横向角接接头 接头形式如图2 5 所示，节点板丌v 形坡口，焊接到主板上。节点板与主板 间一般留有i 日j 隙，焊根处可以加封底焊道。这种形式的接头，根据加载的方式不 同，会表现出不同的性质。当节点板承受轴向载荷时其性质类似于对接接头，但 当节点板不承载而在主板上加载时，出于力流发生了偏转而产生了较大的缺口效 应，疲劳强度要逊于对接焊缝“1 。 此种接头的疲劳源裂纹出现在焊趾与 焊根处，而且在没有明显焊接缺陷的情况 下，两者比较，由于这种单面成形的横向角 接接头在焊根处力流偏转的更为剧烈，焊根 处的应力集中系数更大，裂纹更容易出现在 焊根处，且焊深会对影响焊根的应力集中系 数产生影响，因此，通常焊深大的焊缝比焊 深小的疲劳性能好，在焊根处加封底焊道也 能够提高疲劳性能。 2 3 疲劳曲线试验方法 2 3 1s - n 曲线与p - s n 曲线 l 兰| 2 5 横向角接接头示意幽 f i g 2 5t r a n s v e r s ec r o s sj o i n t 表示材料或零件应力和试样疲劳寿命之间的关系的曲线称为材料的s n 曲线， 简称s - n 曲线( 如图1 2 示) 。因为这种曲线为德国人w o h l e ra 首先提出，所 以也称为w o h l e r 曲线。 s - n 曲线通常取最大应力s 。，为纵坐标，但也可以取应力幅墨为纵坐标。s n 曲线中的疲劳寿命一般使用对数坐标，而应力则有时取线性坐标，有时也取对数 坐标，此时，在对数坐标系中l g s 与l g n 成线形关系。如不特殊指明，s n 曲线都 用单对数或双对数坐标表示。s n 曲线的左段在双对数坐标中一般是一条直线，在 单对数坐标中一般不为直线。s - n 曲线的右段则可以分为两种型式：第一种型式 ( 图2 - 6 a ) 有一明显的水平区段，为结构钢和钛合金的典型形式；第二种形式( 图 i o 韭瘟塞迪厶堂殛：到i 监塞 2 埕缝缝叁瘗：丛丝篚盐如缝蕉筮茴线遮焦立壁 2 6 b ) 没有水平区段，是有色余属和腐蚀疲劳的典型形式。 s - 、曲线的左段有时也会出现断盯( 图2 - 6 c ) 和转折( 图2 6 d ) 。断丌可 能是由f 裂纹尖端由平面应力状态转变为平面应变状态和出穿晶破坏转变为晶i 日j 破坏等原因所引起。转折点则往往是不同破坏区域的交界点，如循坏蠕变与低周 疲劳的交界点，低周疲劳与高周疲劳的交界点等。本文研究的结构钢的疲劳曲线， 为类型为a 类。 1 l “) 图2 - 6 材料s - n 曲线的主要刑式 f i g 2 - - 5t y p i c a lf o r m so fs - nc u r v e s 经过大量的研究工作的总结，目i j i 在疲劳可靠性设计和疲劳性能测试中常用 的s - n 曲线经验公式有两种“。 l 、幂函数表达式 s “n = c( 2 - 1 ) 式中的m 和c 均为材料常数，与材料性质、试件形式和加载方式等有关，s 在 对称循环时为应力幅。将上式两边取对数得： m l g s + i g n = 培c ( 2 2 ) i g i n = l g c m l g s( 2 - 3 ) 可见，式( 2 2 ) 相当于s - n 曲线在双对数坐标上为直线，1 m 为s n 曲线 的负斜率。 2 、三参数幂函数表达式 n(ss0)”=c(2-4) 式中：s 0 无限寿命时的疲劳极限，在对称循环下即以。： m _ 叫率参数； 卜常数。 以上讨论的一般意义的s - n 曲线描述的是一种材料或构件的母体疲劳性能。 韭鏖銮堑厶堂亟堂位堡塞2 型缝缝叁瘗笾世能盐盛巫蕉量酋垡毯笙立垡 而在疲劳试验中，试验方法通过对母体子丰羊进行试验得出的曲线，由于试样数量 有限且本身的疲劳强度具有较大分散性( 特别是焊接接头) ，所以j l 是母体s n 曲 线的近似与估计。根据概率统计的理论，母体均值的估计量由式( 2 5 ) 确定： 毛= i + ，s ( 2 5 ) 其中i 为子样平均值，u 。为在存活率为p 时的标准乖念偏量，s 为子样杯准差。 如果，以试验中子样疲劳寿命对数值l g n 。均值作为母体均值的估计量，即取主。= i ， 为横坐标，以应力幅值对数作为纵坐标，得到的s - n 曲线，实际为存活率等于5 0 时的s - n 曲线，通常称为中值疲劳寿命s - n 曲线，其意义是表示在一定应力水 平下，有一半的产品在达到预期的寿命前已经失效。如果仅仅以这种曲线作为产 品设计和疲劳寿命估算的依据，则往往偏于危险。如果用高存活率的p s n 曲线 进行设计和寿命估算，其结果将更安全。要得到在不同存活率下的s n 曲线，如 1 0 、9 0 或9 9 9 等， 就需要将不同存活率所 6 引起的变化体现在s - n 曲线中，这就是p s n 曲线( 存活率一应力一寿 命曲线) 。同子样的 s - n 曲线( 即中值疲劳寿 命s - n 曲线) 与p s n 曲线的区别形如图2 7 所示。 由图2 7 及式( 2 - 5 ) 图2 7 p 孓 ，曲线 f i g 2 7p - s nc u r v e s 可知，两曲线间距为l “，s l ，此i 日j 距会随应力水平降低而增大，这是由于在大多数 情况下，随着应力水平降低，试件疲劳强度分散性增大，导致子样方差随之增大 所致。 2 3 2p - s n 曲线试验方法 p s n 曲线试验方法是通过试验考察材料或构件疲劳性能的常用方法。使用该 方法需要对一个从正态母体( 或假设为j 下态的母体) 中抽取的子样，按不同的试 验方式进行疲劳强度或寿命测试，得出相应的数据后再根据要求，用数理统计的 方法进行计算，得出在不同存活率、致信度下的数值，最后根据这些数值在同一 坐标系中拟合出p - s n 曲线。 测定p - s - n 曲线时，一般采用成组法与升降法相结合的方式进行。即，在p _ s n 曲线中等寿命区的上控制点( 大约5 1 0 5 左右) ，采用成组法进行试验；在p - s - n 2 e 巫至适厶：兰亟! ，! 迨堑 2 篮缝缝叁蕉筮性自l 挂盘壁缝：丝些缝选熊生鎏 曲线条件疲劳极限的卜控制点( 一般焊接结构的条件疲劳极限为2 1 0 6 所对心的 应力) 处，采用升降法进行试验”1 。大量的研究表明，在循环数小于2 1 0 6 时，p - s n 曲线在双对数坐标卜毕直线关系，并且疲劳寿命服从对数正态分布，疲劳强度服 从j 下态分布”1 。具体试验过程： 1 成组法” 用成组法进行试验时，在某一应力水平下试验一组试件，数掘分散性小时，试 样可以少取一些，数掘分散性大时，则应多取一些试样。成组法按对数正态分布 测定p s n 曲线的步骤如下： a ) 首先把每级应力水平下测得的疲劳寿命按大小次序由小到大排列，并取相 应的对数值列表。 b ) 用下面公式算出试样的存活率只 尸= l i ( n + d ( 2 6 ) 式中，为试样按疲劳寿命由小到大排列的顺序号： 力为第级应力水平下的试样数。 c ) 当子样较少，不确定母体是否遵循正态分布时，需要通过检验尸，和对数疲劳寿 命m 在正态概率坐标纸上是否为线性关系，z 是否遵循j 下态分布。具体做法： 用下式计算相关系数f j ： o = ( k ) ，( 乞。) ，( 。) ， ( 2 7 ) ( 屯) ，2 i - i “二一吉( 善) ， l i l ( k ) ，2 善# 一吉( 善)扫i ，i j = l ( k ) ，。善“井一吉( 善) ( 善t ) 通过查相关表格，得到对应n 的起码值r | m ，当 时，疲劳寿命服从对数正态 分布。 d ) 求出各级应力水平下对数疲劳寿命的均值、标准差和变异系数 均值 ；= 喜玉 c z 一8 ， 标准差 变异系数 厣焉弼 v = s 医 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) e 塞銮丝厶堂亟鲎位i 金塞 2 型缝缝基瘗2 挂自l 生芏直霆蕉：2 z 鳆垡这蕉立丝 式中，x 为第，个试样的对数疲劳寿命。 e ) 每级应力水平所需的最小试样个数可由下式确定 一。 ! 兰 ( 2 一l c ，；+ “；( 五2 一) 一8 u k x 1 ) 式中，艿为误差限度，一般取为5 ； 7 为所需最小试样数； | ；c 为标准差修正系数： t 为分布值，与置信度y 及试样个数力有关； u 。与存活率相关的标准j 下态偏量。 以上j ；c 、f 、“均可通过查阅有关疲劳可靠性资料相应数据表得到。如( 2 - 1 1 ) 式满足，则证明试样个数满足致信度y 的要求，不必在相同应力水平下追加试样， 但如不满足，则还需追加试样直到( 2 - 1 1 ) 式得到满足。 f ) 在试件数量较少，且具有指定置信度y 及存活率尸时，安全对数疲劳寿命工。， 可按下式计算 量：x + k s ( 2 1 2 ) 其中k 为“单侧容限系数”，作用是取代j ，= i + “，中的“，使由i + “，估计出 的值小于母体真值的概率为y ，k 可表达为： 七=肝磊 ，咋 ”夏两 ( 2 一1 3 ) 上式中，“，是与置信度，相关的“标准正态偏差”，虬可通过查阅有关疲劳可靠 性资料所列之数据表得到。 当已知“、“，和7 时，可由式( 2 1 3 ) 求出系数k 的大小，再由式( 2 1 2 ) 求出具有置信度的对数安全寿命工，。这时工，的含义是，以y 的置信度来说( 有，的 把握) ，母体中至少有p 的试样的对数疲劳寿命大于x 。 2 升降法n 儿2 州 根据实践经验，对于p s n 曲线疲劳寿命n 1 0 6 的长寿命区，用成组法测定的 疲劳寿命分散性极大，疲劳寿命的频率分命常常很不规律，且试验到n 1 0 时若 试样未断而采用截尾数据有一定误差，因此，需要采用升降法确定材料的疲劳极 限。 4 e 瘟窒道厶堂亟堂位垒皇2 埕迭篮叁瘗苴性t 挂息丛瘗苴茴垡邈叁立选 升降法是把疲劳强度作为随机变量，通过测定某一指定寿命 下材料疲劳强度 的分钿，经统计分析，确定在改指定寿命下，具有指定存活率、置信度时材料或 构件的疲劳极限。大量研究表明，疲劳极限一般符合正念分布。 升降法实施步骤：用升降法测定接头的疲劳极限时，有效试样数量一般在1 3 根以上。从高于疲劳极限的应力水平对l 2 个试样进行预备性试验，后利用s n 曲 线经验公式粗略估算出疲劳极限值，并根据应力增量为疲劳极限值3 5 的原则 划分几个应力等级，试验一般在3 5 级应力水平下进行。然后从应力最高的等级 开始进行试验，逐级降低，直到有一根试样在达到指定寿命时没有破坏( 越出) ， 则下一根试样就在高一级的应力水平下进行。依此类推，凡前一根试样不到指定 寿命就破坏的，随后的一根试样就要在低一级的应力水平下进行：凡前一根试样 越出的，则后一根试样就要在高一级的应力下进行。在第一次出现相反结果以前 的数据均舍弃，把所有邻近出现相反结果的数掘点都配成对子。当对子数满足最 少试件个数判据，停止试验。 用升