文档介绍：5 焊接结构的疲劳强度
据统计,由于疲劳而失效的金属结构中,90%为焊接结构。一般情况下,焊接接头承受静载的能力并不比母材低,而承受动载荷的能力却远低于母材。这是因为,焊缝处存在应力集中、焊接缺陷、残余拉伸应力,以及焊趾处显微组织粗化等,导致疲劳强度下降,成为焊接结构的疲劳薄弱环节。
各种焊接接头的疲劳破坏形式

在没有焊接缺陷时,带有余高的横向对接焊缝,应力集中主要发生在焊缝的焊趾和焊根处,所以疲劳破坏一般始发于此,见图5-1 a)和b)。
a)
b)
图5-1 横向对接接头
疲劳裂纹部位

外力方向与对接焊缝平行,焊缝表面的波纹与应力方向垂直,疲劳破坏将从缺口最严重的鳞纹处开始,或者在更换焊条的那一点,见图5-2 a)。
在梁的翼缘边对接一个小附件,在焊缝端部形成严重的应力集中,因此裂纹常出现在焊缝端部,见图5-2 b)。
a)
b)
图5-2 纵向对接焊缝疲劳裂纹部位

角接焊缝的破坏形式有以下几类:
(1)在不承载的横向角焊缝中,疲劳裂纹发生在焊趾处,见图5-3(a)中①;
(2)对于承载的横向角焊缝,裂纹起始于焊趾①或焊根②,见图5-3(b);
(3)对于承载和不承载的纵向角焊缝,裂纹都起始于焊缝两端①②,见图5-3(c)、(d)。
图5-3角接接头的破坏形式
(黑点表示裂纹的开始点)
不承载的横向角焊缝
不承载的纵向角焊缝
横向角焊的筋板
(纵向角焊的筋板)
承载的横向角焊缝
承载的纵向角焊缝
横向角焊搭接
侧向角焊搭接
影响焊接接头疲劳强度的因素
应力集中的影响
研究表明,一个结构的疲劳特征主要决定于它所包含的应力集中的严重程度。由于所有的焊接接头不可避免地是应力集中点,自然,疲劳破坏很可能发生在接头部位。因此,应力集中是影响焊接接头疲劳强度的主要因素。
(一)横向对接接头
图5-4中示出了横向对接接头中的工作应力分布。为名义应力,在焊趾和焊根处都有一定的应力集中。
图5-4 对接接头中工作应力的分布
影响横向对接焊缝应力集中的主要因素是焊缝余高h和过渡处半径r,见图3-5 。
图5-5 对接焊缝余高h、过渡半径r与应力集中系数Kσ的关系
表5-1
如果使用机械加工方法将余高切除,则应力集中可以大大减小,对接接头的疲劳极限可以明显提高,见表5-1
接头的表面状态
对接接头的疲劳极限
σ-1 (MPa)
母材轧制状态
225~235
横向对接焊接态
117~127
横向对接两面加工
215~225
纵向对接焊接态

但当焊缝带有严重缺陷或未焊透时,其缺陷或未焊透处的应力集中要比焊缝表面的应力集中严重得多,这时焊缝表面进行机械加工则是毫无意义的。