焊縫余高對焊接接頭疲勞強度的影響

1、焊縫余高對焊接接頭疲勞強度的影響摘要通過測定AQ400NH材料的光滑焊件、余高焊件的疲勞性能、觀察斷口形貌、繪制SN曲線以及用AN-SYS有限元程序計算應(yīng)力分布，研究余高對焊接接頭疲勞強度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于光滑焊件，焊接缺陷是影響疲勞強度的主要原因，對于有余高焊件，余高的高度是影響疲勞強度的主要原因，實際應(yīng)變測量和有限元計算都表明，焊趾部位是應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中的強度和余高間有線性關(guān)系。 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度，在很大程度上取決于構(gòu)件應(yīng)力集中情況。如果焊接構(gòu)件有應(yīng)力集中，在受到循環(huán)載荷條件下，焊接結(jié)構(gòu)普遍會出現(xiàn)嚴重的斷裂破壞。焊縫幾何尺寸及焊接過程中產(chǎn)生的各種缺陷是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因1，2

2、。然而這些原因如何影響焊接構(gòu)件的疲勞壽命，對于一種新材料，或者對于在一種特殊條件下使用的材料來說，應(yīng)當(dāng)受到特別的關(guān)注。AQ400NH鋼是一種耐候材料，在使用結(jié)構(gòu)中，該材料的焊接結(jié)構(gòu)承受著高速動載的作用，使用條件特殊，所以研究產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因、應(yīng)力集中對該焊件疲勞性能的影響，對提高焊件疲勞壽命具有重要意義。 筆者著眼于焊縫趾部余高與焊接構(gòu)件應(yīng)力集中的關(guān)系，探討余高產(chǎn)生的應(yīng)力集中對該焊件疲勞性能的影響。為此，對這種材料的母材、光滑焊件(余高為零的焊件)、帶余高焊件分別進行疲勞試驗。繪制它們的SN曲線;觀察靜態(tài)載荷下焊趾處應(yīng)力的變化;用ANSYS有限元分析程序計算了各種狀態(tài)下焊接構(gòu)件的應(yīng)力分布狀態(tài)

3、，以及余高變化產(chǎn)生應(yīng)力集中的趨勢。1實驗部分11主要儀器與設(shè)備 電液伺服材料試驗機:Instron1251型，英國In-stron公司。12材料成分、力學(xué)性能實驗所用材料為耐候材料AQ400NH，其主要化學(xué)成分見表1，母材與焊件的基本力學(xué)性能見表2。13焊接接頭幾何尺寸疲勞試件共分為3組，一組為母材試件;一組為光滑焊件，即為焊后去掉余高，并進行了精加工，其表面光潔度與母材試件相同;另一組為帶余高焊件。三組試件的名義尺寸為，試樣寬度B×厚度W×平行段長度L0:24 mm×12 mm×70 mm。光滑焊件的試樣厚度比母材略小。試件接頭形式為對接焊接頭，其試樣

4、形式和焊縫堆高名義尺寸如圖1所示。焊接方法為MAG半自動焊接。 焊縫幾何參數(shù)用焊縫寬度b和余高h表示。帶有余高的試件共有5個，試樣的焊縫寬度b和余高h的實際尺寸見表3。14 疲勞試驗疲勞方式采用循環(huán)應(yīng)力恒負荷軸向脈動拉伸勞。波形為正弦波;應(yīng)力比R=0;頻率1020 Hz;循環(huán)次數(shù)5×1041×107;應(yīng)力等級分8個級別。因該材料疲勞性能較為穩(wěn)定，每個應(yīng)力級別只做一個試樣。試驗在Instron 1251試驗機上完成，疲勞控制方式為恒應(yīng)力控制。為了便于比較，將三組疲勞強度與循環(huán)受命關(guān)系的SN曲線繪于圖2中。三組疲勞試驗得到的疲勞極限為:母材試件疲勞極限為u=425 N/mm2;

5、光滑焊件疲勞極限為u=410N/mm2;余高焊件疲勞極限為u=220 N/mm2。光滑焊件的疲勞極限和母材比較接近，而平均余高為165 mm焊件，其疲勞極限要明顯低得多。15應(yīng)力集中系數(shù)的確定 通過試驗的方法，可得到焊接接頭處實際應(yīng)力集中系數(shù)3，即有效應(yīng)力集中系數(shù)k按式(1)計算:k=0/0(1)式中:0光滑試件的疲勞極限;0具有應(yīng)力集中試件的疲勞極限。 本次試驗?zāi)覆牡钠跇O限u=425 MPa，光滑焊件的疲勞極限是u=410 MPa，堆高焊件的疲勞極限u=220 MPa，母材與光滑焊件所產(chǎn)生的實際應(yīng)力集中系數(shù)為k1=1036 6。母材與焊接后帶堆高試件所產(chǎn)生的實際應(yīng)力集中系數(shù)為k2=1931

6、 8。帶有余高焊件的應(yīng)力集中系數(shù)接近前者的兩倍。2有限元計算使用ANSYS有限元程序進行有限元計算。計算焊趾應(yīng)力時采用二維模型和四邊形8結(jié)點單元，根據(jù)單元要求，輸入05 mm的厚度，焊件橫截面單元分布如圖3所示。計算時所加載荷為220 MPa，低于材料的屈服強度，故計算時材料始終處于彈性狀態(tài)。計算中取材料的彈性模量E=21×105MPa，泊松比v=033，并假設(shè)整個試件內(nèi)性能相同。計算時焊件的余高是165 mm。計算結(jié)果表明在焊縫趾部應(yīng)力最大，最大值達到446 MPa，相當(dāng)于所加載荷的兩倍，結(jié)果如圖4所示。3分析與討論31 SN曲線分析從圖2中看出，母材和光滑焊件的疲勞強度與循環(huán)壽命

7、關(guān)系差別不是很大，二者的疲勞極限也很接近，只是母材SN曲線的拐點要比光滑焊件的SN曲線拐點明顯，母材與光滑焊件數(shù)據(jù)點分散性也很小。余高焊件的SN曲線與前兩者的變化趨勢明顯不同，數(shù)據(jù)點分散性增大，曲線沒有拐點，疲勞強度隨著疲勞壽命的增加明顯下降，疲勞極限下降幅度幾乎接近50%。根據(jù)表1中余高數(shù)據(jù)有一個波動范圍來看，數(shù)據(jù)點分散可能是余高不同所致。32斷裂位置及宏觀斷口形貌 光滑焊件的斷裂位置絕大部分出現(xiàn)在焊縫中，而有余高的焊件，疲勞斷裂均無例外地發(fā)生在焊趾處，而且斷裂源均位于表面焊縫趾部，這說明焊趾處為應(yīng)力集中最大區(qū)域，這一現(xiàn)象恰與計算結(jié)果相一致，見圖4接頭局部應(yīng)力放大圖，它表明有限元計算結(jié)果是正

8、確的，用有限元計算方法分析余高焊件應(yīng)力集中情況是有效性。觀察宏觀斷口可以發(fā)現(xiàn)，光滑焊件斷面上的疲勞源內(nèi)總有微小焊接缺陷或微小氣泡(圖5)，這些缺陷成為疲勞裂紋的裂紋源。而在余高焊件的斷口上幾乎看不到什么宏觀缺陷，疲勞源均從焊縫趾部的某一位置開始(圖6)。這表明，同焊接微小缺陷相比，焊趾處應(yīng)力集中也會成為裂紋源，而且應(yīng)力集呂曉春，等:焊縫余高對焊接接頭疲勞強度的影響63中對焊接結(jié)構(gòu)的危害比微小焊接缺陷要大。當(dāng)有應(yīng)力集中存在時，微小焊接缺陷的有害作用降低到次要位置。當(dāng)采用合理的工藝降低或消除焊縫中的缺陷后，光滑試樣可提高構(gòu)件的疲勞壽命。而對于有一定余高的焊接構(gòu)件，即使通過合理的工藝消除焊縫中的缺陷

9、，由于存在應(yīng)力集中，也不能提高構(gòu)件的疲勞壽命。因此，要提高焊接構(gòu)件的疲勞壽命，必須對其進行光滑處理。33有限元計算分析焊縫余高的影響 采用和上面相同的有限元計算方法計算不同余高對焊接構(gòu)件應(yīng)力集中的影響。計算中設(shè)定余高為5種，分別是00、01、03、05、3 mm。計算余高00、05、165、3 mm的應(yīng)力分布圖如圖7所示。以余高做變量，焊趾處的應(yīng)力和余高的變化關(guān)系如圖8所示，它們之間呈線性關(guān)系。從圖8中可以看出，在余高是0 mm時，焊趾處的應(yīng)力和外載荷大小相同，表明此處沒有應(yīng)力集中。這就說明光滑試樣的疲勞極限與母材相同的原因是光滑焊件沒有應(yīng)力集中。當(dāng)余高是165 mm時，焊趾處受到的應(yīng)力是44

10、6 MPa，相當(dāng)于載荷的兩倍。根據(jù)本疲勞試驗的結(jié)果，當(dāng)余高引起的應(yīng)力集中出的載荷達到外載荷的2倍時，疲勞裂紋源出現(xiàn)在焊趾處。余高3 mm時，焊趾處的應(yīng)力達到60593 MPa，接近載荷的3倍。表明余高越高，焊趾處的應(yīng)力也越高。由此可以斷定，余高越大，應(yīng)力集中越嚴重，導(dǎo)致材料的疲勞壽命越低。而降低余高可以降低應(yīng)力集中，同時可以提高疲勞壽命。為了降低應(yīng)力集中的程度，提高焊接構(gòu)件的疲勞壽命，在結(jié)構(gòu)焊接完后，應(yīng)將余高打磨掉，以消除余高引起的應(yīng)力集中。比較母材、光滑試樣疲勞極限和余高165 mm焊趾處的應(yīng)力可以看出，余高165 mm焊件結(jié)構(gòu)焊趾處的最大應(yīng)力是446 MPa，這個應(yīng)力和母材、光滑試樣疲勞極

11、限相差不多。這就表明，當(dāng)應(yīng)力集中使最大應(yīng)力達到光滑試樣的疲勞極限時，有余高的焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂。由此可見，應(yīng)力集中降低疲勞壽命的原因是:盡管外載荷遠低于母材的疲勞極限，但應(yīng)力集中處的應(yīng)力卻能夠達到材料的疲勞極限，使材料發(fā)生疲勞斷裂。4結(jié)論(1)當(dāng)焊接接頭有165 mm的余高時，焊趾處存在的應(yīng)力集中可以使其疲勞極限下降接近50%，即使焊縫中有微小缺陷，疲勞斷裂的裂源也出現(xiàn)在焊趾處;(2)余高和焊趾處最大應(yīng)力間存在線性關(guān)系，焊趾處的最大應(yīng)力隨余高增加而線性增加;(3)當(dāng)應(yīng)力集中處的應(yīng)力達到母材的疲勞極限時，焊接構(gòu)件發(fā)生疲勞斷裂;(4)將焊接接頭的余高除掉，可以消除余高在焊趾處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，光滑焊件的疲勞極限只取決