2影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要因素
2.1靜載強(qiáng)度對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響
在鋼鐵材料的研究中，人們總是希望材料具有較高的比強(qiáng)度，即以較輕的自身重量去承擔(dān)較大的負(fù)載重量，因?yàn)橄嗤亓康慕Y(jié)構(gòu)可以具有極大的承載能力；或是同樣的承載能力可以減輕自身的重量。所以高強(qiáng)鋼應(yīng)運(yùn)而生，也具有較高的疲勞強(qiáng)度，基本金屬的疲勞強(qiáng)度總是隨著靜載強(qiáng)度的增加而提高。
但是對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來說，情況就不一樣了，因?yàn)楹附咏宇^的疲勞強(qiáng)度與母材靜強(qiáng)度、焊縫金屬靜強(qiáng)度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬強(qiáng)度匹配沒有多大的關(guān)系，也就是說只要焊接接頭的細(xì)節(jié)一樣，高強(qiáng)鋼和低碳鋼的疲勞強(qiáng)度是一樣的，具有同樣的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型式。Maddox研究了屈服點(diǎn)在386—636MPa之間的碳錳鋼和用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，但影響并不大。在設(shè)計(jì)承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，試圖通過選用較高強(qiáng)度的鋼種來滿足工程需要是沒有意義的。只有在應(yīng)力比大于+0.5的情況下，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)鋼。
造成上述結(jié)果的原因是由于在接頭焊趾部位沿溶合線存在有類似咬邊的熔渣楔塊缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半經(jīng)小于0.015mm.該尖銳缺陷是疲勞裂紋開始的地方，相當(dāng)于疲勞裂紋形成階段，因而接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命，主要由疲勞裂紋的擴(kuò)展階段決定。這些缺陷的出現(xiàn)使得所有鋼材的相同類型焊接接頭具有同樣的疲勞強(qiáng)度，而與母材及焊接材料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。
2.2應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響
2.2.1接頭類型的影響
焊接接頭的形式主要有：對(duì)接接頭、十字接頭、T形接頭和搭接接頭，在接頭部位由于傳力線受到干擾，因而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。
對(duì)接接頭的力線干擾較小，因而應(yīng)力集中系數(shù)較小，其疲勞強(qiáng)度也將高于其他接頭形式。但實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度在很大范圍內(nèi)變化，這是因?yàn)橛幸幌盗幸蛩赜绊憣?duì)接接頭的疲勞性能的緣故。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類型、焊接位置、焊縫形狀、焊后的焊縫加工、焊后的熱處理等均會(huì)對(duì)其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對(duì)接接頭由于墊板處形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，降低了接頭的疲勞強(qiáng)度。這種接頭的疲勞裂紋均從焊縫和墊板的接合處產(chǎn)生，而并不是在焊趾處產(chǎn)生，其疲勞強(qiáng)度—般與不帶墊板的最不佳外形的對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度相等
十字接頭或T形接頭在焊接結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。在這種承力接頭中，由于在焊縫向基本金屬過渡處具有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此十字或T形接頭的疲勞強(qiáng)度要低于對(duì)接接頭。對(duì)未開坡口的用角焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的開坡口接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對(duì)于開坡口焊透的的十字接頭，斷裂一般只發(fā)生在焊趾處，而不是在焊縫處。焊縫不承受工作應(yīng)力的T形和十字接頭的疲勞強(qiáng)度主要取決于焊縫與主要受力板交界處的應(yīng)力集中，T形接頭具有較高的疲勞強(qiáng)度，而十字接頭的疲勞強(qiáng)度較低。提高T形或十字接頭疲勞強(qiáng)度的根本措施是開坡口焊接，并加工焊縫過渡處使之圓滑過渡，通過這種改進(jìn)措施，疲勞強(qiáng)度可有較大幅度的提高。
搭接接頭的疲勞強(qiáng)度是很低的，這是由于力線受到了嚴(yán)重的扭曲。采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對(duì)接接頭是極不合理的，由于加大了應(yīng)力集中影響，采用蓋板后，原來疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭被大大地削弱了。對(duì)于承力蓋板接頭，疲勞裂紋可發(fā)生在母材，也可發(fā)生在焊縫，另外改變蓋板的寬度或焊縫的長度，也會(huì)改變應(yīng)力在基本金屬中的分布，因此將要影響接頭的疲勞強(qiáng)度，即隨著焊縫長度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲勞強(qiáng)度增加，這是因?yàn)閼?yīng)力在基本金屬中分布趨于均勻所致。
2.2.2焊縫形狀的影響
無論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對(duì)接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不同，其應(yīng)力集中系數(shù)也不相同，從而疲勞強(qiáng)度具有較大的分散性。對(duì)接焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度影響。
（1）過渡角的影響Yamaguchi等人建立了疲勞強(qiáng)度和基本金屬與焊縫金屬之間過渡角（外鈍角）的關(guān)系。試驗(yàn)中W（焊縫寬度）和h（高度）變化，但h/W比值保持不變。這意味著夾角保持不變，試驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞強(qiáng)度也保持不變。但如果W保持不變，變化參量h，則發(fā)現(xiàn)h增加，接頭疲勞強(qiáng)度降低，這顯然是外夾角降低的結(jié)果。
（2）焊縫過渡半徑的影響Sander等人的研究結(jié)果表明焊縫過渡半徑同樣對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度具有重要影響，即過渡半徑增加（過渡角保持不變），疲勞強(qiáng)度增加。角焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度也有較大的影響。
當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)算厚度a與板厚B之比a/B<0.6～0.7時(shí)，一般斷裂于焊縫；當(dāng)a/B>0.7時(shí)，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對(duì)提高疲勞強(qiáng)度僅僅在一定范圍內(nèi)有效。因?yàn)楹缚p尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面即焊趾端處基本金屬的強(qiáng)度，故充其量亦不能超過該處的疲勞強(qiáng)度。Soete，Van Crombrugge采用15mm厚板用不同的角焊縫施焊，在軸向疲勞載荷下的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫的焊腳為13mm時(shí)，斷裂發(fā)生在焊趾處基本金屬或焊縫中。當(dāng)焊縫的焊腳小于此值時(shí)，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫上；當(dāng)焊腳尺寸為18mm時(shí)斷裂發(fā)生在基本金屬中。據(jù)此他們提出極限焊腳尺寸：S=0.85B式中S為焊腳尺寸，B為板厚?？梢娍v使焊腳尺寸達(dá)到板厚時(shí)（15mm），仍可得焊縫處的斷裂結(jié)果，這一結(jié)果與理論結(jié)果符合得很好。
2.1靜載強(qiáng)度對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響
在鋼鐵材料的研究中，人們總是希望材料具有較高的比強(qiáng)度，即以較輕的自身重量去承擔(dān)較大的負(fù)載重量，因?yàn)橄嗤亓康慕Y(jié)構(gòu)可以具有極大的承載能力；或是同樣的承載能力可以減輕自身的重量。所以高強(qiáng)鋼應(yīng)運(yùn)而生，也具有較高的疲勞強(qiáng)度，基本金屬的疲勞強(qiáng)度總是隨著靜載強(qiáng)度的增加而提高。
但是對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來說，情況就不一樣了，因?yàn)楹附咏宇^的疲勞強(qiáng)度與母材靜強(qiáng)度、焊縫金屬靜強(qiáng)度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬強(qiáng)度匹配沒有多大的關(guān)系，也就是說只要焊接接頭的細(xì)節(jié)一樣，高強(qiáng)鋼和低碳鋼的疲勞強(qiáng)度是一樣的，具有同樣的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型式。Maddox研究了屈服點(diǎn)在386—636MPa之間的碳錳鋼和用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，但影響并不大。在設(shè)計(jì)承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，試圖通過選用較高強(qiáng)度的鋼種來滿足工程需要是沒有意義的。只有在應(yīng)力比大于+0.5的情況下，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)鋼。
造成上述結(jié)果的原因是由于在接頭焊趾部位沿溶合線存在有類似咬邊的熔渣楔塊缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半經(jīng)小于0.015mm.該尖銳缺陷是疲勞裂紋開始的地方，相當(dāng)于疲勞裂紋形成階段，因而接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命，主要由疲勞裂紋的擴(kuò)展階段決定。這些缺陷的出現(xiàn)使得所有鋼材的相同類型焊接接頭具有同樣的疲勞強(qiáng)度，而與母材及焊接材料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。
2.2應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響
2.2.1接頭類型的影響
焊接接頭的形式主要有：對(duì)接接頭、十字接頭、T形接頭和搭接接頭，在接頭部位由于傳力線受到干擾，因而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。
對(duì)接接頭的力線干擾較小，因而應(yīng)力集中系數(shù)較小，其疲勞強(qiáng)度也將高于其他接頭形式。但實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度在很大范圍內(nèi)變化，這是因?yàn)橛幸幌盗幸蛩赜绊憣?duì)接接頭的疲勞性能的緣故。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類型、焊接位置、焊縫形狀、焊后的焊縫加工、焊后的熱處理等均會(huì)對(duì)其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對(duì)接接頭由于墊板處形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，降低了接頭的疲勞強(qiáng)度。這種接頭的疲勞裂紋均從焊縫和墊板的接合處產(chǎn)生，而并不是在焊趾處產(chǎn)生，其疲勞強(qiáng)度—般與不帶墊板的最不佳外形的對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度相等
十字接頭或T形接頭在焊接結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。在這種承力接頭中，由于在焊縫向基本金屬過渡處具有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此十字或T形接頭的疲勞強(qiáng)度要低于對(duì)接接頭。對(duì)未開坡口的用角焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的開坡口接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對(duì)于開坡口焊透的的十字接頭，斷裂一般只發(fā)生在焊趾處，而不是在焊縫處。焊縫不承受工作應(yīng)力的T形和十字接頭的疲勞強(qiáng)度主要取決于焊縫與主要受力板交界處的應(yīng)力集中，T形接頭具有較高的疲勞強(qiáng)度，而十字接頭的疲勞強(qiáng)度較低。提高T形或十字接頭疲勞強(qiáng)度的根本措施是開坡口焊接，并加工焊縫過渡處使之圓滑過渡，通過這種改進(jìn)措施，疲勞強(qiáng)度可有較大幅度的提高。
搭接接頭的疲勞強(qiáng)度是很低的，這是由于力線受到了嚴(yán)重的扭曲。采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對(duì)接接頭是極不合理的，由于加大了應(yīng)力集中影響，采用蓋板后，原來疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭被大大地削弱了。對(duì)于承力蓋板接頭，疲勞裂紋可發(fā)生在母材，也可發(fā)生在焊縫，另外改變蓋板的寬度或焊縫的長度，也會(huì)改變應(yīng)力在基本金屬中的分布，因此將要影響接頭的疲勞強(qiáng)度，即隨著焊縫長度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲勞強(qiáng)度增加，這是因?yàn)閼?yīng)力在基本金屬中分布趨于均勻所致。
2.2.2焊縫形狀的影響
無論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對(duì)接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不同，其應(yīng)力集中系數(shù)也不相同，從而疲勞強(qiáng)度具有較大的分散性。對(duì)接焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度影響。
（1）過渡角的影響Yamaguchi等人建立了疲勞強(qiáng)度和基本金屬與焊縫金屬之間過渡角（外鈍角）的關(guān)系。試驗(yàn)中W（焊縫寬度）和h（高度）變化，但h/W比值保持不變。這意味著夾角保持不變，試驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞強(qiáng)度也保持不變。但如果W保持不變，變化參量h，則發(fā)現(xiàn)h增加，接頭疲勞強(qiáng)度降低，這顯然是外夾角降低的結(jié)果。
（2）焊縫過渡半徑的影響Sander等人的研究結(jié)果表明焊縫過渡半徑同樣對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度具有重要影響，即過渡半徑增加（過渡角保持不變），疲勞強(qiáng)度增加。角焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度也有較大的影響。
當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)算厚度a與板厚B之比a/B<0.6～0.7時(shí)，一般斷裂于焊縫；當(dāng)a/B>0.7時(shí)，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對(duì)提高疲勞強(qiáng)度僅僅在一定范圍內(nèi)有效。因?yàn)楹缚p尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面即焊趾端處基本金屬的強(qiáng)度，故充其量亦不能超過該處的疲勞強(qiáng)度。Soete，Van Crombrugge采用15mm厚板用不同的角焊縫施焊，在軸向疲勞載荷下的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫的焊腳為13mm時(shí)，斷裂發(fā)生在焊趾處基本金屬或焊縫中。當(dāng)焊縫的焊腳小于此值時(shí)，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫上；當(dāng)焊腳尺寸為18mm時(shí)斷裂發(fā)生在基本金屬中。據(jù)此他們提出極限焊腳尺寸：S=0.85B式中S為焊腳尺寸，B為板厚?？梢娍v使焊腳尺寸達(dá)到板厚時(shí)（15mm），仍可得焊縫處的斷裂結(jié)果，這一結(jié)果與理論結(jié)果符合得很好。