焊接结构疲劳问题的特殊性.pptx

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1、大连交通大学大连交通大学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焊接结构残余应力的形成与分布与分布3.3 3.3 应力变化范围应力变化范围标定焊接结构标定焊接结构S-NS-N曲线的一个特别曲线的一个特别 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内容主要内容0 0第第1页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 在近在近2020年里人们对焊接结构的年里人们对焊接结构的疲劳裂纹疲劳裂纹的理解已经的理解已经有进步了有进步了，普遍认为焊接接头的疲劳属性与焊接之前普遍认为焊接

2、接头的疲劳属性与焊接之前的材料的疲劳属性是不同的的材料的疲劳属性是不同的。3.13.1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疲劳寿命三个阶段疲劳寿命三个阶段对于焊接接头，产生疲劳裂纹一般比其它对于焊接接头，产生疲劳裂纹一般比其它连接形式的循环次数少，这是因为焊接接连接形式的循环次数少，这是因为焊接接头中不仅有应力集中（如角焊缝、对接焊头中不仅有应力集中（如角焊缝、对接焊缝的焊趾处），而且在这些部位也易产生缝的焊趾处），而且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劳寿命的综合作用，使得在焊接接头的疲劳寿

3、命中，疲劳裂纹产生阶段只占整个疲劳过程中，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，而主要时间属于中的一段相当短的时间，而主要时间属于裂纹扩展。裂纹扩展。焊接接头焊接接头1 1第第2页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 由于焊接接头焊趾处的由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力拉伸应力的作用，其疲劳强度大幅度地低于基本金属的作用，其疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。所以焊接结构的疲劳强度取决于接头的的疲劳强度。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，关系着焊接结疲劳性能，即焊接接头的抗疲劳性能，关系着焊接

4、结构能否安全使用。因此为了保证焊接结构可靠性，在构能否安全使用。因此为了保证焊接结构可靠性，在设计设计承受交变动载荷的焊接结构时承受交变动载荷的焊接结构时，设计规范规定以，设计规范规定以焊接接头的疲劳强度焊接接头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强度，而不作为整体结构的疲劳强度，而不采用基本金属的疲劳强度采用基本金属的疲劳强度。3.13.1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2 2第第3页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学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：两种或两种以上材质，通过加热或加压，达到分离两种或两种以上材质，通过加热或加压，达到分离的物体

5、产生原子间结合而连接成整体的工艺过程。的物体产生原子间结合而连接成整体的工艺过程。焊接方法分类：焊接方法分类：3.13.1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 1 1熔化焊熔化焊：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）、电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等电渣焊、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3 3第第4页页/共共54页页大连交通大学大连交通大

6、学焊接工艺特点及微观特征焊接工艺特点及微观特征 焊接过程中温度、相变、热应力之间的耦合效应焊接过程中温度、相变、热应力之间的耦合效应 焊接过程是电弧物理、传热、冶金等相互作用的复焊接过程是电弧物理、传热、冶金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、金属杂力学过程，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。的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等等。4 4第第5页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学1 1）焊缝区）焊缝区 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

7、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分往往优于母材，只要焊条和焊接工艺参数选择合理，焊缝金属的强度一般不低于母材强度。择合理，焊缝金属的强度一般不低于母材强度。焊接接头焊接接头金属组织与性能金属组织与性能焊接工艺特点及微观特征焊接工艺特点及微观特征 焊接接头焊接接头焊缝区焊缝

8、区焊接热影响区焊接热影响区5 5第第6页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学2 2）焊接热影响区）焊接热影响区 焊缝两侧的母材，由于焊接热焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的作用，其组织和性能发生变化的区域。的区域。焊接接头焊接接头金属组织与性能金属组织与性能焊接工艺特点及微观特征焊接工艺特点及微观特征 6 6第第7页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 熔合区熔合区是焊缝和母材金属的交界区。（是焊缝和母材金属的交界区。（0.1-1mm0.1-1mm）加热温度：加热温度：T T液液TT固固强度、塑性、韧性极差，是裂强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。纹和

9、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在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（粒显著粗大的区域。（1-3mm1-3mm）低碳钢的热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和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。部分相变区。焊接工艺特点及微观特征焊接工艺特点及微观特征 7 7第第8页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 正火区正火区加热温度：加热温度：1100 1100 AAC3C3在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（在热影响区内相当

10、于受到正火处理的区域。（1.2-4mm1.2-4mm）力学性能优于母材。力学性能优于母材。部分相变区部分相变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8 8第第9页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 焊接时因工件材料、焊接材料、焊接电流等不同，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、淬硬焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、

11、淬硬或软化等现象，使得焊件性能下降，恶化焊接性能。或软化等现象，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、焊时保温和焊后热处理等，这样就可以改善预热、焊时保温和焊后热处理等，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，焊接区由于受到四周工件本体的拘热和冷却过程，焊接区由于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，而焊接残余应力和变形，而焊接残余应力焊接残余

12、应力的存在，必的存在，必然会然会影响焊接结构的抗疲劳性能影响焊接结构的抗疲劳性能。焊接工艺特点及微观特征焊接工艺特点及微观特征9 9第第10页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 另外，焊接是一种刚度较大的联接方式，即联接另外，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而产生的应力集中较为敏感。焊接过程具工艺因素而产生的应力集中较为敏感。焊接过程具有很多不稳定因素，除了因热输入而产生的应力集有很多不稳定因素，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、未中外，焊接结构中的焊缝经

13、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，焊接连接一般是在整体几何局部应力集中。同时，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，而会在焊缝处产生应力集中，而应力集中应力集中的存在，的存在，也也必然会影响焊接结构的抗疲劳性能。必然会影响焊接结构的抗疲劳性能。焊接工艺特点及微观特征焊接工艺特点及微观特征1010第第11页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 焊缝疲劳与金属疲劳完全不同，不仅焊缝疲劳与金属疲劳完全不同，

14、不仅理论理论完全不完全不一样，一样，试验数据试验数据也完全不一样。焊接接头对母材的也完全不一样。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屈服强度不敏感，试验证明焊接接头疲劳数据对屈服强度小于服强度小于700MPa700MPa的母材是一样的，而金属疲劳则的母材是一样的，而金属疲劳则不是这样。不是这样。不取决于母材自身的屈服强度，那么，决定焊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又是什么呢？接头疲劳强度高低的参数又是什么呢？焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性1111应力集中应力集中第第12页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学1.1.描述焊

15、接接头的术语描述焊接接头的术语 焊接过程是一个极其复杂的热过程，这里以一个对接焊接焊接过程是一个极其复杂的热过程，这里以一个对接焊接接头为例给出对任何焊接接头都适用的描述焊接接头的术语：接头为例给出对任何焊接接头都适用的描述焊接接头的术语：1 1）、母材形成焊接接头的基本材料，简称为、母材形成焊接接头的基本材料，简称为BMBM（Base Base MetalMetal）；）；2 2）、焊材通过自己的热融化及冷却，将母材联系起来、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接头（形成一个焊接接头（Welded JointWelded Joint）的材料，简称为）的材料，简称为WMWM（

16、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 DepthWeld Depth）。）。焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性1212第第13页页/共共54页

17、页大连交通大学大连交通大学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过程中，计算或测量应力时，应焊接结构疲劳设计或评定过程中，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疲劳强度，或注意应力类型，不同的应力类型对应有不同的疲劳强度，或对应有不同的对应有不同的S-NS-N曲线表达方式。目前出现的应力分类主要有：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、热点应力（几何应名义应力（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、等效结构应力及力）、缺口应力、结构应力、等效结构应力及应力变化范围应力变化范围。一个典型的

18、焊接接头上的应力分布一个典型的焊接接头上的应力分布焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性1313第第14页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学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：一种是焊接接头典型疲劳破坏形式主要有两种：一种是板破坏板破坏，称为模式称为模式A A，或者起始于焊趾，或者起始于焊根，依赖于接，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；另一种是头很近的金属材料形状；另一种是焊缝破坏焊缝破坏，称为模式，称为模式B B，或者穿透焊缝离融线很近的金属材料，或者接近于熔线，或者穿透焊缝离融线很近的金属材料

19、，或者接近于熔线，如图所示。从断裂力学的观点看，如图所示。从断裂力学的观点看，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。测试时观察到的主要裂纹路径。焊缝和接头类型的两种主要的疲劳失效形式焊缝和接头类型的两种主要的疲劳失效形式焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的

20、特殊性 1414第第15页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 而且，与破坏模式而且，与破坏模式B B相比，破坏模式相比，破坏模式A A的的S-NS-N数据显示出更数据显示出更少的离散性。原因很简单，模式少的离散性。原因很简单，模式A A裂纹处的应力状态在给定裂纹处的应力状态在给定板厚时可以更一致地得到，而与模式板厚时可以更一致地得到，而与模式B B的破坏路径相关的应的破坏路径相关的应力状态取决于实际焊喉尺寸，即便在试件中的同一条半融力状态取决于实际焊喉尺寸，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，破坏路径透焊缝内，焊喉尺寸都会发生明显变化。另外，破坏路径的任何变

21、化都会增加数据的离散性。事实上，模式的任何变化都会增加数据的离散性。事实上，模式B B的破坏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。避免。焊缝和接头类型的两种主要的疲劳失效形式焊缝和接头类型的两种主要的疲劳失效形式焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性1515第第16页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学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性是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不同的，因此需要有不同方法以有效地因此需要有不同方法以有效地 进行焊

22、接件的疲进行焊接件的疲劳评估。正如劳评估。正如董平沙教授董平沙教授及他人所总结的那样，焊接接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：焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性1616第第17页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 （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

23、中有两种可能性可以描述给定焊接接头的失效形式：一个是能性可以描述给定焊接接头的失效形式：一个是焊趾处焊趾处的裂纹的裂纹，一个是来源于一个是来源于焊根处的金属焊根处的金属裂纹。在未焊接的裂纹。在未焊接的部分，大多数研究和预测方法的发展努力关注点是什么部分，大多数研究和预测方法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扩展的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。结论。焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性 1717第第18页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学Non-weldedNon-weldedWeldedWelded （2 2）焊接接头的）焊接接头

24、的S-NS-N数据中，至少在寿命区间内，有数据中，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向）；而光滑试件和未焊接的有缺口的图上的斜率是反向）；而光滑试件和未焊接的有缺口的试样却不是这样。试样却不是这样。焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性 1818第第19页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 （3 3）焊接接头的）焊接接头的S-NS-N数据中，平均应力没有什么显著的数据中，平均应力没有什么显著的影响；而非焊接的试件中，平均应力则有显著的影响影响；而非焊接的试件中，平均应力则有显著的影响，应应力

25、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。焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性1919金属材料平均应力对疲劳的影响金属材料平均应力对疲劳的影响铝合金轴向加载铝合金轴向加载4545钢轴向加载钢轴向加载第第20页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性 2020HHIHHI的最新的最新S-NS-N数据数据 焊接接头焊接接头第第21页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性 2121焊接接头焊接接头 平均应力影响不大平均应力影响不大第第22页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 （4 4

26、）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，对某一大类材料（如钢）的疲劳性和热影响区的性能，对某一大类材料（如钢）的疲劳性能影响甚微能影响甚微 。（。（Lewis 2001Lewis 2001）母材强度的影响几乎可以忽略不计母材强度的影响几乎可以忽略不计未焊接钢材未焊接钢材 焊接钢材焊接钢材焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性2222第第23页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 （5 5）焊后热处理对焊接接头的疲劳寿命影响不明显焊后热处理对焊接接头的疲劳寿命影响不明显整体热处理：理想的热处理整体热处理：理想的热处理下仍然存

27、在一定的残余应力下仍然存在一定的残余应力比整体热处理方式存在更比整体热处理方式存在更多的残余应力多的残余应力可能比焊态条件下的残可能比焊态条件下的残余应力水平更高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2323第第24页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性 焊态焊态 消除残余应力焊接钢材消除残余应力焊接钢材2424第第25页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 简而言之，金属疲劳的研究，要回答简而言之，金属疲劳的研究，要回答“裂纹从何处萌裂纹从何处萌生？生？”而对焊接接头而言，它没有裂纹萌生过程，焊而对焊接接头而言，它没有裂纹萌生过

28、程，焊缝上缝上“大于零的大于零的”的微裂纹总是有的，问题是观察的放的微裂纹总是有的，问题是观察的放大镜的倍数是否足够大。金属疲劳研究的另一个要回答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，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，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，要么从焊根向焊喉方向扩展。与金属疲厚度方向扩展，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，不论其大与小，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，

29、它是自平衡的与外载荷无关。也不论其分布如何复杂，它是自平衡的与外载荷无关。焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性2525第第26页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 试验研究表明，焊缝的疲劳强度远低于母材的疲劳强度，试验研究表明，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曲线的比较可以看出，曲线的比较可以看出，焊缝的焊缝的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,而其它情况下而其它情况下焊缝的焊缝的疲劳寿命更短疲劳寿命更短，概况起来有以下主要原因：，概况起来有以下主要原因：(1)(1)由于焊接引入的几何特

30、征，导致了应力的集中，在焊缝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。的趾部应力达到最高，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。裂纹的裂纹源，如含有熔渣、未完全熔解、气孔等。焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性2626第第27页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学(3)(3)熔接部位的热影响区，此处母材被加热到很高的温度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，

31、将会引起此区域的微观结构和性之后被迅速冷却，由此，将会引起此区域的微观结构和性能的改变。能的改变。(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。余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，导致了焊缝综上原因，焊接结构特有的疲劳特征，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缝的抗疲劳属性是不合理的，只有将焊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、残余应力、缺口效应及材料属性的变接引起的缺陷、残余应

32、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评估焊接化加以综合考虑，并归纳出哪些因素是有效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的。科学有效的。焊接焊接结构疲劳的特殊性结构疲劳的特殊性 2727第第28页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学3.23.2焊接结构残余应力的形成焊接结构残余应力的形成与分布与分布焊接残余应力的形成焊接残余应力的形成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应力，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残余应

33、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之为焊接瞬时应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。焊后残留在焊件内的焊接力，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。焊接残余应力是由于焊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场引起的。接加热产生不均匀温度场引起的。2828第第29页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学2.2.焊接残余应焊接残余应的分类的分类 焊接残余应力的分类焊接残余应力的分类焊接焊接残余应力的形成残余应力的形成 2929第第30页页/共共54页页大连交通大学大连交通

34、大学3.3.焊接残余应力焊接残余应力产生的机理产生的机理 焊接时的局部不均匀焊接时的局部不均匀热输入热输入是产生焊接残余应力是产生焊接残余应力的决定性因素。的决定性因素。引起焊接残余应力引起焊接残余应力的主要因素及其内的主要因素及其内在联系在联系焊接焊接残余应力的形成残余应力的形成 3030第第31页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接残余应力产残余应力产生机理生机理可表述如下可表述如下：焊接热输人引起材料不均匀局部加热，使焊接热输人引起材料不均匀局部加热，使得得焊缝区熔化；焊缝区熔化；而与熔池毗邻的高温区材料的

35、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

36、，在构件中会形成自身相平短的不协调应变，与其相对应，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接瞬态应力。而焊后，在室温条件衡的内应力，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。下残留于焊件中的内应力称为焊接残余应力。焊接焊接残余应力的形成残余应力的形成 3131第第32页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学4.4.焊接残余应力焊接残余应力的分布的分布a)a)厚板厚板焊接时出现的焊接应力是焊接时出现的焊接应力是三向三向的。的。b)b)当焊件当焊件厚度不大厚度不大时（小于时（小于20mm20mm），厚度方向的应力），厚度方向的应力 z z相对较小，可将其忽

37、略而看成双向应力相对较小，可将其忽略而看成双向应力 x x、y y。c)c)薄长板条薄长板条对接焊时，因垂直焊缝方向的应力对接焊时，因垂直焊缝方向的应力 y y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，主要考虑平行于焊缝轴线方向的纵向应力 x x。焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布 3232第第33页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学纵向纵向焊接残余应力焊接残余应力的分布的分布 作用方向作用方向平行平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力，用力，用 x x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

38、向残余应力为拉应力，一般可达到材料的屈服强度。向残余应力为拉应力，一般可达到材料的屈服强度。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，其纵向残余应力在焊件其纵向残余应力在焊件横横截面上截面上的分布情况如图所示。的分布情况如图所示。对接接头对接接头xx在焊缝横截面上的分布在焊缝横截面上的分布焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布3333第第34页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学板边堆焊时，板边堆焊时，x x在焊缝横截面上的分布。在焊缝横截面上的分布。两块不等宽度的板对接时，宽度相两块不等宽度的板对接时，宽度相

39、差越大，宽板中的应力分布越接近差越大，宽板中的应力分布越接近于板边堆焊时的情况。于板边堆焊时的情况。若两板宽度相差较小时，其应力分若两板宽度相差较小时，其应力分布近似于等宽板对接时的情况。布近似于等宽板对接时的情况。焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布 3434第第35页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学纵向应力纵向应力 x x在焊件在焊件纵截面纵截面上的分布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，x x为零，焊缝端部存在一个残为零，焊缝端部存在一个残余应力过渡区，焊缝中段是残余应力稳定区。余应力过渡区，焊缝中段是残余应力稳定区。当焊缝较短时，不存在稳定区，焊

40、缝越短，当焊缝较短时，不存在稳定区，焊缝越短，x x越小。越小。a a）短焊缝）短焊缝 b b）中长焊缝）中长焊缝 c c）长焊缝）长焊缝不同长度焊缝纵截面上不同长度焊缝纵截面上xx的分布的分布焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布3535第第36页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学横向横向焊接残余应力焊接残余应力的分布的分布 垂直垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力，用于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力，用 y y表示。表示。横向残余应力的产生原因比较复杂，一般认为它是由下面两横向残余应力的产生原因比较复杂，一般认为它是由下面两部分合成得来的。部分合成得来的。焊缝及其附近塑性变形区

41、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 y y，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。焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布3636第第37页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学纵向收缩引起的横向应力纵向收缩引起的横向应力 y y图图a 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）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 b）所示的弯

42、曲变形，要使两板条恢复到原来位置，必须在焊缝中部加所示的弯曲变形，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，焊缝上横向拉应力，在焊缝两端加上横向压应力。由此可以推断，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及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力如图c c）所示，其）所示，其两端为压应力，中间为拉应力。两端为压应力，中间为拉应力。焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布 3737第第38页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学各种长度的平板条对接焊，其各种长度的平板条对接焊，其 y y的分布规律基本相同，但焊缝的分布规律基本相同，

43、但焊缝越长，中间部分的拉应力将有所降低，如图所示。越长，中间部分的拉应力将有所降低，如图所示。a a）短焊缝）短焊缝 b b）中长焊缝）中长焊缝 c c）长焊缝）长焊缝不同长度平板对接焊时不同长度平板对接焊时yy的分布的分布焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布 3838第第39页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学横向收缩引起的横向应力横向收缩引起的横向应力 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。先冷却的部分，限制后冷却部分的横向收缩，这焊的部分后冷却。先冷却的部分，限制后冷却部分的横向收缩，

44、这就引起了就引起了 y y。yy的分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序等因素有关。的分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序等因素有关。a a）由中间向两端焊）由中间向两端焊 b b）由两端向中间焊）由两端向中间焊焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布 3939第第40页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学特殊情况下的残余应力分布特殊情况下的残余应力分布（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

45、缝中的残余应力厚板电渣焊中沿厚度上的应力分布厚板电渣焊中沿厚度上的应力分布a)a)z z在厚度上的分布在厚度上的分布 b)b)x x在厚度上的分布在厚度上的分布 c)c)y y在厚度上的分布在厚度上的分布焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布 4040第第41页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学特殊情况下的残余应力分布特殊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应力分布拘束状态下对接接头的横向应力分布a)a)拘束状态下的焊件拘束状态下的焊件 b)b)拘束横向残余应力拘束横向残余应力c)c)焊接横向残余应力焊接横向残余应力 d)

46、d)合成横向残余应力合成横向残余应力焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布 4141第第42页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学特殊情况下的残余应力分布特殊情况下的残余应力分布（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焊缝的残余应力圆形镶块封闭焊缝的残余应力a a）封闭焊缝）封闭焊缝 b b）（切向应力）和（切向应力）和r r（径向应力）的分布（径向应力）的分布焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布 4242第第43页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学特殊情况下的残余应力分布特殊情况下的残余应力分布（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下焊缝及其

47、附近区域中总是存在有较高的纵向一般情况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向压应力。拉应力，而在腹板的中部则会产生纵向压应力。焊接梁柱的纵向残余应力分布焊接梁柱的纵向残余应力分布a a）焊接）焊接T T形梁的残余应力形梁的残余应力 b b）焊接工字梁的残余应力）焊接工字梁的残余应力 c c）焊接箱形梁的残余应力）焊接箱形梁的残余应力焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布 4343第第44页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学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）环形焊缝中的残余应力）环形焊缝中的残余应力 当管径和壁厚之比较大时，环形焊缝

48、中的应力分布与当管径和壁厚之比较大时，环形焊缝中的应力分布与平板对接相类似，如图所示，但焊接残余应力的峰值比平板对接相类似，如图所示，但焊接残余应力的峰值比平板对接焊要小。平板对接焊要小。圆筒环缝纵缝纵向残余应力分布圆筒环缝纵缝纵向残余应力分布焊接焊接残余应力的分布残余应力的分布 4444第第45页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学 应力范围为两倍的应力幅。应力范围为两倍的应力幅。最近最近2020余年的研究，主要是英国焊接研究所的余年的研究，主要是英国焊接研究所的GuenyGueny博士的研博士的研究表明究表明,由于焊接过程的复杂热行为，结构焊接接头焊后的焊由于焊接过程的复杂热行为，结构

49、焊接接头焊后的焊缝及其附近存有缝及其附近存有达到或接近屈服点的残余应力达到或接近屈服点的残余应力（注意，该残余（注意，该残余应力具有自平衡性，与外载荷无关的独立性），因此在常幅应应力具有自平衡性，与外载荷无关的独立性），因此在常幅应力循环作用的接头中力循环作用的接头中,焊缝附近所承受的实际循环应力将从母焊缝附近所承受的实际循环应力将从母材材料的屈服应力材材料的屈服应力(或接近屈服应力或接近屈服应力)向下摆动向下摆动,而不管其原始作而不管其原始作用的循环特性如何用的循环特性如何。3.3 3.3 应力变化范围应力变化范围标定焊接结构标定焊接结构S-NS-N曲线的一个特别重要的力学概念曲线的一个特别

50、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焊接疲劳非常重要。应力变化范围这个概念针对焊接疲劳非常重要。4545第第46页页/共共54页页大连交通大学大连交通大学3.3 3.3 应力变化范围应力变化范围标定焊接结构标定焊接结构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如图所示如图所示，例如标称应力循环例如标称应力循环为为+S+S1 1到到-S-S2 2，则其应力范围为，则其应力范围为S S1 1+S+S2 2，但接头中的实际应力，但接头中的实际应力范围将是由范围将是由S Sy y（达到屈服点的（达到屈服点的应力幅）到应力幅）到S Sy y-（S S