焊接接头和结构的疲劳强度

焊接接头和结构的疲劳强度

1、疲劳：材料在变动载荷作用下，会产生微观和宏观塑性变形，降低材料的继

续承载能力并引起裂纹，随着裂纹逐步扩展，最后导致断裂的过程。简单说即裂纹萌生和发展的过程。

2、疲劳形式：①机械疲劳、②接触疲劳、③蠕变疲劳、④热疲劳。

3、材料及结构疲劳失效的特征表现：①疲劳断裂形式与脆性断裂有明显差别；

②疲劳强度难以准确定量确定；③疲劳破坏一般从表面和应力集中处开始。

4、应力循环对称系数r：=-1时，称为交变载荷，疲劳强度用σ

-1

表示；=0时，

称为脉动载荷；≠-1时，称为不对称载荷，疲劳强度用σ

r

。

5、疲劳曲线：疲劳强度试验中，根据试件在裂纹萌生或完全断裂时所经受的应力循环次数N与载荷幅或应力幅所做的曲线，即S-N曲线。最重要的两种：①平均载荷为0时的对称循环疲劳强度曲线；②最小载荷为0时的脉动疲劳强度曲线。

6、疲劳断裂过程：①在应力集中处产生初始疲劳裂纹——裂纹萌生；②裂纹稳定扩展；③失稳断裂。三个阶段没有严格界限。

7、断口特征：从断裂开始点向四周射出类似贝壳纹的疲劳裂纹。塑性材料，宏观断口为纤维状，暗灰色；脆性材料，结晶状。

8、影响接头疲劳强度因素：①应力集中、②截面尺寸、③表面状态、④加载情况、⑤介质、⑥接头部位近缝区性能的改变、⑦焊接残余应力、⑧焊接缺陷。

①头部位有不同的应力集中，对接头的疲劳强度产生不同程度的影响。疲劳强

度系数γ=σ

rw /σ

r

(对于σ

⊥

或σ

∥

) γ=τ

rw

/τ

r

(对于τ

∥

)

对接焊缝由于形状变化不大，因此应力集中比其他形式接头小，但过大的余高和

基本金属件过度角会增加应力集中，使接头疲劳强度下降；②提高丁字、十字接头疲劳强度根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑；③低碳钢的近缝区金属力学性能变化对接头疲劳强度影响较小；低合金钢情况比较复杂，在热循环作用下，热影响区力学性能变化比低碳钢大；④在r比值较高时，例如在脉动载荷下，疲劳强度较高，在较高的拉应力作用下，内应力较快释放，因而内应力对其影响减弱；当r继续增大时，内应力进一步降低，对疲劳强度已不起作用。

9、疲劳强度设计：指按照规定的目标，对强度、寿命、安全性进行优化，并使组成结构的各构件都具有相同的疲劳强度、疲劳寿命和安全性的一种设计方法。

10、疲劳强度设计原则：1)承受拉伸、弯曲和扭转的构件应采用长而圆滑的过渡结构以减少刚度的突然变化。 2)优先选用对接焊缝、单边V形焊缝和K形焊缝，尽可能不用角焊缝。3)采用角焊缝时最好用双面焊缝，避免使用单面焊缝。 4)采用带有搭接板（盖板）的搭接接头和弯搭接接头，尽可能不用偏心搭接。 5)使焊缝位于低应力区，使缺口效应分散而避免其叠加。 6)在焊趾缺口、焊缝根部缺口和焊缝端面缺口之前或之后设置一些缓冲缺口以消除或降低上述缺口部位的应力。 7)承受横向弯曲的构件应缩短支撑间距以减小弯矩。 8)横向力应作用于剪切中心之上以减小扭矩。 9)承受拉伸与弯曲的构件如需加强，则加强长度应小，以减小加强对于构件变形的约束。 10)承受扭转的构件，为避免横截面翘曲受阻可采用切除翼缘端部、翼缘端部斜接等形式以及采用横截面不产生翘曲的型材。 11)使焊缝能包围较大面积或局部增加构件壁厚以减轻外力作用于薄壁构件上时引起的局部弯曲。 12)在薄壁范围内合理布置焊缝以减轻弯曲变形。 13)避免能扰乱力流的开口，但与力流垂直的加劲肋板角部应切除。 14)在特别危险的部位以螺栓接头或铆接接头、锻造连接件或铸造连

接件代替焊接接头。 15)消除能引起腐蚀的根部间隙。

11、提高疲劳强度工艺措施：①降低应力集中；②调整残余应力场（整体处理、局部加热处理、预先超载）；③改善材料表面性能；④特殊保护措施。

12、降低应力集中：①采用合理结构形式，减少应力集中；②尽量采用应力集中系数小的接头形式；③采用角焊缝时须采取综合措施；④某些情况下，可开缓和槽绕开应力集中处；⑤表面机械加工，消除焊缝及其附近各种刻槽；⑥采用电弧TIG焊或等离子束整形法代替机械加工，使焊缝平滑过渡。