焊接结构强度的基本理论

60第三章焊接结构强度的基本理论焊接结构在使用中，除结构强度不够时会导致破坏外，还有其他形式的破坏，如疲劳破坏、脆性断裂等，这些破坏也是焊接结构常见破坏形式。本章主要介绍焊接结构疲劳破坏、脆性断裂产生的原因，以及提高疲劳强度和防止脆性断裂的主要措施。第一节焊接结构的疲劳破坏一、疲劳的定义疲劳定义为由重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展而产生的结构部件的损伤，疲劳极限是指试样受“无数次”应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。在承受重复载荷结构的应力集中部位，当部件所受的公称应力低于弹性极限时，就可能产生疲劳裂纹，由于疲劳裂纹发展的最后阶段——失稳扩展（断裂）是突然发生的，没有预兆，没有明显的塑性变形，难以采取预防措施，所以疲劳裂纹对结构的安全性有很大危胁。焊接结构在交变应力或应变作用下，也会由于裂纹引发（或）扩展而发生疲劳破坏。疲劳破坏一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳破坏又往往从焊接接头处产生。二、影响焊接接头疲劳性能的因素焊接结构的疲劳强度,在很大程度上决定于构件中的应力集中情况,不合理的接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷(如未焊透、咬边等)是产生应力集中的主要原因。除此之外，焊接结构自身的一些特点，如接头性能的不均匀性，焊接残余应力等，都对焊接结构疲劳强度有影响。1．应力集中和表面状态的影响结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中，金属材料表面的缺口和内部的缺陷也可造成应力集中。焊接接头本身就是一个几何不连续体，不同的接头形式和不同的焊缝形状，就有不同程度的应力集中，其中具有角焊缝的接头应力集中较为严重。构件上缺口愈尖锐，应力集中愈严重（即应力集中系数K愈大），疲劳强度降低也愈大。不同材料或同一材料因组织和强度不同，缺口的敏感性（或缺口效应）是不相同的。高强度钢较低强度钢对缺口敏感，即在具有同样的缺口情况下，高强度钢的疲劳强度比低强度钢降低很多。焊接接头中，承载焊缝的缺口效应比非承载焊缝强烈，而承载焊缝中又以垂直于焊61缝轴线方向的载荷对缺口最敏感。图3-1是对三种强度不同结构钢的轧制表面光滑试件、对接接头和十字接头（均未加工）的疲劳极限与应力比r的关系曲线（疲劳图）。图中说明，表面光滑（无应力集中）强度高的材料，其疲劳强度也高；对接接头有了应力集中，这三种材料的疲劳强度都有降低。强度越高降低的幅度也越大；十字接头因具有更严重的应力集中，这三种材料的疲劳强度都降低很多，且都在一个应力水平上。说明在疲劳载荷的作用下由于应力集中的存在使高强钢失去了其静载强度方面的优势。图3-2为低碳钢搭接接头疲劳试验结果比较。图3-2a是只有侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度只达到母材的34%。焊脚为1：1的正面焊缝的搭接接头（图3-2b），其疲劳强度比只有侧面焊缝的接头略高一些，但仍然很低。正面焊缝焊脚比例为1：2的搭接接头，应力集中获得改善，疲劳强度有所提高，但效果不大。如果在焊缝向母材过渡区进行表面机械加工（见图3-2d），也不能显著地提高接头的疲劳强度。只有当盖板的厚度比按强度条件所要求的增加一倍，焊脚比例为1：38，并经机械加工使焊缝向母材平滑地过渡（图3-2e），才可提高到与母材一样的疲劳强度，但这样的接头成本太高，不宜采用。图3-2f是在对接接头上加盖板，这种接头极不合理，把原来疲劳强度较高的对接接头大大地削弱了。表面状态粗糙相当于存在很多微缺口，这些缺口的应力集中导致疲劳强度下降。表面越粗糙，疲劳极限降低就越严重。材料的强度水平越高，表面状态的影响也越大。焊缝表面波纹过于粗糙，对接头的疲劳强度是不利的。2．焊接残余应力的影响焊接结构的残余应力对疲劳强度是有影响的。焊接残余应力的存在，改变了平均应力图3-1低、中、高强度结构钢焊接接头疲劳极限与应力比的关系a）轧制板材b）中等质量的对接接头c）中等质量的十字接头图3-2低碳钢搭接接头的疲劳极限对比62σm的大小，而应力幅σa却没有改变。在残余拉应力区使平均应力增大，其工作应力有可能达到或超出疲劳极限而破坏，故对疲劳强度有不利影响。反之，残余压应力对提高疲劳强度是有利的。对于塑性材料，当循环特征r﹤1时，材料是先屈服后才疲劳破坏，这时残余应力已不发生影响。由于焊接残余应力在结构上是拉应力与压应力同时存在。如果能调整到压残余应力位于材料表面或应力集中区则是十分有利的，如果材料表面或应力集中区存在的是残余拉应力，则极为不利，应设法消除。3．焊接缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度影响的大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其他方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷，其影响比在残余压应力场内的大；同样的缺陷，位于应力集中场内（如焊趾裂纹和根部裂纹）的影响比在均匀应力场中的影响大。三、提高焊接结构疲劳强度的措施由上面讨论知道，应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有当焊接接头和结构的构造合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度。提高焊接接头的疲劳强度，一般采取下列措施：1．降低应力集中疲劳裂纹源于焊接接头和结构上的应力集中点，消除或降低应力集中的一切手段，都可以提高结构的疲劳强度。（1）采用合理的结构形式①优先选用对接接头，尽量不用搭接接头；重要结构最好把T形接头或角接接头改成对接接头，让焊缝避开拐角部位；必须采用T形接头或角接接头时，希望采用全熔透的对接焊缝。②尽量避免偏心受载的设计，使构件内力的传递畅、分布均匀，不引起附加应力。③减小断面突变，当板厚或板宽相差悬殊而需对接时，应设计平缓的过渡区；结构上的尖角或拐角处应作成圆弧状，其曲率半径越大越好。④避免三向焊缝空间汇交，焊缝尽量不设置在应力集中区，尽量不在主要受拉构件上设置横向焊缝；不可避免时，一定要保证该焊缝的内外质量，减小焊趾处的应力集中。⑤只能单面施焊的对接焊缝，在重要结构上不允许在背面放置永久性垫板；避免采用断续焊缝，因为每段焊缝的始末端有较高的应力集中。综上所述，在常温静载下工作的焊接结构和在动载或低温下工作的焊接结构，在构造设63计上有着不同的要求，后者更要重视细部设计。表3-1列出两种承载情况下构造设计上的差别。表3-1常温下承受静载荷与变载荷的焊接结构在细部设计上的区别序号静载荷下工作变载荷下工作1表图3-1表图3-102表图3-2表图3-113表图3-3表图3-124表图3-4表图3-135表图3-5表图3-146表图3-6表图3-157表图3-7表图3-168表图3-8表图3-179表图3-9表图3-18（2）正确的焊缝形状和良好的焊缝内外质量①对接接头焊缝的余高应尽可能小，焊后最好能刨（或磨）平而不留余高；②T形接头最好采用带凹度表面的角焊缝，不用有凸度的角焊缝；③焊缝与母材表面交界处的焊趾应平滑过渡，必要时对焊趾进行磨削或氩弧重熔，以降低该处的应力集中。任何焊接缺陷都有不同程度的应力集中，尤其是片状焊接缺陷如裂纹、未焊透、未熔合和咬边等对疲劳强度影响最大。因此，在结构设计上要保证每条焊缝易于施焊、以减少焊接64缺陷，同时发现超标的缺陷必须清除。2．调整残余应力残余压应力可提高疲劳强度，而拉应力降低疲劳强度。因此，若能调整构件表面或应力集中处存在残余压应力，就能提高疲劳强度。例如，通过调整施焊顺序、局部加热等都有可能获得有利于提高疲劳强度的残余应力场。图3-3所示工字梁对接，对接焊缝1受弯曲应力最大且与之垂直。若在接头两端预留一段角焊缝3不焊，先焊焊缝1，再焊腹板对接缝2，焊缝2的收缩，使焊缝1产生残余压应力。最后焊预留的角焊缝3，它的收缩使缝1与缝2都产生残余压应力。试验表明，这种焊接顺序比先焊焊缝2后焊焊缝1疲劳强度提高30%。图3-4为纵向焊缝连接节点板，在纵缝端部缺口处是应力集中点，采取点状局部加热，只要加热位置适当，就能形成一个残余应力场，使缺口处获得有利的压残余应力。此外，还可以采取表面形变强化，如滚压、锤击或喷丸等工艺使金属表面塑性变形而硬化，并在表层产生残余压应力，以达到提高疲劳强度。对有缺口的构件，采取一次性预超载拉伸，可以使缺口顶端得到残余压应力。因为在弹性卸载后，缺口残余应力的符号总是与（弹塑性）加载时缺口应力的符号相反。此法不宜用弯曲超载或多次拉伸加载。它常与结构验收试验结合，如压力容器作水压试验时，能起到预超载拉伸作用。3．改善材料的组织和性能1）提高母材金属和焊缝金属的疲劳抗力还应从材料内在质量考虑。应提高材料的冶金质量、减少钢中夹杂物。重要构件可采用真空熔炼、真空除气、甚至电渣重熔等冶炼工艺的材料，以保证纯度；在室温下细化晶粒钢可提高疲劳寿命；通过热处理可以获得最佳的组织图3-3工字梁对接焊接顺序图3-4节点板局部加热的残余应力65状态，在提高（或保证）强度同时，也能提高其塑性和韧性。回火马氏体、低碳马氏体（一般都有自回火效应）和下贝氏体等组织都具有较高抗疲劳能力。2）强度、塑性和韧性应合理配合。强度是材料抵抗断裂的能力，但高强度材料对缺口敏感。塑性的主要作用是通过塑性变形，可吸收变形功、削减应力峰值，使高应力重新分布。同时，也使缺口和裂纹尖端得以钝化，裂纹的扩展得到缓和甚至停止。塑性能保证强度作用充分发挥。所以对于高强度钢和超高强度钢，设法提高一点塑性和韧性，将显著改善其抗疲劳能力。4．特殊保护措施大气及介质侵蚀往往对材料的疲劳强度有影响，因此采用一定的保护涂层是有利的。例如在应力集中处涂上含填料的塑料层是一种实用的改进方法。第二节焊接结构的脆性破坏焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。这些事故无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。引起焊接结构脆断的原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。防止焊接结构脆断是一个系统工程，光靠个别试验或计算方法是不能确保安全使用的。一、焊接结构脆断的基本现象和特点通过大量焊接结构脆断事故分析，发现焊接结构脆断有下述一些现象和特点：1）多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发生，故称为低温脆断。2）脆断的名义应力较低，通常低于材料的屈服点，往往还低于设计应力。故又称为低应力脆性破坏。3）破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。4）破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生，一般都有断裂片散落在事故周围。断口是脆性的平断口，宏观外貌呈人字纹和晶粒状，根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。微观上多为晶界断裂和解理断裂。5）脆断时，裂纹传播速度极高，一般是声速的1/3左右，在钢中可达1200~1800m/s。当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时，裂纹就停止扩展。6）若模拟断裂时的温度对断口附近材料做韧性能试验，则发现其韧性均很差，对离断口较远材料进行力学性能复验，其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。66二、焊接结构脆断的原因对各种焊接结构脆断事故进行分析和研究，发现焊接结构发生脆断是材料（包括母材和焊材）、结构设计和制造工艺三方面因素综合作用的结果。就材料而言，主要是在工作温度下韧性不足，就结构设计而言，主要是造成极为不利的应力状态，限制了材料塑性的发挥；就制造工艺而言，除了因焊接工艺缺陷造成严重应力集中外，还因为焊接热的作用改变了材质（如产生热影响区的脆化）和产生焊接残余应力与变形等。⒈影响金属材料脆断的主要因素研究表明，同一种金属材料由于受到外界因素的影响，其断裂的性质会发生改变，其中最主要的因素是温度、加载速度和应力状态，而且这三者往往是共同起作用。⑴温度的影响温度对材料断裂性质影响很大，图3-5为热轧低碳钢的温度—拉伸性能关系曲线。从图中可看出，随着温度降低，材料的屈服应力σs和断裂应力σb增加。而反映材料塑性的断面收缩率ψ却随着温度降低而降低，约在-200℃时为零。这时对应的屈服应力与断裂应力接近相等，说明材料断裂的性质已从延性转化为脆性。图中屈服应力σs与断裂应力σb汇交处所对应的温度或温度区间，被称为材料从延性向脆性转变的温度，又称为临界温度。其他钢材也有类似规律，只是脆性转变温