焊接結構強度的基本理論

1、第三章焊接結構強度的基本理論焊接結構除了在使用過程中結構強度不足時會造成破壞外，還有其他形式的破壞，如疲勞破壞、脆性破壞等，這種破壞也是焊接結構的一般破壞形式。本章主要介紹了焊接結構疲勞破壞、脆性破壞的原因、提高疲勞強度和防止脆性破壞的主要措施。焊接結構第一部分的疲勞斷裂一、疲勞的定義疲勞定義為由重復應力引起的裂紋開始和緩慢擴展導致的結構部件損壞，疲勞極限是樣例在沒有疲勞破壞的情況下循環(huán)到“無數(shù)”應力的最大應力值。在重復載荷結構的應力集中部分，當施加給部件的公稱應力低于彈性極限時，可能會發(fā)生疲勞裂紋。疲勞裂紋開發(fā)的最后階段不穩(wěn)定性擴展(斷裂)突然發(fā)生，沒有預告，沒有明顯的塑性變形，預防措施困難

2、，因此疲勞裂紋對結構的安全性構成了巨大威脅。焊接結構也可能因交替應力或變形作用下的裂紋(或)擴展而被疲勞破壞。疲勞破壞通常從應力集中開始，但是焊接結構的疲勞破壞通常發(fā)生在焊接連接處。二、影響焊接接頭疲勞性能的因素焊接結構的疲勞強度，在很大程度上決定了構件中的應力集中，不適當?shù)倪B接形式和焊接過程中出現(xiàn)的各種缺陷(例如未焊接的穿透、咬邊等)是導致應力集中的主要原因。此外，熔接結構本身的某些性質(例如接合效能的不均勻性、熔接殘余應力等)會影響熔接結構的疲勞強度。1.應力集中和表面狀態(tài)的影響結構上幾何圖形的不連續(xù)性會產生應力集中的不同程度，金屬材料表面的槽口和內部缺陷會導致應力集中。熔接接合本身是幾何

3、間斷的，并且接合形式和熔接造型不同時，具有填角熔接的接合的應力集中程度更大的應力集中程度不同。構件的槽口越尖銳，應力集中越大(即應力集中系數(shù)k越大)，疲勞強度減少也越大。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)，具體取決于組織和強度。高強度鋼低強度鋼對槽口敏感。也就是說，如果有相同的槽口，高強度鋼的疲勞強度比低強度鋼低得多。在焊縫連接中，承載焊縫的槽口效應比非承載焊縫強，而在承載焊縫中，作為垂直于焊縫軸方向的載荷，凹槽最敏感。圖3-1是三種不同強度結構鋼的滾動表面光滑試樣、對接接頭和交叉接頭(未加工)的疲勞極限和應力比r的關系曲線(疲勞圖)。圖中顯示了曲面平滑(無應力集中)、強

4、度高的材料，疲勞強度也高。如果對接接頭中存在應力集中，這三種材料的疲勞強度均會降低。強度越高，縮減幅度越大。相交接合的應力集中程度更高，因此所有三種材料在一個應力層級減少了大量疲勞強度。表明，疲勞載荷下應力集中的存在消除了高強度鋼的靜載荷強度優(yōu)勢。圖3-1低、中、高強度結構鋼焊接接頭疲勞極限與應力比的關系a)軋制板材b)中等質量對接接頭c)中等質量交叉接頭圖3-2是低碳鋼搭接接頭疲勞試驗結果的比較。圖3-2 a是只有側焊縫的搭接接頭，疲勞強度只有母材的34%。焊腳1: 1的前焊縫的搭接接頭(圖3-2 b)比只有側焊縫的聯(lián)接疲勞強度稍高，但仍然較低。前焊接焊腳比率為1: 2的搭接接頭，改善了應力

5、集中，提高了疲勞強度，但效果不大。即使在焊縫到主切換區(qū)域(參見圖3-2d)中執(zhí)行表面加工，也不能顯著提高接頭的疲勞強度。根據(jù)強度條件，蓋子厚度超過要求的兩倍，焊腳比率為1: 38，只能通過機械加工(圖3-2e)將焊縫平滑轉換為母材，以提高疲勞強度(圖3-2e)，但不能采用這種連接，因為這樣的連接成本太高。圖3-2f連接了非常不合理的塢站接頭的板，這大大削弱了原始疲勞強度高的塢站接頭。圖3-2低碳鋼搭接接頭疲勞極限比較表面狀態(tài)粗糙相當于許多因應力集中而降低疲勞強度的微槽口。表面越粗糙，疲勞極限越小。材料的強度等級越高，表面狀態(tài)的影響也越大。焊接表面的波紋太粗糙，不利于接合的疲勞強度。焊接殘余應力

6、的影響焊接結構的殘余應力影響疲勞強度。焊縫殘余應力的存在改變了平均應力m的大小，但不改變應力幅度a。在“殘余拉伸應力”區(qū)域中增加平均應力會對疲勞強度產生不利影響，因為工作應力可能達到或超過疲勞極限。相反，殘余壓縮應力有利于提高疲勞強度。對于塑料材料，如果在循環(huán)特征r-1中材料先屈服，然后被疲勞破壞，則殘余應力不再有影響。焊接殘余應力是因為結構上拉伸應力和壓縮應力同時存在。如果可以調整壓縮殘余應力，使其位于材料表面或應力集中區(qū)域，則非常有利，如果材料表面或應力集中區(qū)域中存在殘余拉伸應力，則非常不理想，應將其刪除。焊接缺陷的影響焊縫缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷的類型、大小、方向和位置有關。片狀缺

7、陷(例如裂紋、未熔合、未焊接)的影響比有圓角的缺陷(例如氣孔等)大。表面缺陷比內部缺陷影響更大。垂直于作用方向的薄片缺陷的影響大于其他方向。殘余拉伸應力場的缺陷比殘余壓縮應力場的影響大。同樣的缺陷，在應力集中場(例如焊接趾裂和根裂)的影響大于在均勻應力場的影響。三、提高焊接結構疲勞強度的措施如上所述，應力集中是降低焊接連接和結構疲勞強度的主要原因，只有焊接連接和結構的結構合理，焊接工藝完善，焊接金屬質量良好，才能保證焊接連接和結構的疲勞強度高。要提高焊接接頭的疲勞強度，通常要采取以下措施：1.減少應力集中疲勞裂紋源于焊縫和結構的應力集中點，可以通過消除或減少應力集中的任何方法提高結構的疲勞強度

8、。(1)合理的結構形式盡量不搭接合，優(yōu)先選擇對接接合；重要結構最好將t或轉角接頭變更為對接接頭，以使焊接避免轉角部分。如果t型接頭或圓角接頭是必需的，請使用完全焊透對接焊接。盡量避免偏心負載設計，以免元件的內力順暢、分布均勻、產生額外應力。減少斷面突變，板厚或板寬差異大，對接時要設計平緩的過渡區(qū)域。結構的尖角或拐角應使曲率半徑越大，圓弧就越圓。確保3向焊接空間不相交，焊縫不設置在應力集中區(qū)域，避免在主要拉伸構件上設置側焊縫。在不可避免的情況下，必須保證焊縫的內外質量，減少焊縫腳趾的應力集中。只能單面焊接的對接焊縫，重要結構中不允許在背面放置永久墊板。不要使用間斷焊縫，因為在每個焊接段的起始端，

9、應力集中程度更高。摘要在常溫靜態(tài)載荷下工作的焊接結構和在動態(tài)載荷或低溫下工作的焊接結構在施工設計上有不同的要求，更注重詳細設計。表3-1顯示了兩種載荷條件下的配置設計差異。表3-1常溫下靜態(tài)和可變載荷的焊接結構在詳細設計中存在差異序號靜態(tài)負載下工作在可變載荷下工作1表圖3-1表圖3-102表圖3-2表圖3-113表圖3-3表圖3-124表圖3-4表圖3-135表圖3-5表圖3-146表圖3-6表圖3-157表圖3-7表圖3-168表圖3-8表圖3-179表圖3-9表圖3-18(2)正確的焊縫形狀和良好的焊縫內部和外部質量對接接頭焊縫的馀力應盡可能小，最好是平整(或拋光)，不留下焊后旅費；T形接

10、頭建議使用具有凹面的填角熔接，而不要使用具有擠出部分的填角熔接。在焊接和母材表面的交點處，焊接腳趾要平穩(wěn)過渡，必要時要研磨焊接腳趾，或者重新溶解氬弧焊弧，減少那里的應力集中。所有焊接缺陷都具有不同的應力集中程度。特別是裂紋焊接缺陷(例如裂紋、成本接觸貫穿、無融合和咬邊)對疲勞強度的影響最大。因此，為了減少焊接缺陷，必須在結構設計中消除過多缺陷，以便容易焊接。2.殘余應力調整殘余壓縮應力會增加疲勞強度，拉伸應力會降低疲勞強度。因此，如果構件表面或應力集中存在殘余壓縮應力，則可以提高疲勞強度。例如，通過調整焊接順序、部分加熱等，可以獲得有助于提高疲勞強度的殘余應力場。對接熔接1(如圖3-3所示)受

11、到最大彎曲應力垂直的I梁對接。如果在接頭兩端未焊接角焊縫3，則首先焊接焊縫1，然后將腹板焊接到接縫2，收縮焊縫2，使焊縫1產生殘余壓縮應力。由于最后一個熔接保留的填角熔接3的收縮，裂口1和接縫2中均存在殘余壓縮應力。測試結果表明，該焊接順序首先焊接焊縫2，然后比焊縫1的疲勞強度高30%。圖3-4是縱向焊接連接節(jié)點板，是縱向接頭端槽口中的應力集中點，執(zhí)行點形狀的部分加熱可以形成在加熱位置適當?shù)那闆r下在槽口中獲得有利壓力殘余應力的殘余應力場。圖3-3 I梁對接焊接順序圖3-4節(jié)點板局部加熱的殘余應力此外，還可以使用滾動、錘或噴丸等表面變形強化，使金屬表面塑性變形和硬化，并在表面產生殘余壓縮應力，從

12、而提高疲勞強度。對于帶槽口的構件，使用一次預過載拉伸，可以在槽口頂部獲得殘余壓縮應力。彈性卸載后槽口殘余應力的符號總是與(彈塑性)載荷下槽口應力的符號相反。此方法不應使用彎曲過載或多重拉伸載荷。與壓力容器水壓試驗等結構驗收試驗結合時，起到預過載拉伸的作用。3.改善材料的組織和性質1)提高母材金屬和焊接金屬的疲勞抵抗力，還要考慮材料的內部質量。要提高材料的冶金質量，減少鋼的夾雜物。重要部件可以使用真空熔煉、真空脫氣、甚至electroslag remelting等熔煉過程的材料來確保純度。室溫精煉晶粒鋼可以提高疲勞壽命。熱處理可以獲得最佳組織狀態(tài)，在提高(或保證)強度的同時，提高塑性和韌性。回火

13、馬氏體、低碳馬氏體(通常有自己的回火效果)和河北鎳等組織具有較高的疲勞阻力。2)強度、塑性和韌性要合理調整。強度是材料抵抗斷裂的能力，但高強度材料對縫隙很敏感。塑性的主要作用是通過塑性變形吸收變形工作，減少最大應力，重新分布高應力。槽口和裂紋尖端鈍化，裂紋擴展緩和或中斷。塑性能保證強度效應充分發(fā)揮。因此，在高強度鋼和超高強度鋼的情況下，提高一些塑性和韌性，可以大大提高抗疲勞能力。4.特別保護措施大氣和介質侵蝕經常影響材料的疲勞強度，因此使用一定的保護涂層是有利的。例如，在應力集中涂漆帶填料的塑料層是實用的改進方法。第二節(jié)焊接結構的脆性斷裂焊接結構廣泛使用以來，發(fā)生了一些脆性破壞(即脆性破壞)事

14、故。這種事故沒有征兆，突然發(fā)生，一般都有致命的后果，必須重視。焊接結構易碎的原因有材料選擇、結構設計、制造質量和操作條件等多種。防止焊接結構易碎的系統(tǒng)工程只能通過個別測試或計算方法來保證安全使用。一、焊接結構脆性斷裂的基本現(xiàn)象和特點通過對大規(guī)模焊接結構脆性斷裂事故的分析，發(fā)現(xiàn)焊接結構脆性斷裂有以下幾個現(xiàn)象和特點。1)大多數(shù)馀料粗加工是在環(huán)境溫度或介質溫度降低時發(fā)生的，因此稱為低溫馀料粗加工。2)脆性斷裂的標稱應力低，通常低于材料的降伏點，通常低于設計應力。因此，也稱為低應力脆性破壞。3)損壞總是從焊接缺陷或幾何急劇變化、應力和變形集中開始。4)破損時，宏觀塑性變形很少或很少，一般事故周圍散落著

15、碎片。波段是易碎的扁平波段，宏觀外觀以人字紋、粒狀、人字紋末端為基準，可以找出裂紋的來源。微結構大部分是晶界斷裂和分裂斷裂。(5)脆脆時，裂紋擴展速度很高，一般約為聲速的三分之一，在鋼中可達1200到1800米/秒。當裂紋達到較低的應力區(qū)或材料的高韌性時，裂紋停止擴展。6)模擬破壞時，溫度對破壞附近的材料進行了韌性能量測試，結果顯示其韌性非常差，遠離斷裂的材料的機械性質的再測試，其強度和伸長率經常符合原規(guī)格要求。第二，焊接結構易碎的原因分析研究了各種焊接結構脆性破壞事故，發(fā)現(xiàn)焊接結構脆性破壞是材料(包括母料和焊接材料)、結構設計和制造過程三個方面的綜合結果。材料主要在工作溫度下缺乏韌性，結構設

16、計主要導致限制材料塑性發(fā)揮的非常不利的應力狀態(tài)。對于制造過程，除了焊接工藝缺陷引起的嚴重應力集中外，焊接熱的作用還會導致材料(例如熱影響區(qū)域的脆性)發(fā)生變化，并產生焊接殘余應力和變形。影響金屬材料脆性破壞的主要因素研究表明，同一金屬材料受外部因素的影響，其破壞特性發(fā)生了變化。其中最重要的元素是溫度、負載速度、應力狀態(tài)，這三者通常共同作用。溫度的影響溫度對材料的斷裂特性有很大的影響。圖3-5是熱軋低碳鋼的溫度-拉伸特性關系曲線。如圖所示，隨著溫度的降低，材料的屈服應力s和破壞應力b增加。反映材料塑性的截面收縮率在溫度降低時從-200 左右減少到0。其屈服應力與破壞應力幾乎相同，表示材料破壞的特性

17、已從延性轉變?yōu)榇嘈浴Ｔ趫D中，屈服應力s是與破壞應力b同步的溫度或溫度區(qū)間，也稱為材料的溫度或臨界溫度，該溫度或臨界溫度由延性轉換為脆性。其他河流也有類似的規(guī)律，除了脆性轉變溫度的高低。因此，可以作為衡量材料脆性破壞的指標。脆性轉變溫度受測試條件的影響，如缺口試樣的轉變溫度高于光滑試樣的轉變溫度。圖3-5 0.2%C鋼溫度與拉伸性能的關系溫度不僅對材料的拉伸特性有類似的影響，而且對沖擊韌性和斷裂韌性也有類似的影響。圖3-6是溫度對其他材料的影響Ak，圖3-7是溫度對Ni-Cr-Mo-V鋼的斷裂韌性Klc的影響；圖3-8顯示了溫度對Mn-Cr-Mo-V鋼c的影響。溫度降低時，韌性和韌性都下降，通過測試可以確認脆性轉變溫度。圖3-6溫度對三種不同材料減震工作的影響圖3-7溫度對Ni-Cr-Mo-V鋼Klc的影響圖3-8溫度對Mn-C