材料力學(xué)性能53課件

5焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度

焊接作為現(xiàn)代理想的連接手段，與其它連接方法相比，具有經(jīng)濟(jì)、靈活的突出優(yōu)點(diǎn)，因此，各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都大量地采用焊接結(jié)構(gòu)。但是，許多運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)或承受動(dòng)載荷的結(jié)構(gòu)，在交變載荷作用下，即使在低應(yīng)力下也容易產(chǎn)生疲勞斷裂。5焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)中，90%為焊接結(jié)構(gòu)。一般情況下，焊接接頭承受靜載的能力并不比母材低，而承受動(dòng)載荷的能力卻遠(yuǎn)低于母材。這是因?yàn)椋缚p處存在應(yīng)力集中、焊接缺陷、殘余拉伸應(yīng)力，以及焊趾處顯微組織粗化等，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降，成為焊接結(jié)構(gòu)的疲勞薄弱環(huán)節(jié)。5.1各種焊接接頭的疲勞破壞形式

1．橫向?qū)雍缚p在沒有焊接缺陷時(shí)，帶有余高的橫向?qū)雍缚p，應(yīng)力集中主要發(fā)生在焊縫的焊趾和焊根處，所以疲勞破壞一般始發(fā)于此，見圖5-1a）和b）。a)b)圖5-1橫向?qū)咏宇^疲勞裂紋部位

3．角接焊縫角接焊縫的破壞形式有以下幾類：（1）在不承載的橫向角焊縫中，疲勞裂紋發(fā)生在焊趾處，見圖5-3（a）中①；（2）對(duì)于承載的橫向角焊縫，裂紋起始于焊趾①或焊根②，見圖5-3（b）；（3）對(duì)于承載和不承載的縱向角焊縫，裂紋都起始于焊縫兩端①②，見圖5-3（c）、（d）。圖5-3角接接頭的破壞形式（黑點(diǎn)表示裂紋的開始點(diǎn)）不承載的橫向角焊縫不承載的縱向角焊縫橫向角焊的筋板（縱向角焊的筋板）承載的橫向角焊縫承載的縱向角焊縫橫向角焊搭接側(cè)向角焊搭接（一）橫向?qū)咏宇^圖5-4中示出了橫向?qū)咏宇^中的工作應(yīng)力分布。為名義應(yīng)力，在焊趾和焊根處都有一定的應(yīng)力集中。圖5-4對(duì)接接頭中工作應(yīng)力的分布影響橫向?qū)雍缚p應(yīng)力集中的主要因素是焊縫余高h(yuǎn)和過渡處半徑r，見圖3-5。圖5-5對(duì)接焊縫余高h(yuǎn)、過渡半徑r與應(yīng)力集中系數(shù)Kσ的關(guān)系表5-1如果使用機(jī)械加工方法將余高切除，則應(yīng)力集中可以大大減小，對(duì)接接頭的疲勞極限可以明顯提高，見表5-1接頭的表面狀態(tài)對(duì)接接頭的疲勞極限σ-1（MPa)母材軋制狀態(tài)225～235橫向?qū)雍附討B(tài)117～127橫向?qū)觾擅婕庸?15～225縱向?qū)雍附討B(tài)179.34但當(dāng)焊縫帶有嚴(yán)重缺陷或未焊透時(shí)，其缺陷或未焊透處的應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重得多，這時(shí)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工則是毫無意義的。

1.各種端焊縫型式的搭接接頭，其疲勞極限與焊縫兩直角邊的比值和機(jī)加工情況有關(guān)。搭接端焊縫兩直角邊比疲勞極限σ0（MPa）母材2001．直角邊比1：1802．直角邊比1：2973．焊縫經(jīng)機(jī)械加工1024．蓋板直角邊比1：3.8，經(jīng)機(jī)械加工200

表5-2

2．側(cè)焊縫形式的搭接接頭，無論是受到拉-壓或彎曲載荷，其疲勞強(qiáng)度都比端焊縫低。見圖5-8和表5-3。材料應(yīng)力比疲勞極限（MPa）a)b)c)碳鋼σb=432MPaσs=262MPa0708090-134～434050表5-3

a)b)c)圖5-8側(cè)焊縫搭接接頭

（三）T形（十字）接頭

圖5-9中示出了T形（十字）接頭的工作應(yīng)力分布。其應(yīng)力集中系數(shù)遠(yuǎn)比對(duì)接接頭高。a)未開坡口角焊縫構(gòu)成的接頭b)開K形坡口角焊縫構(gòu)成的接頭圖5-9T形（十字）接頭的應(yīng)力分布圖5-10中示出了三種十字接頭型式。板厚12S=5a=8a）b）c）圖5-10三種十字接頭型式焊接接頭的疲勞極限母材金屬的疲勞極限正應(yīng)力下的疲勞缺口系數(shù)母材金屬應(yīng)力比（MPa）（MPa）備注St370236±15.72601.1圖中a）-1.0118±13.71621.4St5201913261.7-1.01392011.45St370103±14.72602.3圖中b）-1.071±15.71622.5St52-1.0782012.6St370882602.95圖中c）-1.0391624.15表5-4十字接頭的疲勞極限a）b）c）焊趾處的微小缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

大量試驗(yàn)表明，除各種焊接接頭的幾何尺寸因素造成應(yīng)力集中（應(yīng)力分布不均勻）外，焊趾處還存在著微小的氣孔、未焊透、細(xì)小的尖銳熔渣楔塊以及沿熔合線的輕微咬邊（見圖3-11）。熔渣楔塊的平均尺寸為0.15mm，咬邊深度在0.1mm以下，它們是一般探傷方法不能檢查出來的微小缺陷。圖5-11焊趾微觀缺口效應(yīng)圖5－12b)

CW－2C構(gòu)架側(cè)梁斷口照片b圖為裂紋斷口照片。由斷口照片可見：裂紋源在補(bǔ)強(qiáng)板焊縫靠近內(nèi)側(cè)的端部；此外，沿焊縫還有許多“臺(tái)階”，這是焊趾部許多微小缺陷引起的多條裂紋擴(kuò)展形成的。CW-2C（B）轉(zhuǎn)向架定位座補(bǔ)強(qiáng)后嚴(yán)重裂損的原因，主要是補(bǔ)強(qiáng)板只采用了角焊縫，沒有按照“焊滿磨平”的工藝要求去實(shí)施，從而在焊縫處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中；同時(shí)，焊縫質(zhì)量較差，特別是在焊趾處存在許多微小缺陷，大大削弱了該焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。

焊接殘余應(yīng)力的影響焊接殘余應(yīng)力的作用與平均應(yīng)力相當(dāng)，二者的區(qū)別僅在于：平均應(yīng)力在加載過程中是不變的，而焊接殘余應(yīng)力在加載過程中會(huì)逐漸釋放，因此其影響也逐漸減小。焊接殘余應(yīng)力如何影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度問題，至今仍存在爭(zhēng)議?；旧嫌袃煞N觀點(diǎn)：一類觀點(diǎn)是：殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響可以忽略。理由是：①焊接接頭的疲勞強(qiáng)度主要與焊縫幾何尺寸和焊趾部存在的應(yīng)力集中等因素的影響有關(guān)，殘余應(yīng)力的影響是第二位的；②拉伸殘余應(yīng)力使疲勞極限降低，壓縮殘余應(yīng)力使疲勞極限增加。焊接殘余應(yīng)力的總體影響不顯著。另一類觀點(diǎn)是：在一定條件下，殘余應(yīng)力可影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。如，當(dāng)高殘余拉應(yīng)力點(diǎn)與焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)重合時(shí)，殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響是毫無疑問的。表5-5中列出了退火處理對(duì)于對(duì)接接頭疲勞強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。

母材強(qiáng)度（MPa）試樣狀態(tài)σ-1（MPa）310母材210V形接頭焊接狀態(tài)93.7退火或回火96.3480母材235V形接頭焊接狀態(tài)118退火或回火122520母材307V形接頭焊接狀態(tài)126退火或回火134表5-5退火處理后對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度2．冷作強(qiáng)化處理（噴丸、滾壓、捶擊等），使焊接結(jié)構(gòu)表面（或接頭表面）造成壓縮殘余應(yīng)力，能大大提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。低碳鋼噴丸硬化層厚度可達(dá)0.4mm左右，對(duì)接接頭噴丸后，在2×106次循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度提高55～65％；非承載橫向角焊縫，疲勞強(qiáng)度提高36～39％。（二）交變載荷作用下焊接構(gòu)架上殘余應(yīng)力的變化殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的力學(xué)量，在交變載荷作用下會(huì)引起殘余應(yīng)力的變化（釋放）。其機(jī)理是：在動(dòng)應(yīng)力和殘余應(yīng)力共同作用下，如果某部位應(yīng)力值超過材料的屈服極限，就會(huì)在該部位產(chǎn)生塑性變形，使殘余應(yīng)力釋放，降低殘余應(yīng)力的峰值。動(dòng)應(yīng)力幅值愈大，殘余應(yīng)力下降的愈多愈快。一般在幾十次到幾萬次循環(huán)內(nèi)完成應(yīng)力釋放，釋放的幅值為50％～80％之間。焊接缺陷的影響（一）一般規(guī)律在焊接接頭中可能存在著各種缺陷，缺陷會(huì)造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對(duì)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。影響程度與缺陷的種類、位置和方向有關(guān)。1．缺陷可分為兩類：面狀缺陷（裂紋、未焊透及咬邊等）和體積型缺陷（氣孔、夾渣等）。面狀缺陷引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響比體積型缺陷要大。2．表面或靠近表面的缺陷比內(nèi)部缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷（如焊趾部）比位于均勻應(yīng)力場(chǎng)中同樣缺陷的影響大；位于拉應(yīng)力區(qū)的缺陷比在壓應(yīng)力區(qū)的影響大。3．與作用力方向垂直的缺陷比其它方向的缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響大。（二）面狀缺陷對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響1．未焊透（未熔合）b）橫向角接a）橫向?qū)訄D3-16未焊透表5-6中列出了未焊透深度對(duì)焊接接頭脈動(dòng)疲勞極限的影響（δ為板厚）疲勞極限未焊透深度（MPa）未焊透深度（MPa）完全焊透260（0.24～0.28）δ81（0.05～0.06）δ186（0.43～0.46）δ60（0.11～0.16）δ132疲勞極限表5-6交叉桿端部環(huán)焊縫焊根部未焊透，見圖5-15（a）、（b）;（a）圖為未焊透分布于整個(gè)環(huán)形斷口內(nèi)表面的邊緣；（b）圖為未焊透分布于環(huán)形斷口半環(huán)。疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：疲勞裂紋88%斷在交叉桿端部環(huán)焊縫處（14根試樣），只有兩根斷在交叉桿壓窩部位。

圖5-15

2．咬邊（咬肉）咬邊使焊縫與母材連接處產(chǎn)生凹槽，引起應(yīng)力集中，降低疲勞強(qiáng)度。如圖5-16中。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，咬肉深度不得超過1mm。接頭疲勞強(qiáng)度σ0（MPa）90~100160~180焊縫焊縫圖5-16咬肉對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響3．裂紋

焊接冷裂紋和熱裂紋是危害最大的缺陷，裂紋尖端的曲率半徑接近于零，是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源。能夠被檢測(cè)出來的裂紋，在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中都是被禁止的。4.點(diǎn)固焊

裝配焊接過程中，經(jīng)常采用點(diǎn)固焊定位，由于不能保證焊縫連續(xù)，疲勞裂紋會(huì)在點(diǎn)固焊兩側(cè)產(chǎn)生。圖5-17中為立板內(nèi)側(cè)點(diǎn)固焊處有未很好清根留下的焊渣，成為疲勞源，所以焊接操作時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行點(diǎn)固焊定位。圖5-17母體金屬材料性能的影響母材金屬的疲勞強(qiáng)度總是隨其靜強(qiáng)度的增加而提高。但對(duì)焊接結(jié)構(gòu)來說，只要焊接接頭的類型一樣，高強(qiáng)鋼和中低強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度基本一致，也具有相同的S-N曲線，這個(gè)規(guī)律適合對(duì)接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭形式，見圖5-18。圖5-18表面狀況及環(huán)境因素與疲勞極限和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系母體金屬材料性能的影響另外研究了屈服極限為386MPa～636MPa之間的碳錳鋼，采用6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展情況，結(jié)果表明：材料的力學(xué)性能對(duì)裂紋擴(kuò)展速率有一定影響，但影響也不大。所以，焊接結(jié)構(gòu)選用較高強(qiáng)度的鋼種是沒有意義的。只有靜強(qiáng)度條件起主要作用時(shí)，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼。這是因?yàn)樵诮宇^焊趾部沿熔合線存在有微觀缺口效應(yīng)—咬邊及熔渣楔塊缺陷，它是疲勞裂紋萌生的地方，因而焊接接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命主要由擴(kuò)展壽命決定。所以不同強(qiáng)度鋼材的焊接接頭，其疲勞強(qiáng)度與母材及焊接材料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。5.3合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式

焊縫、焊接接頭形式合理設(shè)計(jì)的原則是盡量降低各種形式的應(yīng)力集中。例如：l

（1）盡可能采用低加強(qiáng)高的對(duì)接接頭，重要焊縫甚至要用機(jī)加工手段去掉加強(qiáng)高。l

（2）承受疲勞載荷的十字接頭應(yīng)開坡口以增大熔深、保證焊透，并使角焊縫圓滑凹入、過渡至連接件母材上。l

（3）需要采用不開坡口的T形接頭和搭接接頭時(shí)，由于它們的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，可用調(diào)整焊腳尺寸并加工焊趾過渡區(qū)來降低應(yīng)力集中。一般，T形接頭采用雙面焊比單面焊好。5.3合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式

（4）設(shè)計(jì)蓋板接頭、附連板和筋板時(shí)，盡量采用圓滑過渡的結(jié)構(gòu)形式，見下圖。l

改進(jìn)前改進(jìn)后

5.3合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式

（5）應(yīng)避免雙條焊縫交叉或匯聚于一點(diǎn)。（6）盡量避免在結(jié)構(gòu)的大應(yīng)力區(qū)布置焊縫連接部位的剛度也不能過大。5.4影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素

對(duì)于整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，影響其疲勞強(qiáng)度的主要因素有三個(gè)：應(yīng)力幅值、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)（稱為細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)）。

下面以焊接鋼梁為例介紹各種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響。

焊接鋼梁結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度

工字梁結(jié)構(gòu)的腹板與翼緣連接角焊縫，大部分應(yīng)力集中發(fā)生在焊縫起弧—熄弧位置上。有兩種幾何上的缺口，一是弧坑使焊縫在縱向斷面上產(chǎn)生一個(gè)顯著的變化，見圖5-18；另一種是在熄弧與起弧焊道之間焊根處未完全熔化、由包住的夾渣造成的缺口。試驗(yàn)結(jié)果得出，在2×106次循環(huán)下，手工焊組拼梁的疲勞強(qiáng)度在133MPa～165MPa范圍內(nèi)。圖5-18換焊條的弧坑裂紋

為了改善疲勞強(qiáng)度，有兩種辦法：第一種辦法是開坡口、使焊縫熔透整個(gè)腹板，試驗(yàn)結(jié)果表明，在2×106次循環(huán)時(shí)，其疲勞強(qiáng)度可提高147MPa～200MPa。第二種辦法是采用自動(dòng)焊工藝，可以避免起弧—熄弧位置出現(xiàn)缺陷，試驗(yàn)結(jié)果為2×106次循環(huán)時(shí)其疲勞強(qiáng)度達(dá)到150MPa～185MPa。腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié)的影響

圖5-19中示出了腹板加強(qiáng)筋不同的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。其中，B型細(xì)節(jié)把加強(qiáng)筋焊到受拉翼緣（下翼板）上，此時(shí)疲勞破壞發(fā)生在翼緣上。試驗(yàn)結(jié)果表明，在2×106次循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度為100MPa。圖5-19腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié)

圖5-19中其它六種細(xì)節(jié)是把加強(qiáng)筋焊到腹板上，或是焊到腹板和受壓翼緣上。這些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的試件都在腹板中破壞，裂紋從一條或多條加強(qiáng)筋與腹板間的焊縫端部開始，所有細(xì)節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果都落在相同的分散帶內(nèi)，在2×106次循環(huán)時(shí)，加強(qiáng)筋板倒角的疲勞強(qiáng)度約為116MPa，不倒角的都為100MPa。拼接接頭細(xì)節(jié)的影響圖5-20中列出了幾種拼接接頭細(xì)節(jié)

圖5-20幾種拼接接頭細(xì)節(jié)2×106次ABC120145178型式拼接接頭疲勞強(qiáng)度（MPa）型式拼接接頭疲勞強(qiáng)度（MPa）2×106次134159159DEF

一般，沒有邊孔的拼接接頭，大部分破壞發(fā)生在焊趾上，或者在焊縫缺陷處，當(dāng)有邊孔時(shí)，在角焊縫端部或邊孔周圍的那些小缺口上，應(yīng)力集中導(dǎo)致低的疲勞強(qiáng)度，見圖5-21。圖5-21在腹板三角邊孔頂點(diǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中翼緣蓋板細(xì)節(jié)的影響圖5-22中列出了幾種翼緣蓋板端部細(xì)節(jié)及其疲勞強(qiáng)度圖5-22幾種翼緣蓋板端部細(xì)節(jié)ABC797980型式蓋板端部細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度（MPa）2×106次DEF型式蓋板端部細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度（MPa）2×106次83(77)9356G1005.5改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝措施

修整焊縫（一）局部機(jī)加工（打磨法）1．對(duì)焊縫進(jìn)行局部機(jī)加工有利于提高疲勞強(qiáng)度。將焊縫余高機(jī)加工平滑，疲勞強(qiáng)度能增加到幾乎和母材金屬一樣。

2．角接接頭一般采用砂輪或磨盤小心地打磨，達(dá)到高質(zhì)量的光滑程度。打磨時(shí)需要像圖5-23中B那樣，深入到板材表面下（下凹0.5mm左右），排除焊趾缺陷，其疲勞強(qiáng)度可提高70%左右；若象A這種磨削，疲勞強(qiáng)度增量只有30%左右。

圖5-23打磨焊趾缺陷AB

3．不承載角焊縫的兩端磨削成下凹形，試驗(yàn)證明，其疲勞強(qiáng)度也能改善70%左右；在兩端焊趾處輕微磨削，疲勞強(qiáng)度增量也只有30%左右。4．對(duì)于附連板縱向?qū)雍缚p端部的機(jī)加工處理也有兩種方法，見圖5-24。圖5－24一種是把尖角加工成一個(gè)合適的圓角；另一種方法則是在附連板的端點(diǎn)各鉆一個(gè)孔。疲勞強(qiáng)度改善的效果見表5-7。原疲勞強(qiáng)度（MPa）兩端磨成圓角兩端鉆孔半徑r(mm)疲勞強(qiáng)度（MPa）改善程度（%）孔徑（mm）疲勞強(qiáng)度（MPa）改善程度（%）86121001679501083720117507110128805958850表5-7焊縫端部機(jī)加工改善疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果TIG（鎢極惰性氣體保護(hù)焊）修整

TIG修整就是沿著焊縫焊趾再熔化，它不僅可使焊縫與母材之間平滑過渡、改善焊趾外形，并且消除了熔渣楔塊，從而提高接頭的疲勞強(qiáng)度。最適合處理與應(yīng)力方向垂直的橫向焊縫，試驗(yàn)證明，疲勞強(qiáng)度增加25～75%。焊縫表面的硬化處理采用噴丸或用錘頭撞擊焊縫表明或焊趾處：①消除焊趾處0.5mm以下的咬邊等缺陷；②加大焊趾處圓弧半徑，緩和幾何形狀突變引起的應(yīng)力集中；③預(yù)制表面殘余壓應(yīng)力。研究表明：噴丸硬化可以得到0.4mm左右的硬化層和殘余壓應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度改善量為33～37%。塑料涂層（預(yù)防大氣腐蝕）用塑料涂層來提高疲勞強(qiáng)度的方法是比較新的方法。塑料涂層的作用，主要是由于塑料里的碳鏈與金屬表面相互作用，有防腐作用，延長(zhǎng)裂紋的萌生壽命。目前，塑料涂層尚未進(jìn)入工程實(shí)用。疲勞裂紋實(shí)例分析

一、彈簧托梁疲勞裂紋分析1．彈簧托梁的結(jié)構(gòu)（見圖1）為防止搖枕與彈簧托梁發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在彈簧托梁上設(shè)有橫向拉桿座，通過橫向拉桿與搖枕連接。圖1搖動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)1－搖枕吊座；2－搖枕；3－空簧或鋼簧；4－彈簧托梁；5－橫向拉桿；6－橫向拉桿座彈簧托梁的結(jié)構(gòu)示于圖2中圖2圖3中示出了橫向拉桿座結(jié)構(gòu)，它由隔板、一塊外側(cè)筋板和兩塊內(nèi)側(cè)小筋板構(gòu)成。圖32．疲勞裂紋情況該車2004年6月－9月投入運(yùn)用后，經(jīng)過一年多于2005年11月9日在小筋板與彈簧托梁立板連接焊縫端頭發(fā)現(xiàn)一起疲勞裂紋，12月初在小筋板部位又發(fā)現(xiàn)3起裂紋，見圖4所示，圖5為裂紋部位放大圖。圖4裂紋照片圖圖5裂紋部位放大圖

3．裂紋原因分析出現(xiàn)疲勞裂紋的小筋板縱向角焊縫端頭是疲勞強(qiáng)度薄弱部位；從裂紋照片看，該部位的焊接質(zhì)量也比較差。這兩點(diǎn)可能就是引起疲勞裂紋的主要原因。針對(duì)這個(gè)原因的處理措施：對(duì)各筋板端部焊縫進(jìn)行打磨處理，使焊縫與母材圓滑過渡，并探傷檢查無裂紋。打磨部位和要求見圖6所示。圖6各筋板端部焊縫打磨處理

①?gòu)椈赏辛旱妮d荷分析（參見圖1）橫向力：橫向拉桿座部位；扭轉(zhuǎn)力：如果四根吊桿與彈簧托梁連接部的高度不一致，特別是對(duì)角位置存在高度差時(shí)，轉(zhuǎn)向架運(yùn)行中彈簧托梁將受到交變扭轉(zhuǎn)載荷的作用。②采用有限元方法計(jì)算彈簧托梁上的應(yīng)力狀態(tài)。計(jì)算中假設(shè)橫向力為20KN；在吊桿的四個(gè)連結(jié)點(diǎn)處施加10KN力產(chǎn)生扭矩。經(jīng)計(jì)算得出原結(jié)構(gòu)彈簧托梁上的應(yīng)力分布，見圖7。圖7原方案扭矩＋橫向力作用下應(yīng)力云圖由圖可見，最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩個(gè)內(nèi)側(cè)小筋板縱向角焊縫端頭處，而該處是疲勞強(qiáng)度薄弱部位，并存在收弧弧坑等焊接缺陷，因此產(chǎn)生了早期疲勞裂紋。4．確定橫向拉桿座改造方案根據(jù)對(duì)裂紋原因的分析、計(jì)算結(jié)果，提出三個(gè)改造方案。①改造方案一：取消內(nèi)側(cè)兩個(gè)小筋板（先切割去除，再打磨、探傷），在槽鋼內(nèi)加兩個(gè)小立板。小立板內(nèi)側(cè)面距離140mm，小立板長(zhǎng)、高均為90mm，單側(cè)坡口，如圖8所示：圖8改造方案一改造方案一有限元計(jì)算結(jié)果示于圖9。圖9扭轉(zhuǎn)＋橫向力下橫向拉桿座部位應(yīng)力云圖②改造方案二：將原內(nèi)、外筋板取消（先切割去除，再打磨、探傷），立板進(jìn)行切割，使內(nèi)外筋板及立板均下沉16mm，如圖10所示。圖10

改造方案二有限元計(jì)算結(jié)果示于圖11。圖11

③改造方案三：原方案的各筋板不改變，對(duì)各筋板端部焊縫進(jìn)行打磨處理。打磨后焊縫與母材圓滑過渡，探傷檢查無裂紋。打磨部位和標(biāo)準(zhǔn)如前面圖3-32。同時(shí)，在槽鋼內(nèi)側(cè)加焊兩個(gè)筋板，筋板尺寸120x80（三角形直邊尺寸），厚度10mm，高度方向距離槽形梁鋼底面59mm（與孔中心平齊）加焊后筋板端頭打磨，如圖12所示：圖12

改造方案三有限元計(jì)算結(jié)果示于圖13。圖13④改造方案的綜合分析見下表原方案改造方案方案一方案二方案三應(yīng)力狀況應(yīng)力值（MPa）455.6429.6405.2380.5-464.5-388.5-366.9-371.3下降5.7%11%15%工藝方面取消原內(nèi)側(cè)小筋板比較麻煩。取消原內(nèi)、外筋板，并切割立板十分麻煩，且易損壞槽形鋼。增加的小筋板與原小筋板間距為27mm，無法施焊。綜合評(píng)價(jià)疲勞強(qiáng)度改善不明顯疲勞強(qiáng)度改善有一定效果，但改造工藝麻煩。疲勞強(qiáng)度改善較好，但無法實(shí)施，可用于新造。共同措施：對(duì)各筋板角焊縫端部進(jìn)行打磨使焊縫與母材圓滑過渡；焊縫打磨后探傷檢查無裂紋；盡量將焊縫布置在應(yīng)力較小的部位。二、油箱吊梁疲勞裂紋分析

1．裂紋情況KD25G空調(diào)發(fā)電車，自2004年10月以來，其中K71型K122型等發(fā)電車車下油箱吊梁先后發(fā)現(xiàn)多起裂紋。裂紋發(fā)生車都是在1994年和1995年以后生產(chǎn)的，裂紋發(fā)生時(shí)間均在車輛廠修后1～2年左右，即新造出廠10年左右。車下油箱吊梁發(fā)生裂紋部位見圖1所示。圖1油箱吊梁裂紋實(shí)物照片2．裂紋原因分析（1）油箱吊梁與中梁下翼板連接部位為搭接接頭，均為短焊縫，起、落弧較多，焊接質(zhì)量差（見裂紋圖）。因此，該部位焊接接頭疲勞強(qiáng)度低，又處于（中梁下翼板）最大拉應(yīng)力部位，所以首先在焊縫端頭產(chǎn)生疲勞裂紋，然后向吊梁腹板擴(kuò)展。（2）油箱吊梁沿襲傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，只考慮了垂向載荷和橫向載荷、滿足靜強(qiáng)度要求。沒有考慮縱向載荷以及疲勞強(qiáng)度。

3．補(bǔ)強(qiáng)措施通過初步分析，擬定了補(bǔ)強(qiáng)措施：加兩塊水平筋板，焊在中梁腹板與吊梁腹板上，見圖2所示。圖2油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)措施按照TB/T1335-96中7.3條款“車體固結(jié)設(shè)備的強(qiáng)度要求”，按下面三種載荷進(jìn)行強(qiáng)度校核：縱向載荷為M×3g；橫向載荷為Mg；垂向載荷為M(1.5~3)g；M為油箱總重。采用有限元方法對(duì)油箱吊梁原結(jié)構(gòu)與補(bǔ)強(qiáng)后進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果列于下表。油箱吊梁與中梁下翼板連接部位強(qiáng)度校核結(jié)果載荷