焊接结构疲劳问题的特殊性

李娅娜[e-mail]2011年10月大连大连交通大学系列讲座焊接结构疲劳问题的特殊性大连交通大学3.1不同于金属疲劳失效的特殊性3.2焊接结构残余应力的形成与分布3.3应力变化范围——标定焊接结构S-N曲线的一个特别重要的力学概念3.4焊接结构疲劳寿命计算的相对性主要内容1大连交通大学在近20年里人们对焊接结构的疲劳裂纹的理解已经有进步了，普遍认为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。3.1不同于金属疲劳失效的特殊性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。这些因素的综合作用，使得在焊接接头的疲劳寿命中，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，而主要时间属于裂纹扩展。焊接接头2大连交通大学由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用，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疲劳性能，即焊接接头的抗疲劳性能，关系着焊接结构能否安全使用。因此为了保证焊接结构可靠性，在设计承受交变动载荷的焊接结构时，设计规范规定以焊接接头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强度，而不采用基本金属的疲劳强度。3.1不同于金属疲劳失效的特殊性3大连交通大学3.1.1焊接工艺特点及微观特征焊接概念：两种或两种以上材质，通过加热或加压，达到分离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：3.1不同于金属疲劳失效的特殊性1．熔化焊：2．压力焊：3．钎焊：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、等离子弧焊等电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等软钎焊、硬钎焊4大连交通大学3.1.1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、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等等。5大连交通大学1）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择合理，焊缝金属的强度一般不低于母材强度。焊接接头金属组织与性能3.1.1焊接工艺特点及微观特征焊接接头焊缝区焊接热影响区6大连交通大学2）焊接热影响区焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。焊接接头金属组织与性能3.1.1焊接工艺特点及微观特征7大连交通大学①熔合区是焊缝和母材金属的交界区。（0.1-1mm）加热温度：T液~T固强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。②过热区加热温度：T固~1100℃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粒显著粗大的区域。（1-3mm）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。3.1.1焊接工艺特点及微观特征8大连交通大学③正火区加热温度：1100℃~AC3在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm）力学性能优于母材。④部分相变区在热影响区内发生部分相变的区域。加热温度：AC3~AC1力学性能较母材稍差。力学性能最差的区域：熔合区和过热区3.1.1焊接工艺特点及微观特征9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，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化等现象，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焊接残余应力和变形，而焊接残余应力的存在，必然会影响焊接结构的抗疲劳性能。3.1.1焊接工艺特点及微观特征10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，而应力集中的存在，也必然会影响焊接结构的抗疲劳性能。3.1.1焊接工艺特点及微观特征11大连交通大学焊缝疲劳与金属疲劳完全不同，不仅理论完全不一样，试验数据也完全不一样。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服强度小于700MPa的母材是一样的，而金属疲劳则不是这样。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？3.1.2焊接结构疲劳的特殊性12应力集中大连交通大学1.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）、母材－形成焊接接头的基本材料，简称为BM（BaseMetal）；2）、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（WeldedJoint）的材料，简称为WM（WeldMetal）；3）、热影响区－靠近焊缝的母材，简称为HAZ（HotAffectZone）；4）、焊趾：焊缝的根部（Toe）；5）、焊根：焊缝的内部（WeldRoot）；6）、焊喉（焊深）：焊缝的有效高度（WeldThroat、WeldDepth）。3.1.2焊接结构疲劳的特殊性13大连交通大学2.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S-N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（几何应力）、缺口应力、结构应力、等效结构应力及应力变化范围。一个典型的焊接接头上的应力分布3.1.2焊接结构疲劳的特殊性14大连交通大学3.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：一种是板破坏，称为模式A，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；另一种是焊缝破坏，称为模式B，或者穿透焊缝离融线很近的金属材料，或者接近于熔线，如图所示。从断裂力学的观点看，模式A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的法向应力分布，而模式B取决于给定的破坏路径所定义的裂纹平面的法向应力分布。或者穿透焊缝，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。焊缝和接头类型的两种主要的疲劳失效形式3.1.2焊接结构疲劳的特殊性15大连交通大学而且，与破坏模式B相比，破坏模式A的S-N数据显示出更少的离散性。原因很简单，模式A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B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，破坏路径的任何变化都会增加数据的离散性。事实上，模式B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避免。焊缝和接头类型的两种主要的疲劳失效形式3.1.2焊接结构疲劳的特殊性16大连交通大学4.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不同的，因此需要有不同方法以有效地进行焊接件的疲劳评估。正如董平沙教授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：3.1.2焊接结构疲劳的特殊性17大连交通大学（1）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，裂纹又可能朝着哪个方向发展。在大多的应用实例中有两种可能性可以描述给定焊接接头的失效形式：一个是焊趾处的裂纹，一个是来源于焊根处的金属裂纹。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。3.1.2焊接结构疲劳的特殊性18大连交通大学Non-weldedWelded（2）焊接接头的S-N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。3.1.2焊接结构疲劳的特殊性19大连交通大学（3）焊接接头的S-N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，应力变化范围是最重要——应力集中是关键。3.1.2焊接结构疲劳的特殊性20金属材料平均应力对疲劳的影响铝合金轴向加载45钢轴向加载大连交通大学3.1.2焊接结构疲劳的特殊性21HHI的最新S-N数据焊接接头大连交通大学3.1.2焊接结构疲劳的特殊性22焊接接头平均应力影响不大大连交通大学（4）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）的疲劳性能影响甚微。（Lewis2001）母材强度的影响几乎可以忽略不计未焊接钢材焊接钢材3.1.2焊接结构疲劳的特殊性23大连交通大学（5）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：理想的热处理下仍然存在一定的残余应力比整体热处理方式存在更多的残余应力可能比焊态条件下的残余应力水平更高3.1.2焊接结构疲劳的特殊性24大连交通大学3.1.2焊接结构疲劳的特殊性焊态消除残余应力焊接钢材25大连交通大学简而言之，金属疲劳的研究，要回答“裂纹从何处萌生？”而对焊接接头而言，它没有裂纹萌生过程，焊缝上“大于零的”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的问题是，“裂纹沿着哪个方向扩展？”，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，也不论其分布如何复杂，它是自平衡的与外载荷无关。GlobalversusLocalDiscontinuitiesinWeldedJoints焊接接头中的整体和局部不连续性3.1.2焊接结构疲劳的特殊性26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，从图某典型的结构钢母材和焊缝的S-N曲线的比较可以看出，焊缝的S-N曲线仅在短寿命区有交点,而其它情况下焊缝的疲劳寿命更短，概况起来有以下主要原因：(1)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。(2)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。3.1.2焊接结构疲劳的特殊性27大连交通大学(3)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，将会引起此区域的微观结构和性能的改变。(4)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。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科学有效的。3.1.2焊接结构疲劳的特殊性28大连交通大学3.2焊接结构残余应力的形成与分布3.2.1焊接残余应力的形成1.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，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接加热产生不均匀温度场引起的。29大连交通大学2.焊接残余应的分类焊接残余应力的分类3.2.1焊接残余应力的形成30大连交通大学3.焊接残余应力