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1、会计学1焊接结构焊接结构(jigu)疲劳问题的特殊性疲劳问题的特殊性第一页，共55页。3.1 3.1 不同于金属疲劳失效的特殊性不同于金属疲劳失效的特殊性3.2 3.2 焊接结构残余应力的形成与分布焊接结构残余应力的形成与分布3.3 3.3 应力变化范围应力变化范围(fnwi)(fnwi)标定焊接结构标定焊接结构S-NS-N曲线的一个曲线的一个特别特别 重要的力学概念重要的力学概念3.4 3.4 焊接结构疲劳寿命计算的相对性焊接结构疲劳寿命计算的相对性主要(zhyo)内容2 2第1页/共54页第二页，共55页。在近在近2020年里人们对焊接结构的疲劳裂纹的理解已经有进步了，年里人们对焊接结构的
2、疲劳裂纹的理解已经有进步了，普遍认为焊接接头的疲劳属性普遍认为焊接接头的疲劳属性(shxng)(shxng)与焊接之前的材料的疲劳与焊接之前的材料的疲劳属性属性(shxng)(shxng)是不同的。是不同的。3.13.1不同于金属疲劳不同于金属疲劳(plo)(plo)失效的特殊性失效的特殊性疲劳寿命(shumng)三个阶段对于焊接接头，产生疲劳裂纹一般比其它连接形对于焊接接头，产生疲劳裂纹一般比其它连接形式的循环次数少，这是因为焊接接头中不仅有应式的循环次数少，这是因为焊接接头中不仅有应力集中（如角焊缝、对接焊缝的焊趾处），而且力集中（如角焊缝、对接焊缝的焊趾处），而且在这些部位也易产生缺陷，
3、同时存在焊接残余应在这些部位也易产生缺陷，同时存在焊接残余应力。这些因素的综合作用，使得在焊接接头的疲力。这些因素的综合作用，使得在焊接接头的疲劳寿命中，疲劳裂纹产生阶段只占整个疲劳过程劳寿命中，疲劳裂纹产生阶段只占整个疲劳过程中的一段相当短的时间，而主要时间属于裂纹扩中的一段相当短的时间，而主要时间属于裂纹扩展。展。焊接接头3 3第2页/共54页第三页，共55页。由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用，其疲劳强度大幅度地低于基本应力的作用，其疲劳强度大幅度地低于基本(jbn)(jbn)金属的疲金属的疲劳强度。所以焊接结构的疲
4、劳强度取决于接头的疲劳性能，劳强度。所以焊接结构的疲劳强度取决于接头的疲劳性能，即焊接接头的抗疲劳性能，关系着焊接结构能否安全使用。即焊接接头的抗疲劳性能，关系着焊接结构能否安全使用。因此为了保证焊接结构可靠性，在设计承受交变动载荷的因此为了保证焊接结构可靠性，在设计承受交变动载荷的焊接结构时，设计规范规定以焊接接头的疲劳强度作为整焊接结构时，设计规范规定以焊接接头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强度，而不采用基本体结构的疲劳强度，而不采用基本(jbn)(jbn)金属的疲劳强度。金属的疲劳强度。3.13.1不同于金属疲劳不同于金属疲劳(plo)(plo)失效的特殊性失效的特殊性4 4第3页/共54
5、页第四页，共55页。焊接工艺特点及微观特征焊接工艺特点及微观特征焊接概念：焊接概念：两种或两种以上两种或两种以上(yshng)(yshng)材质，通过加热或加压，材质，通过加热或加压，达到分离的物体产生原子间结合而连接成整体的达到分离的物体产生原子间结合而连接成整体的工艺过程。工艺过程。焊接方法分类：焊接方法分类：3.13.1不同于金属不同于金属(jnsh)(jnsh)疲劳失效的特殊性疲劳失效的特殊性 1 1熔化熔化(rnghu)(rnghu)焊：焊：2 2压力焊：压力焊：3 3钎焊：钎焊：电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、电渣焊、电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、电渣
6、焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等电子束焊、激光焊、等离子弧焊等电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等高频焊、扩散焊等软钎焊、硬钎焊软钎焊、硬钎焊5 5第4页/共54页第五页，共55页。焊接工艺特点及微观(wigun)特征 焊接(hnji)过程中温度、相变、热应力之间的耦合效应 焊接过程是电弧物理、传热、冶金焊接过程是电弧物理、传热、冶金(yjn)(yjn)等相互作用等相互作用的复杂力学过程，焊接现象包括焊接时的电磁传热、金的复杂力学过程，焊接现象包括焊接时的电磁传热、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等等。属的熔化和凝
7、固、冷却时的相变、焊接应力与变形等等。6 6第5页/共54页第六页，共55页。1 1）焊缝）焊缝(hn(hn fn)fn)区区 焊接加热时，焊缝处的温度在液相线以上，母材与填充金属形焊接加热时，焊缝处的温度在液相线以上，母材与填充金属形成共同熔池，冷凝后形成为铸态组织。成共同熔池，冷凝后形成为铸态组织。在冷却过程中，液态金属自熔合区向焊缝的中心方向结晶，形在冷却过程中，液态金属自熔合区向焊缝的中心方向结晶，形成柱状晶组织。由于焊条芯及药皮在焊接过程中具有合金化作用，成柱状晶组织。由于焊条芯及药皮在焊接过程中具有合金化作用，焊缝金属的化学成分往往优于母材，只要焊条和焊接工艺参数选焊缝金属的化学成
8、分往往优于母材，只要焊条和焊接工艺参数选择合理择合理(hl)(hl)，焊缝金属的强度一般不低于母材强度。，焊缝金属的强度一般不低于母材强度。焊接接头金属组织焊接接头金属组织(zzh)(zzh)与性能与性能焊接工艺特点及微观特征 焊接接头焊接接头焊缝区焊缝区焊接热影响区焊接热影响区7 7第6页/共54页第七页，共55页。2 2）焊接）焊接(hnji)(hnji)热影响热影响区区 焊缝两侧的母材，由于焊缝两侧的母材，由于(yuy)(yuy)焊接热的作用，其组织和性能发焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。生变化的区域。焊接焊接(hnji)(hnji)接头金属组织与性能接头金属组织与性能焊接工艺
9、特点及微观特征 8 8第7页/共54页第八页，共55页。熔合区熔合区是焊缝和母材金属是焊缝和母材金属(jnsh)(jnsh)的交界区。（的交界区。（0.1-0.1-1mm1mm）加热加热(ji r)(ji r)温度：温度：T T液液TT固固强度、塑性、韧性极差，是裂纹强度、塑性、韧性极差，是裂纹(li wn)(li wn)和局部脆断的发源地。和局部脆断的发源地。过热区过热区加热温度：加热温度：T T固固1100 1100 塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。在热影响区内具有过热组织或晶粒在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（显著粗大的区域。（1-3mm1-
10、3mm）低碳钢的热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相低碳钢的热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。变区。焊接工艺特点及微观特征 9 9第8页/共54页第九页，共55页。正火区正火区加热加热(ji r)(ji r)温度：温度：1100 1100 AAC3C3在热影响区内相当于受到正火处理在热影响区内相当于受到正火处理(chl)(chl)的区域。（的区域。（1.2-4mm1.2-4mm）力学性能优于母材。力学性能优于母材。部分部分(b fen)(b fen)相变相变区区在热影响区内发生部分相变的区域。在热影响区内发生部分相变的区域。加热温度：加热温度：A AC3C3AAC1C1
11、力学性能较母材稍差。力学性能较母材稍差。力学性能最差的区域：力学性能最差的区域：熔合区熔合区和和过热区过热区焊接工艺特点及微观特征焊接工艺特点及微观特征1010第9页/共54页第十页，共55页。焊接时因工件材料、焊接材料、焊接电流等不同，焊焊接时因工件材料、焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化等现象，使得焊件性能下降，恶化焊接性能。因此，这等现象，使得焊件性能下降，恶化焊接性能。因此，这就需要调整焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保就需要调整焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理等，这样就可
12、以改善焊件的焊接质量。温和焊后热处理等，这样就可以改善焊件的焊接质量。另外，焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区另外，焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于由于(yuy)(yuy)受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中会产生焊接残余应力和变形，而收缩，冷却后在焊件中会产生焊接残余应力和变形，而焊接残余应力的存在，必然会影响焊接结构的抗疲劳性焊接残余应力的存在，必然会影响焊接结构的抗疲劳性能。能。焊接工艺焊接工艺(gngy)(gngy)特点及微观特征特点及微观特征1111第10页/共54页第十一页，共55页。另外，焊接是一种
13、刚度较大的联接方式，即联接构件另外，焊接是一种刚度较大的联接方式，即联接构件之间产生的相对位移较小，这种结构对设计或工艺因素之间产生的相对位移较小，这种结构对设计或工艺因素而产生的应力集中较为敏感。焊接过程具有而产生的应力集中较为敏感。焊接过程具有(jyu)(jyu)很多很多不稳定因素，除了因热输入而产生的应力集中外，焊接不稳定因素，除了因热输入而产生的应力集中外，焊接结构中的焊缝经常存在咬肉、夹渣、未焊透等焊接缺陷，结构中的焊缝经常存在咬肉、夹渣、未焊透等焊接缺陷，这些焊接缺陷必然会引起较高的局部应力集中。同时，这些焊接缺陷必然会引起较高的局部应力集中。同时，焊接连接一般是在整体几何形状不连
14、续处引入的，这种焊接连接一般是在整体几何形状不连续处引入的，这种局部几何形状的变化也会在焊缝处产生应力集中，而应局部几何形状的变化也会在焊缝处产生应力集中，而应力集中的存在，也必然会影响焊接结构的抗疲劳性能。力集中的存在，也必然会影响焊接结构的抗疲劳性能。焊接工艺特点及微观焊接工艺特点及微观(wigun)(wigun)特征特征1212第11页/共54页第十二页，共55页。焊缝疲劳与金属疲劳完全不同，不仅理论完全不一焊缝疲劳与金属疲劳完全不同，不仅理论完全不一样，试验数据也完全不一样。焊接接头对母材的屈服样，试验数据也完全不一样。焊接接头对母材的屈服强度不敏感，试验证明焊接接头疲劳数据对屈服强度
15、强度不敏感，试验证明焊接接头疲劳数据对屈服强度小于小于700MPa700MPa的母材是一样的，而金属疲劳则不是这样。的母材是一样的，而金属疲劳则不是这样。不取决于母材自身的屈服强度，那么，决定焊接接不取决于母材自身的屈服强度，那么，决定焊接接头疲劳强度高低的参数头疲劳强度高低的参数(cnsh)(cnsh)又是什么呢？又是什么呢？焊接焊接(hnji)(hnji)结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性1313应力(yngl)集中第12页/共54页第十三页，共55页。1.1.描述焊接描述焊接(hnji)(hnji)接头的术语接头的术语 焊接焊接(hnji)(hnji)过程是一个极其复杂的热过程，这里以一个
16、过程是一个极其复杂的热过程，这里以一个对接焊接对接焊接(hnji)(hnji)接头为例给出对任何焊接接头为例给出对任何焊接(hnji)(hnji)接头都适接头都适用的描述焊接用的描述焊接(hnji)(hnji)接头的术语：接头的术语：1 1）、母材形成焊接）、母材形成焊接(hnji)(hnji)接头的基本材料，简称为接头的基本材料，简称为BMBM（Base MetalBase Metal）；）；2 2）、焊材通过自己的热融化及冷却，将母材联系起来形）、焊材通过自己的热融化及冷却，将母材联系起来形成一个焊接成一个焊接(hnji)(hnji)接头（接头（Welded JointWelded Joi
17、nt）的材料，简称为）的材料，简称为WMWM（Weld MetalWeld Metal）；）；3 3）、热影响区靠近焊缝的母材，简称为）、热影响区靠近焊缝的母材，简称为HAZHAZ（Hot Hot Affect ZoneAffect Zone）；）；4 4）、焊趾：焊缝的根部（）、焊趾：焊缝的根部（ToeToe）；）；5 5）、焊根：焊缝的内部（）、焊根：焊缝的内部（Weld RootWeld Root）；）；6 6）、焊喉（焊深）：焊缝的有效高度（）、焊喉（焊深）：焊缝的有效高度（Weld ThroatWeld Throat、Weld Weld DepthDepth）。）。焊接焊接(hnji
18、)(hnji)结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性1414第13页/共54页第十四页，共55页。2.2.几个基本概念几个基本概念 焊接结构疲劳设计或评定焊接结构疲劳设计或评定(pngdng)(pngdng)过程中，计算或测量过程中，计算或测量应力时，应注意应力类型，不同的应力类型对应有不同的应力时，应注意应力类型，不同的应力类型对应有不同的疲劳强度，或对应有不同的疲劳强度，或对应有不同的S-NS-N曲线表达方式。目前出现的曲线表达方式。目前出现的应力分类主要有：名义应力（标称应力）、广义名义应力、应力分类主要有：名义应力（标称应力）、广义名义应力、热点应力（几何应力）、缺口应力、结构应力、等效结构
19、热点应力（几何应力）、缺口应力、结构应力、等效结构应力及应力变化范围。应力及应力变化范围。一个典型的焊接(hnji)接头上的应力分布焊接结构焊接结构(jigu)(jigu)疲劳的特殊性疲劳的特殊性1515第14页/共54页第十五页，共55页。3.3.焊接接头典型的疲劳破坏形式焊接接头典型的疲劳破坏形式 焊接接头典型疲劳破坏形式主要有两种：一种是板焊接接头典型疲劳破坏形式主要有两种：一种是板破坏，称为模式破坏，称为模式A A，或者起始于焊趾，或者起始于焊根，或者起始于焊趾，或者起始于焊根，依赖于接头很近的金属材料形状；另一种是焊缝破坏，依赖于接头很近的金属材料形状；另一种是焊缝破坏，称为模式称为
20、模式B B，或者穿透焊缝离融线很近的金属材料，或，或者穿透焊缝离融线很近的金属材料，或者接近于熔线，如图所示。从断裂力学的观点者接近于熔线，如图所示。从断裂力学的观点(gundin)(gundin)看，看，模式模式A A疲劳裂纹应当取决于破坏疲劳裂纹应当取决于破坏位置板截面方向相对于裂纹平面位置板截面方向相对于裂纹平面的法向应力分布，而模式的法向应力分布，而模式B B取决于取决于给定的破坏路径所定义的裂纹平面给定的破坏路径所定义的裂纹平面的法向应力分布。的法向应力分布。或者穿透焊缝，或者穿透焊缝，或者穿透熔线，这取决于实际疲劳或者穿透熔线，这取决于实际疲劳测试时观察到的主要裂纹路径。测试时观察
21、到的主要裂纹路径。焊缝和接头类型的两种主要(zhyo)的疲劳失效形式焊接结构焊接结构(jigu)(jigu)疲劳的特殊性疲劳的特殊性 1616第15页/共54页第十六页，共55页。而且，与破坏模式而且，与破坏模式B B相比相比(xin b)(xin b)，破坏模式，破坏模式A A的的S-NS-N数据数据显示出更少的离散性。原因很简单，模式显示出更少的离散性。原因很简单，模式A A裂纹处的应力状裂纹处的应力状态在给定板厚时可以更一致地得到，而与模式态在给定板厚时可以更一致地得到，而与模式B B的破坏路径的破坏路径相关的应力状态取决于实际焊喉尺寸，即便在试件中的同相关的应力状态取决于实际焊喉尺寸，
22、即便在试件中的同一条半融透焊缝内，焊喉尺寸都会发生明显变化。另外，一条半融透焊缝内，焊喉尺寸都会发生明显变化。另外，破坏路径的任何变化都会增加数据的离散性。事实上，模破坏路径的任何变化都会增加数据的离散性。事实上，模式式B B的破坏可以通过设计适当的焊缝尺寸和使用适当的焊接的破坏可以通过设计适当的焊缝尺寸和使用适当的焊接工艺予以避免。工艺予以避免。焊缝和接头类型的两种主要的疲劳(plo)失效形式焊接结构焊接结构(jigu)(jigu)疲劳的特殊性疲劳的特殊性1717第16页/共54页第十七页，共55页。4.4.焊接件特有的疲劳特征焊接件特有的疲劳特征 焊接接头的疲劳属性与焊接之前的材料的疲劳属
23、性是不焊接接头的疲劳属性与焊接之前的材料的疲劳属性是不同的，因此需要有不同方法以有效地同的，因此需要有不同方法以有效地 进行焊接件的疲劳评进行焊接件的疲劳评估估(pn)(pn)。正如董平沙教授及他人所总结的那样，焊接接。正如董平沙教授及他人所总结的那样，焊接接头疲劳的独有特征可以在近几十年的出版的文献中看到：头疲劳的独有特征可以在近几十年的出版的文献中看到：焊接结构焊接结构(jigu)(jigu)疲劳的特殊性疲劳的特殊性1818第17页/共54页第十八页，共55页。（1 1）焊接接头遵循的疲劳失效模式是可以明确区分的，）焊接接头遵循的疲劳失效模式是可以明确区分的，即它可能从何处开始出现裂纹，一
24、旦出现裂纹，裂纹又即它可能从何处开始出现裂纹，一旦出现裂纹，裂纹又可能朝着哪个方向发展。在大多的应用实例中有两种可可能朝着哪个方向发展。在大多的应用实例中有两种可能性可以描述给定焊接接头的失效形式：一个是焊趾处能性可以描述给定焊接接头的失效形式：一个是焊趾处的裂纹，一个是来源于焊根处的金属裂纹。在未焊接的的裂纹，一个是来源于焊根处的金属裂纹。在未焊接的部分，大多数研究和预测方法部分，大多数研究和预测方法(fngf)(fngf)的发展努力关注点的发展努力关注点是什么位置容易发生产生裂纹，和裂纹产生后会向哪里是什么位置容易发生产生裂纹，和裂纹产生后会向哪里扩展的结论。扩展的结论。焊接焊接(hnji
25、)(hnji)结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性 1919第18页/共54页第十九页，共55页。Non-weldedNon-weldedWeldedWelded （2 2）焊接接头的）焊接接头的S-NS-N数据中，至少在寿命区间内，有一个趋于数据中，至少在寿命区间内，有一个趋于一个特有的斜率（对于钢焊件，双对数坐标系图上的斜率是反一个特有的斜率（对于钢焊件，双对数坐标系图上的斜率是反向）；而光滑试件和未焊接的有缺口的试样却不是向）；而光滑试件和未焊接的有缺口的试样却不是(b shi)(b shi)这样。这样。焊接结构焊接结构(jigu)(jigu)疲劳的特殊性疲劳的特殊性 2020第19页/共5
26、4页第二十页，共55页。（3 3）焊接接头的）焊接接头的S-NS-N数据中，平均数据中，平均(pngjn)(pngjn)应力没有什么显著的应力没有什么显著的影响；而非焊接的试件中，平均影响；而非焊接的试件中，平均(pngjn)(pngjn)应力则有显著的影响，应应力则有显著的影响，应力变化范围是力变化范围是 最重要最重要 应力集中是关键。应力集中是关键。焊接焊接(hnji)(hnji)结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性2121金属材料平均应力(yngl)对疲劳的影响铝合金轴向加载45钢轴向加载第20页/共54页第二十一页，共55页。焊接结构(jigu)疲劳的特殊性 2222HHI的最新S-N数据
27、 焊接(hnji)接头第21页/共54页第二十二页，共55页。焊接结构(jigu)疲劳的特殊性 2323焊接接头 平均(pngjn)应力影响不大第22页/共54页第二十三页，共55页。（4 4）母材强度的影响几乎可以忽略不计，母材、焊缝）母材强度的影响几乎可以忽略不计，母材、焊缝和热影响区的性能和热影响区的性能(xngnng)(xngnng)，对某一大类材料（如钢），对某一大类材料（如钢）的疲劳性能的疲劳性能(xngnng)(xngnng)影响甚微影响甚微 。（。（Lewis 2001Lewis 2001）母材强度(qingd)的影响几乎可以忽略不计未焊接(hnji)钢材 焊接(hnji)钢材
28、焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性2424第23页/共54页第二十四页，共55页。（5 5）焊后热处理对焊接）焊后热处理对焊接(hnji)(hnji)接头的疲劳寿命影响接头的疲劳寿命影响不明显不明显整体热处理：理想的热处理下仍然存在一定(ydng)的残余应力比整体(zhngt)热处理方式存在更多的残余应力可能比焊态条件下的残余应力水平更高焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性2525第24页/共54页第二十五页，共55页。焊接结构(jigu)疲劳的特殊性 焊态 消除(xioch)残余应力焊接钢材2626第25页/共54页第二十六页，共55页。简而言之，金属疲劳的研究，要回答简而言之，金
29、属疲劳的研究，要回答“裂纹从何处萌生裂纹从何处萌生(mngshng)(mngshng)？”而对焊接接头而言，它没有裂纹萌生而对焊接接头而言，它没有裂纹萌生(mngshng)(mngshng)过程，焊缝上过程，焊缝上“大于零的大于零的”的微裂纹总是有的，的微裂纹总是有的，问题是观察的放大镜的倍数是否足够大。金属疲劳研究的问题是观察的放大镜的倍数是否足够大。金属疲劳研究的另一个要回答的问题是，另一个要回答的问题是，“裂纹沿着哪个方向扩展？裂纹沿着哪个方向扩展？”，对焊接接头而言，它的扩展模式是明确的，裂纹要么从焊对焊接接头而言，它的扩展模式是明确的，裂纹要么从焊址沿板的厚度方向扩展，要么从焊根向焊
30、喉方向扩展。与址沿板的厚度方向扩展，要么从焊根向焊喉方向扩展。与金属疲劳不同，焊接接头中有残余应力，但是，不论其大金属疲劳不同，焊接接头中有残余应力，但是，不论其大与小，也不论其分布如何复杂，它是自平衡的与外载荷无与小，也不论其分布如何复杂，它是自平衡的与外载荷无关。关。焊接焊接(hnji)(hnji)结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性2727第26页/共54页第二十七页，共55页。试验研究表明试验研究表明(biomng)(biomng)，焊缝的疲劳强度远低于母材的疲劳强度，焊缝的疲劳强度远低于母材的疲劳强度，从图某典型的结构钢母材和焊缝的从图某典型的结构钢母材和焊缝的S-NS-N曲线的比较可以
31、看出，焊缝的曲线的比较可以看出，焊缝的S-NS-N曲线仅在短寿命区有交点曲线仅在短寿命区有交点,而其它情况下焊缝的疲劳寿命更短，概而其它情况下焊缝的疲劳寿命更短，概况起来有以下主要原因：况起来有以下主要原因：(1)(1)由于焊接引入的几何特征，导致了应力的集中，在焊缝的趾部应力由于焊接引入的几何特征，导致了应力的集中，在焊缝的趾部应力达到最高，而且此处的几何形状也较难控制。达到最高，而且此处的几何形状也较难控制。(2)(2)焊接过程通常产生焊接缺陷，这些缺陷存在往往是产生裂纹的裂纹焊接过程通常产生焊接缺陷，这些缺陷存在往往是产生裂纹的裂纹源，如含有熔渣、未完全熔解、气孔等。源，如含有熔渣、未完
32、全熔解、气孔等。焊接焊接(hnji)(hnji)结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性2828第27页/共54页第二十八页，共55页。(3)(3)熔接部位的热影响区，此处母材被加热到很高的温度之熔接部位的热影响区，此处母材被加热到很高的温度之后被迅速冷却，由此，将会引起此区域的微观结构和性能的后被迅速冷却，由此，将会引起此区域的微观结构和性能的改变。改变。(4)(4)除非采取合理的方式消除焊缝区的残余应力，否则残余除非采取合理的方式消除焊缝区的残余应力，否则残余应力将达到材料屈服应力水平。应力将达到材料屈服应力水平。综上原因，焊接结构特有的疲劳特征，导致了焊缝的疲劳综上原因，焊接结构特有的疲劳特征，
33、导致了焊缝的疲劳强度与母材的疲劳强度截然不同，用母材抗疲劳属性替代焊强度与母材的疲劳强度截然不同，用母材抗疲劳属性替代焊缝的抗疲劳属性是不合理的，只有将焊接引起的缺陷、残余缝的抗疲劳属性是不合理的，只有将焊接引起的缺陷、残余应力、缺口效应及材料属性的变化加以综合考虑，并归纳出应力、缺口效应及材料属性的变化加以综合考虑，并归纳出哪些因素是有效哪些因素是有效(yuxio)(yuxio)评估焊接结构疲劳性能的重要参数，评估焊接结构疲劳性能的重要参数，这样的疲劳寿命预测才是科学有效这样的疲劳寿命预测才是科学有效(yuxio)(yuxio)的。的。焊接(hnji)结构疲劳的特殊性 2929第28页/共5
34、4页第二十九页，共55页。3.23.2焊接结构焊接结构(jigu)(jigu)残余应力的形成与分残余应力的形成与分布布焊接残余应力的形成焊接残余应力的形成(xngchng)(xngchng)1.1.焊接残余应力焊接残余应力 焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中某一瞬时的焊接应力称残余应力。焊接过程中某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随着时间而变化。焊后之为焊接瞬时应力，它随着时间而变化。焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。残留在焊件内的焊接
35、应力称之为焊接残余应力。焊接残余应力是由于焊接加热产生不均匀温度焊接残余应力是由于焊接加热产生不均匀温度场引起的。场引起的。3030第29页/共54页第三十页，共55页。2.2.焊接残余焊接残余(cny)(cny)应的分类应的分类 焊接残余(cny)应力的分类焊接残余应力(yngl)的形成 3131第30页/共54页第三十一页，共55页。3.3.焊接残余焊接残余(cny)(cny)应力产生的机理应力产生的机理 焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接残余焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接残余(cny)(cny)应力应力的决定性因素。的决定性因素。引起焊接残余应力的主要(zhyo)因素及其内在联系焊接
36、残余应力(yngl)的形成 3232第31页/共54页第三十二页，共55页。通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接残余应力产通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接残余应力产生机理可表述如下：生机理可表述如下：焊接热输人引起材料不均匀局部加热，使得焊缝区熔化；焊接热输人引起材料不均匀局部加热，使得焊缝区熔化；而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中，已发生制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中，已发生塑性变形的这部分材料塑性变形的这部分材料(如长焊缝的两侧如长焊缝的两侧)又受到周围条件又受到
37、周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上被拉伸形成拉应的制约，而不能自由收缩，在不同程度上被拉伸形成拉应力；与此同时，熔池凝固，形成的焊缝金属冷却收缩受阻力；与此同时，熔池凝固，形成的焊缝金属冷却收缩受阻时也将产生相应的拉应力。这样，在焊接接头区产生了缩时也将产生相应的拉应力。这样，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变，与其相对应，在构件中会形成自身短的不协调应变，与其相对应，在构件中会形成自身(zshn)(zshn)相平衡的内应力，通称为焊接瞬态应力。而焊后，相平衡的内应力，通称为焊接瞬态应力。而焊后，在室温条件下残留于焊件中的内应力称为焊接残余应力。在室温条件下残留于焊件中的内应力称为焊
38、接残余应力。焊接残余焊接残余(cny)(cny)应力的形成应力的形成 3333第32页/共54页第三十三页，共55页。4.4.焊接残余应力的分布焊接残余应力的分布a)a)厚板焊接时出现的焊接应力是三向的。厚板焊接时出现的焊接应力是三向的。b)b)当焊件厚度不大时（小于当焊件厚度不大时（小于20mm20mm），厚度方向的应力），厚度方向的应力zz相对较相对较小，可将其忽略而看成双向应力小，可将其忽略而看成双向应力xx、yy。c)c)薄长板条对接薄长板条对接(du ji)(du ji)焊时，因垂直焊缝方向的应力焊时，因垂直焊缝方向的应力yy较小而较小而忽略，主要考虑平行于焊缝轴线方向的纵向应力忽略
39、，主要考虑平行于焊缝轴线方向的纵向应力xx。焊接残余(cny)应力的分布 3434第33页/共54页第三十四页，共55页。纵向焊接残余应力的分布纵向焊接残余应力的分布 作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力，用力，用xx表示。在焊接结构中，焊缝及其附近区域的纵表示。在焊接结构中，焊缝及其附近区域的纵向残余应力为拉应力，一般可达到材料向残余应力为拉应力，一般可达到材料(cilio)(cilio)的屈服强的屈服强度。度。离开焊缝区，拉应力急剧下降并转为压应力。离开焊缝区，拉应力急剧下降并转为压应力。宽度相等的两板对接时，宽度相等的两板对接时，
40、其纵向残余应力在焊件横其纵向残余应力在焊件横截面上的分布情况如图所示。截面上的分布情况如图所示。对接接头对接接头对接接头对接接头(ji tu)x(ji tu)x(ji tu)x(ji tu)x在焊缝横截面上的分布在焊缝横截面上的分布在焊缝横截面上的分布在焊缝横截面上的分布焊接残余焊接残余(cny)(cny)应力的分布应力的分布3535第34页/共54页第三十五页，共55页。板边堆焊时，板边堆焊时，xx在焊缝在焊缝(hn fn)(hn fn)横截面上的分布。横截面上的分布。两块不等宽度的板对接时，宽度相差越大，宽板中的应力分布越接近于板边堆焊(du hn)时的情况。若两板宽度相差较小时，其应力分
41、布近似于等宽板对接时的情况。焊接焊接(hnji)(hnji)残余应力的分布残余应力的分布 3636第35页/共54页第三十六页，共55页。纵向应力纵向应力xx在焊件纵截面上的分布在焊件纵截面上的分布 在焊件纵截面端头由于拘束很小，在焊件纵截面端头由于拘束很小，xx为零，焊缝端部存在为零，焊缝端部存在(cnzi)(cnzi)一一个残余应力过渡区，焊缝中段是残余应力稳定区。个残余应力过渡区，焊缝中段是残余应力稳定区。当焊缝较短时，不存在当焊缝较短时，不存在(cnzi)(cnzi)稳定区，焊缝越短，稳定区，焊缝越短，xx越小。越小。a）短焊缝 b）中长焊缝 c）长焊缝不同(b tn)长度焊缝纵截面上
42、x的分布焊接残余应力焊接残余应力(yngl)(yngl)的分布的分布3737第36页/共54页第三十七页，共55页。横向焊接残余应力的分布横向焊接残余应力的分布 垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力，用垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力，用yy表示。表示。横向残余应力的产生横向残余应力的产生(chnshng)(chnshng)原因比较复杂，一般认为它原因比较复杂，一般认为它是由下面两部分合成得来的。是由下面两部分合成得来的。焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力yy，焊缝及其塑性变形区的横向收缩的不均匀和不同时性所引起焊缝及其塑性
43、变形区的横向收缩的不均匀和不同时性所引起的横向应力的横向应力yy。焊接残余焊接残余(cny)(cny)应力的分布应力的分布3838第37页/共54页第三十八页，共55页。纵向收缩纵向收缩(shu su)(shu su)引起的横向应力引起的横向应力yy图a）所示，该构件由两块平板条对接而成，如果假想沿焊缝中心将构件一分为二，即两块板条都相当于板边堆焊，将出现如图b）所示的弯曲变形，要使两板条恢复到原来位置，必须在焊缝中部加上横向拉应力，在焊缝两端加上横向压应力。由此可以推断(tudun)，焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力如图c）所示，其两端为压应力，中间为拉应力。焊接残余应力(yn
44、gl)的分布 3939第38页/共54页第三十九页，共55页。各种长度各种长度(chngd)(chngd)的平板条对接焊，其的平板条对接焊，其yy的分布规律基本相同，的分布规律基本相同，但焊缝越长，中间部分的拉应力将有所降低，如图所示。但焊缝越长，中间部分的拉应力将有所降低，如图所示。a）短焊缝 b）中长焊缝 c）长焊缝不同长度平板(pngbn)对接焊时y的分布焊接残余(cny)应力的分布 4040第39页/共54页第四十页，共55页。横向收缩横向收缩(shu su)(shu su)引起的横向应力引起的横向应力yy在焊接结构上，一条焊缝不可能同时完成，先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却。先冷却
45、的部分，限制后冷却部分的横向收缩，这就引起了y。y的分布(fnb)与焊接方向、分段方法及焊接顺序等因素有关。a）由中间(zhngjin)向两端焊 b）由两端向中间(zhngjin)焊焊接残余应力的分布 4141第40页/共54页第四十一页，共55页。特殊情况特殊情况(qngkung)(qngkung)下的残余应力分布下的残余应力分布（1 1）厚板中的焊接残余应力）厚板中的焊接残余应力（2 2）在拘束状态下焊接残余应力）在拘束状态下焊接残余应力（3 3）封闭焊缝中残余应力）封闭焊缝中残余应力（4 4）焊接梁柱中的残余应力）焊接梁柱中的残余应力（5 5）环形焊缝中的残余应力）环形焊缝中的残余应力厚
46、板电渣焊中沿厚度(hud)上的应力分布a)z在厚度(hud)上的分布 b)x在厚度(hud)上的分布 c)y在厚度(hud)上的分布焊接残余应力的分布 4242第41页/共54页第四十二页，共55页。特殊特殊(tsh)(tsh)情况下的残余应力分布情况下的残余应力分布（2 2）在拘束状态下焊接残余应力）在拘束状态下焊接残余应力拘束状态下对接接头的横向(hn xin)应力分布a)拘束(jsh)状态下的焊件 b)拘束(jsh)横向残余应力c)焊接横向残余应力 d)合成横向残余应力焊接残余应力的分布 4343第42页/共54页第四十三页，共55页。特殊特殊(tsh)(tsh)情况下的残余应力分布情况
47、下的残余应力分布（3 3）封闭焊缝中残余应力）封闭焊缝中残余应力圆形镶块封闭(fngb)焊缝的残余应力a）封闭焊缝 b）（切向应力(yngl)）和r（径向应力(yngl)）的分布焊接残余应力的分布 4444第43页/共54页第四十四页，共55页。特殊情况特殊情况(qngkung)(qngkung)下的残余应力分布下的残余应力分布（4 4）焊接梁柱中的残余应力）焊接梁柱中的残余应力一般情况一般情况(qngkung)(qngkung)下焊缝及其附近区域中总是存在下焊缝及其附近区域中总是存在有较高的纵向拉应力，而在腹板的中部则会产生纵有较高的纵向拉应力，而在腹板的中部则会产生纵向压应力。向压应力。焊
48、接(hnji)梁柱的纵向残余应力分布a）焊接T形梁的残余(cny)应力 b）焊接工字梁的残余(cny)应力 c）焊接箱形梁的残余(cny)应力焊接残余应力的分布 4545第44页/共54页第四十五页，共55页。特殊情况下的残余应力分布特殊情况下的残余应力分布（5 5）环形焊缝）环形焊缝(hn fn)(hn fn)中的残余应力中的残余应力 当管径和壁厚之比较大时，环形焊缝当管径和壁厚之比较大时，环形焊缝(hn fn)(hn fn)中的应中的应力分布与平板对接相类似，如图所示，但焊接残余应力力分布与平板对接相类似，如图所示，但焊接残余应力的峰值比平板对接焊要小。的峰值比平板对接焊要小。圆筒环缝纵缝
49、纵向(zn xin)残余应力分布焊接残余(cny)应力的分布 4646第45页/共54页第四十六页，共55页。应力范围为两倍的应力幅。应力范围为两倍的应力幅。最最近近2020余余年年的的研研究究，主主要要是是英英国国焊焊接接研研究究所所的的GuenyGueny博博士士的的研研究究表表明明,由由于于焊焊接接过过程程的的复复杂杂热热行行为为，结结构构焊焊接接接接头头焊焊后后的的焊焊缝缝及及其其附附近近存存有有达达到到或或接接近近屈屈服服点点的的残残余余应应力力（注注意意，该该残残余余应应力力具具有有自自平平衡衡性性，与与外外载载荷荷无无关关的的独独立立性性），因因此此在在常常幅幅应应力力循循环环作
50、作用用的的接接头头中中,焊焊缝缝附附近近所所承承受受的的实实际际循循环环应应力力将将从从母母材材材材料料的的屈屈服服应应力力(或或接接近近屈屈服服应应力力)向向下下摆摆动动,而而不不管管其其原原始始作作用用的的循循环环特特性性(txng)(txng)如何。如何。3.3 3.3 应力变化范围应力变化范围标定焊接标定焊接(hnji)(hnji)结构结构S-NS-N曲线的一个特别重要的力学概念曲线的一个特别重要的力学概念应力变化范围应力变化范围 应力变化范围这个概念针对应力变化范围这个概念针对(zhndu)(zhndu)焊接疲劳非常焊接疲劳非常重要。重要。4747第46页/共54页第四十七页，共55