焊接接头疲劳行为研究.pdf

第43卷第6期
现代冶金
Vol 43
2015年12月
Modern Metallurgy
Dec,2015
焊接接头疲劳行为研究
许科华,张国珍
(江苏法尔胜泓昇集团有限公司,江苏江阴214446
摘要:为了研究焊接接头的疲劳行为和焊接疲劳裂纹在焊接接头不同区城的扩展规律,设计了焊接接头的轴向疲
劳试验和疲劳裂纹扩展试验。通过轴向疲劳试验,得出了在不同条件下的SN曲线和SN方程;通过疲劳裂纹扩
展试验,得出疲劳裂纹扩展的门槛值,以及从疲劳裂纹产生到失效的疲劳寿命。
关犍词:焊接接头;轴向疲劳;疲劳裂纹扩展
中图分类号:TG405
试验,分别绘制SN曲线,并通过回归分析得出它
引言
们的疲劳曲线方程,试验参数如表1所示;第二部分
主要研究疲劳裂纹在焊缝区、热影响区和母材的扩
现在的钢结构失效案例中,大多是因为疲劳问展规律,分别得出它们的 Paris方程,并估算出构件
题引起的。疲劳破坏都是在交变载荷的作用下产生的剩余寿命。
的,它的整个过程包括裂纹的产生、裂纹的扩展及瞬
表1疲劳试验参数
间破坏的过程。桥梁钢桥面板是由桥梁钢焊接而
序号om/MPao/MPa(on+a1)/MPa
成的,对于整个焊接结构件来说,它的焊接接头就有
240
200
440
可能是整个构件中的薄弱环节,在目常的桥梁运行
240
中,由于车流和风力等的作用,桥梁用钢处于变动载
410
240
荷下工作。而且由于车辆行驶部位的随机性,桥梁
面板各个部位的受力状况在不断的变化而且是各不
240
相同的。这种不断变化的应力相当于是在对桥梁结
240
构进行疲劳破坏,随着时间的推移,在某些薄弱结
240
136
构,如焊接接头处,就容易产生疲劳裂纹,并随着疲
240
370
劳裂纹的扩展,最终导致桥梁的损坏。近年来,由于
这种失效而导致的桥梁破坏比比皆是,造成了很大2焊接接头应力疲劳行为
的经济损失。如1994年10月21日,韩国圣水大桥
突然断裂,断裂段塌入江中,导致了32人丧生的严
随着疲劳试验研究的不断发展,有限寿命设计
重后果,这次事故的一个主要原因是设计工艺存在已经成为一些大型构件包括大型桥梁的一个重要方
先天的缺陷,焊接接头全部被盖板盖住,影响了对焊法,这就要求有可靠准确的疲劳性能数据。疲劳
接接头疲劳裂纹的发现
强度一般包括疲芳极限强度和条件疲劳强度,试样
抵抗无限多次的应力循环而不断裂的强度称为极限
1焊接接头疲劳试验
疲劳强度,而在经历规定多次的疲劳时试样不发生
疲劳破坏的强度,则称作条件疲劳强度,条件疲劳强
焊接接头的疲劳试验,主要分两部分进行:第一度是在指定的疲劳寿命时通过SN曲线方程确定
部分在16kJ?cm~1,20kJ?cm-'和36kJ?cm-1的,因而得出准确的S-N曲线并推导出疲劳曲线方
三种热输入量条件下,针对不同应力载荷进行疲劳程具有很重要的意义。
收稿日期:2015-08-13
作者简介:许科华(1979一),工程师。电话:13912456465;E-mail:35505038@q,com
第4期
许科华,等:焊接接头疲劳行为研究
31
2.1焊接接头S-N曲线
在应力幅为130MPa时,试件达到3000万次而没
有发生疲劳破坏,而热输入量为36kJ?cm~时,当
表2是在三个不同热输入量下的疲劳试验数据应力幅为122MPa时在疲劳次数为9944308次发
和结果计算,通过这些数据绘制出不同热输入量下生疲劳破坏,继续降低应力幅,在应力幅为105MPa
的SN曲线如图1所示,根据这些可以看出时,试件达到3000万次而没有发生疲劳破坏,根据
Q345qD的疲劳极限强度和焊接工艺中的热输入量S-N曲线,热输入量为16kJ?cm~1和20kJ?cm1
有一定的关系,在热输入量为16kJ?cm~1和20条件下的疲劳极限强度都为376MPa,这个数值比
kJ?cm'时,当应力幅在140MPa时,试件的疲劳较接近屈服强度,而36kJ?cm'条件下的疲劳极
次数超过1000万次オ发生断裂,继续降低应力幅,限强度为355MPa,与屈服强度相比有一定的下降。
表2疲劳试验数据
d, /Mpa (m+o, /Mpa
疲劳次数N
16 k. cm
20kJ?cmi
36kJ?cm
440/420
64231
84231
153247
170/150
410/390
697333
1047333
968519
160/140
400/380
1524026
2624026
1885210
150/130
390/370
6239404
7939404
6945232
142/122
9724308
9944308
9816231
140/115
380/355
>1×10
>1×107
>1×10
136/110
376/350
>1.5×107
1.5×10>1,5×10
240
130/105
370/345
3×10
3×1
>3×107
下式
440
16k。cr
430
20 KJ
16kJ?cm
S=612X(2N)0314
420
ー36kJcm
20 kj.cm: =643 X(2N/)
(5)
36kJ?cm
S=629X(2Nr)~0,08300
(6)
根据所得到的S-N方程,绘制g(2NV)-lgS曲
370
线如图2所示。根据图2可以看出,在相同的应力
360
水平下,热输入量为20kJcm1所能承受的疲劳
50000001500000025000000
次数最多,而36kJ?cm~1所能承受的疲劳次数
最少
图1SN曲线
2.620
16 k. cm
-20 k. cm
2.610
2.2焊接接头疲劳方程
=36 KJ. cm
2.605
600
对于S-N曲线,常规的通用表达式为
2.595
32.59
S=r×(2Nr)
585
2.580
L为疲劳强度指数;r为疲劳强度系数;Nr为
疲劳次数;S为疲芳峰值应力。
570
对式(1)两边取对数,得到下式的疲劳曲线方程
2.56096.06.162636.46.56.66.76.8
Igs
+Llg(2 N)
(2
式中S和N都已经在表2中给出,设定疲劳曲
图2g(2Nr)-gS曲线曲线
线方程的基本形式如下式
2.3焊接接头疲劳断口分析
t b
3)
式中y代表lgS,x代表lg(2Nr)。y和x的值可
疲劳断口是指结构件在疲