焊接结构强度的基本理论

1、第三章焊接结构强度的基本理论焊接结构除了在使用过程中结构强度不足时会造成破坏外，还有其他形式的破坏，如疲劳破坏、脆性破坏等，这种破坏也是焊接结构的一般破坏形式。本章主要介绍了焊接结构疲劳破坏、脆性破坏的原因、提高疲劳强度和防止脆性破坏的主要措施。焊接结构第一部分的疲劳断裂一、疲劳的定义疲劳定义为由重复应力引起的裂纹开始和缓慢扩展导致的结构部件损坏，疲劳极限是样例在没有疲劳破坏的情况下循环到“无数”应力的最大应力值。在重复载荷结构的应力集中部分，当施加给部件的公称应力低于弹性极限时，可能会发生疲劳裂纹。疲劳裂纹开发的最后阶段不稳定性扩展(断裂)突然发生，没有预告，没有明显的塑性变形，预防措施困难

2、，因此疲劳裂纹对结构的安全性构成了巨大威胁。焊接结构也可能因交替应力或变形作用下的裂纹(或)扩展而被疲劳破坏。疲劳破坏通常从应力集中开始，但是焊接结构的疲劳破坏通常发生在焊接连接处。二、影响焊接接头疲劳性能的因素焊接结构的疲劳强度，在很大程度上决定了构件中的应力集中，不适当的连接形式和焊接过程中出现的各种缺陷(例如未焊接的穿透、咬边等)是导致应力集中的主要原因。此外，熔接结构本身的某些性质(例如接合效能的不均匀性、熔接残余应力等)会影响熔接结构的疲劳强度。1.应力集中和表面状态的影响结构上几何图形的不连续性会产生应力集中的不同程度，金属材料表面的槽口和内部缺陷会导致应力集中。熔接接合本身是几何

3、间断的，并且接合形式和熔接造型不同时，具有填角熔接的接合的应力集中程度更大的应力集中程度不同。构件的槽口越尖锐，应力集中越大(即应力集中系数k越大)，疲劳强度减少也越大。不同的材料或相同的材料具有不同的空隙敏感度(或槽口效果)，具体取决于组织和强度。高强度钢低强度钢对槽口敏感。也就是说，如果有相同的槽口，高强度钢的疲劳强度比低强度钢低得多。在焊缝连接中，承载焊缝的槽口效应比非承载焊缝强，而在承载焊缝中，作为垂直于焊缝轴方向的载荷，凹槽最敏感。图3-1是三种不同强度结构钢的滚动表面光滑试样、对接接头和交叉接头(未加工)的疲劳极限和应力比r的关系曲线(疲劳图)。图中显示了曲面平滑(无应力集中)、强

4、度高的材料，疲劳强度也高。如果对接接头中存在应力集中，这三种材料的疲劳强度均会降低。强度越高，缩减幅度越大。相交接合的应力集中程度更高，因此所有三种材料在一个应力层级减少了大量疲劳强度。表明，疲劳载荷下应力集中的存在消除了高强度钢的静载荷强度优势。图3-1低、中、高强度结构钢焊接接头疲劳极限与应力比的关系a)轧制板材b)中等质量对接接头c)中等质量交叉接头图3-2是低碳钢搭接接头疲劳试验结果的比较。图3-2 a是只有侧焊缝的搭接接头，疲劳强度只有母材的34%。焊脚1: 1的前焊缝的搭接接头(图3-2 b)比只有侧焊缝的联接疲劳强度稍高，但仍然较低。前焊接焊脚比率为1: 2的搭接接头，改善了应力

5、集中，提高了疲劳强度，但效果不大。即使在焊缝到主切换区域(参见图3-2d)中执行表面加工，也不能显着提高接头的疲劳强度。根据强度条件，盖子厚度超过要求的两倍，焊脚比率为1: 38，只能通过机械加工(图3-2e)将焊缝平滑转换为母材，以提高疲劳强度(图3-2e)，但不能采用这种连接，因为这样的连接成本太高。图3-2f连接了非常不合理的坞站接头的板，这大大削弱了原始疲劳强度高的坞站接头。图3-2低碳钢搭接接头疲劳极限比较表面状态粗糙相当于许多因应力集中而降低疲劳强度的微槽口。表面越粗糙，疲劳极限越小。材料的强度等级越高，表面状态的影响也越大。焊接表面的波纹太粗糙，不利于接合的疲劳强度。焊接残余应力

6、的影响焊接结构的残余应力影响疲劳强度。焊缝残余应力的存在改变了平均应力m的大小，但不改变应力幅度a。在“残余拉伸应力”区域中增加平均应力会对疲劳强度产生不利影响，因为工作应力可能达到或超过疲劳极限。相反，残余压缩应力有利于提高疲劳强度。对于塑料材料，如果在循环特征r-1中材料先屈服，然后被疲劳破坏，则残余应力不再有影响。焊接残余应力是因为结构上拉伸应力和压缩应力同时存在。如果可以调整压缩残余应力，使其位于材料表面或应力集中区域，则非常有利，如果材料表面或应力集中区域中存在残余拉伸应力，则非常不理想，应将其删除。焊接缺陷的影响焊缝缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的类型、大小、方向和位置有关。片状缺

7、陷(例如裂纹、未熔合、未焊接)的影响比有圆角的缺陷(例如气孔等)大。表面缺陷比内部缺陷影响更大。垂直于作用方向的薄片缺陷的影响大于其他方向。残余拉伸应力场的缺陷比残余压缩应力场的影响大。同样的缺陷，在应力集中场(例如焊接趾裂和根裂)的影响大于在均匀应力场的影响。三、提高焊接结构疲劳强度的措施如上所述，应力集中是降低焊接连接和结构疲劳强度的主要原因，只有焊接连接和结构的结构合理，焊接工艺完善，焊接金属质量良好，才能保证焊接连接和结构的疲劳强度高。要提高焊接接头的疲劳强度，通常要采取以下措施：1.减少应力集中疲劳裂纹源于焊缝和结构的应力集中点，可以通过消除或减少应力集中的任何方法提高结构的疲劳强度

8、。(1)合理的结构形式尽量不搭接合，优先选择对接接合；重要结构最好将t或转角接头变更为对接接头，以使焊接避免转角部分。如果t型接头或圆角接头是必需的，请使用完全焊透对接焊接。尽量避免偏心负载设计，以免元件的内力顺畅、分布均匀、产生额外应力。减少断面突变，板厚或板宽差异大，对接时要设计平缓的过渡区域。结构的尖角或拐角应使曲率半径越大，圆弧就越圆。确保3向焊接空间不相交，焊缝不设置在应力集中区域，避免在主要拉伸构件上设置侧焊缝。在不可避免的情况下，必须保证焊缝的内外质量，减少焊缝脚趾的应力集中。只能单面焊接的对接焊缝，重要结构中不允许在背面放置永久垫板。不要使用间断焊缝，因为在每个焊接段的起始端，

9、应力集中程度更高。摘要在常温静态载荷下工作的焊接结构和在动态载荷或低温下工作的焊接结构在施工设计上有不同的要求，更注重详细设计。表3-1显示了两种载荷条件下的配置设计差异。表3-1常温下静态和可变载荷的焊接结构在详细设计中存在差异序号静态负载下工作在可变载荷下工作1表图3-1表图3-102表图3-2表图3-113表图3-3表图3-124表图3-4表图3-135表图3-5表图3-146表图3-6表图3-157表图3-7表图3-168表图3-8表图3-179表图3-9表图3-18(2)正确的焊缝形状和良好的焊缝内部和外部质量对接接头焊缝的馀力应尽可能小，最好是平整(或抛光)，不留下焊后旅费；T形接

10、头建议使用具有凹面的填角熔接，而不要使用具有挤出部分的填角熔接。在焊接和母材表面的交点处，焊接脚趾要平稳过渡，必要时要研磨焊接脚趾，或者重新溶解氩弧焊弧，减少那里的应力集中。所有焊接缺陷都具有不同的应力集中程度。特别是裂纹焊接缺陷(例如裂纹、成本接触贯穿、无融合和咬边)对疲劳强度的影响最大。因此，为了减少焊接缺陷，必须在结构设计中消除过多缺陷，以便容易焊接。2.残余应力调整残余压缩应力会增加疲劳强度，拉伸应力会降低疲劳强度。因此，如果构件表面或应力集中存在残余压缩应力，则可以提高疲劳强度。例如，通过调整焊接顺序、部分加热等，可以获得有助于提高疲劳强度的残余应力场。对接熔接1(如图3-3所示)受

11、到最大弯曲应力垂直的I梁对接。如果在接头两端未焊接角焊缝3，则首先焊接焊缝1，然后将腹板焊接到接缝2，收缩焊缝2，使焊缝1产生残余压缩应力。由于最后一个熔接保留的填角熔接3的收缩，裂口1和接缝2中均存在残余压缩应力。测试结果表明，该焊接顺序首先焊接焊缝2，然后比焊缝1的疲劳强度高30%。图3-4是纵向焊接连接节点板，是纵向接头端槽口中的应力集中点，执行点形状的部分加热可以形成在加热位置适当的情况下在槽口中获得有利压力残余应力的残余应力场。图3-3 I梁对接焊接顺序图3-4节点板局部加热的残余应力此外，还可以使用滚动、锤或喷丸等表面变形强化，使金属表面塑性变形和硬化，并在表面产生残余压缩应力，从

12、而提高疲劳强度。对于带槽口的构件，使用一次预过载拉伸，可以在槽口顶部获得残余压缩应力。弹性卸载后槽口残余应力的符号总是与(弹塑性)载荷下槽口应力的符号相反。此方法不应使用弯曲过载或多重拉伸载荷。与压力容器水压试验等结构验收试验结合时，起到预过载拉伸的作用。3.改善材料的组织和性质1)提高母材金属和焊接金属的疲劳抵抗力，还要考虑材料的内部质量。要提高材料的冶金质量，减少钢的夹杂物。重要部件可以使用真空熔炼、真空脱气、甚至electroslag remelting等熔炼过程的材料来确保纯度。室温精炼晶粒钢可以提高疲劳寿命。热处理可以获得最佳组织状态，在提高(或保证)强度的同时，提高塑性和韧性。回火

13、马氏体、低碳马氏体(通常有自己的回火效果)和河北镍等组织具有较高的疲劳阻力。2)强度、塑性和韧性要合理调整。强度是材料抵抗断裂的能力，但高强度材料对缝隙很敏感。塑性的主要作用是通过塑性变形吸收变形工作，减少最大应力，重新分布高应力。槽口和裂纹尖端钝化，裂纹扩展缓和或中断。塑性能保证强度效应充分发挥。因此，在高强度钢和超高强度钢的情况下，提高一些塑性和韧性，可以大大提高抗疲劳能力。4.特别保护措施大气和介质侵蚀经常影响材料的疲劳强度，因此使用一定的保护涂层是有利的。例如，在应力集中涂漆带填料的塑料层是实用的改进方法。第二节焊接结构的脆性断裂焊接结构广泛使用以来，发生了一些脆性破坏(即脆性破坏)事

14、故。这种事故没有征兆，突然发生，一般都有致命的后果，必须重视。焊接结构易碎的原因有材料选择、结构设计、制造质量和操作条件等多种。防止焊接结构易碎的系统工程只能通过个别测试或计算方法来保证安全使用。一、焊接结构脆性断裂的基本现象和特点通过对大规模焊接结构脆性断裂事故的分析，发现焊接结构脆性断裂有以下几个现象和特点。1)大多数馀料粗加工是在环境温度或介质温度降低时发生的，因此称为低温馀料粗加工。2)脆性断裂的标称应力低，通常低于材料的降伏点，通常低于设计应力。因此，也称为低应力脆性破坏。3)损坏总是从焊接缺陷或几何急剧变化、应力和变形集中开始。4)破损时，宏观塑性变形很少或很少，一般事故周围散落着

15、碎片。波段是易碎的扁平波段，宏观外观以人字纹、粒状、人字纹末端为基准，可以找出裂纹的来源。微结构大部分是晶界断裂和分裂断裂。(5)脆脆时，裂纹扩展速度很高，一般约为声速的三分之一，在钢中可达1200到1800米/秒。当裂纹达到较低的应力区或材料的高韧性时，裂纹停止扩展。6)模拟破坏时，温度对破坏附近的材料进行了韧性能量测试，结果显示其韧性非常差，远离断裂的材料的机械性质的再测试，其强度和伸长率经常符合原规格要求。第二，焊接结构易碎的原因分析研究了各种焊接结构脆性破坏事故，发现焊接结构脆性破坏是材料(包括母料和焊接材料)、结构设计和制造过程三个方面的综合结果。材料主要在工作温度下缺乏韧性，结构设

16、计主要导致限制材料塑性发挥的非常不利的应力状态。对于制造过程，除了焊接工艺缺陷引起的严重应力集中外，焊接热的作用还会导致材料(例如热影响区域的脆性)发生变化，并产生焊接残余应力和变形。影响金属材料脆性破坏的主要因素研究表明，同一金属材料受外部因素的影响，其破坏特性发生了变化。其中最重要的元素是温度、负载速度、应力状态，这三者通常共同作用。温度的影响温度对材料的断裂特性有很大的影响。图3-5是热轧低碳钢的温度-拉伸特性关系曲线。如图所示，随着温度的降低，材料的屈服应力s和破坏应力b增加。反映材料塑性的截面收缩率在温度降低时从-200 左右减少到0。其屈服应力与破坏应力几乎相同，表示材料破坏的特性

17、已从延性转变为脆性。在图中，屈服应力s是与破坏应力b同步的温度或温度区间，也称为材料的温度或临界温度，该温度或临界温度由延性转换为脆性。其他河流也有类似的规律，除了脆性转变温度的高低。因此，可以作为衡量材料脆性破坏的指标。脆性转变温度受测试条件的影响，如缺口试样的转变温度高于光滑试样的转变温度。图3-5 0.2%C钢温度与拉伸性能的关系温度不仅对材料的拉伸特性有类似的影响，而且对冲击韧性和断裂韧性也有类似的影响。图3-6是温度对其他材料的影响Ak，图3-7是温度对Ni-Cr-Mo-V钢的断裂韧性Klc的影响；图3-8显示了温度对Mn-Cr-Mo-V钢c的影响。温度降低时，韧性和韧性都下降，通过测试可以确认脆性转变温度。图3-6温度对三种不同材料减震工作的影响图3-7温度对Ni-Cr-Mo-V钢Klc的影响图3-8温度对Mn-C