《材料力學(xué)性能》 (2)ppt課件

1、5 5 焊接構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度焊接構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度 焊接作為現(xiàn)代理想的銜接手段，與其它銜接方法焊接作為現(xiàn)代理想的銜接手段，與其它銜接方法相比，具有經(jīng)濟(jì)、靈敏的突出優(yōu)點，因此，各個工業(yè)相比，具有經(jīng)濟(jì)、靈敏的突出優(yōu)點，因此，各個工業(yè)領(lǐng)域都大量地采用焊接構(gòu)造。但是，許多運(yùn)動構(gòu)造或領(lǐng)域都大量地采用焊接構(gòu)造。但是，許多運(yùn)動構(gòu)造或接受動載荷的構(gòu)造，在交變載荷作用下，即使在低應(yīng)接受動載荷的構(gòu)造，在交變載荷作用下，即使在低應(yīng)力下也容易產(chǎn)生疲勞斷裂。力下也容易產(chǎn)生疲勞斷裂。5 5 焊接構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度焊接構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度 據(jù)統(tǒng)計，由于疲勞而失效的金屬構(gòu)造中，據(jù)統(tǒng)計，由于疲勞而失效的金屬構(gòu)造中，90%為焊接構(gòu)造。普通情況下

2、，焊接接頭接為焊接構(gòu)造。普通情況下，焊接接頭接受靜載的才干并不比母材低，而接受動載荷的受靜載的才干并不比母材低，而接受動載荷的才干卻遠(yuǎn)低于母材。這是由于，焊縫處存在應(yīng)才干卻遠(yuǎn)低于母材。這是由于，焊縫處存在應(yīng)力集中、焊接缺陷、剩余拉伸應(yīng)力，以及焊趾力集中、焊接缺陷、剩余拉伸應(yīng)力，以及焊趾處顯微組織粗化等，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降，成為處顯微組織粗化等，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降，成為焊接構(gòu)造的疲勞薄弱環(huán)節(jié)。焊接構(gòu)造的疲勞薄弱環(huán)節(jié)。5.1 5.1 各種焊接接頭的疲勞破壞方式各種焊接接頭的疲勞破壞方式 1橫向?qū)雍缚p橫向?qū)雍缚p 在沒有焊接缺陷時，帶在沒有焊接缺陷時，帶有余高的橫向?qū)雍缚p，有余高的橫向?qū)雍缚p，應(yīng)力

3、集中主要發(fā)生在焊縫應(yīng)力集中主要發(fā)生在焊縫的焊趾和焊根處，所以疲的焊趾和焊根處，所以疲勞破壞普通始發(fā)于此，見勞破壞普通始發(fā)于此，見圖圖5-1 a和和b。a)b)圖圖5-1 5-1 橫向?qū)咏宇^橫向?qū)咏宇^ 疲勞裂紋部位疲勞裂紋部位 2縱向?qū)雍缚p縱向?qū)雍缚p 外力方向與對接焊縫平行，外力方向與對接焊縫平行，焊縫外表的波紋與應(yīng)力方向垂焊縫外表的波紋與應(yīng)力方向垂直，疲勞破壞將從缺口最嚴(yán)重直，疲勞破壞將從缺口最嚴(yán)重的鱗紋處開場，或者在改換焊的鱗紋處開場，或者在改換焊條的那一點，見圖條的那一點，見圖5-2 a)。 在梁的翼緣邊對接一個小附在梁的翼緣邊對接一個小附件，在焊縫端部構(gòu)成嚴(yán)重的應(yīng)件，在焊縫端部構(gòu)

4、成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，因此裂紋常出如今焊力集中，因此裂紋常出如今焊縫端部，見圖縫端部，見圖5-2 b。 a)b)圖圖5-2 5-2 縱向?qū)雍缚p疲勞縱向?qū)雍缚p疲勞裂紋部位裂紋部位 3角接焊縫角接焊縫 角接焊縫的破壞方式角接焊縫的破壞方式有以下幾類：有以下幾類： 1在不承載的橫向在不承載的橫向角焊縫中，疲勞裂紋發(fā)生角焊縫中，疲勞裂紋發(fā)生在焊趾處，見圖在焊趾處，見圖5-3a中；中； 2對于承載的橫向?qū)τ诔休d的橫向角焊縫，裂紋起始于焊趾角焊縫，裂紋起始于焊趾或焊根，見圖或焊根，見圖5-3b； 3對于承載和不承對于承載和不承載的縱向角焊縫，裂紋都載的縱向角焊縫，裂紋都起始于焊縫兩端起始于焊縫兩端 ，見圖

5、見圖5-3c、d。圖圖5-35-3角接接頭的破壞方式角接接頭的破壞方式黑點表示裂紋的開場點黑點表示裂紋的開場點 不承載的橫向角焊縫不承載的橫向角焊縫 不承載的縱向角焊縫不承載的縱向角焊縫橫向角焊的筋板橫向角焊的筋板縱向角焊的筋板縱向角焊的筋板 承載的橫向角焊縫承載的橫向角焊縫 承載的縱向角焊縫承載的縱向角焊縫橫向角焊搭接橫向角焊搭接側(cè)向角焊搭接側(cè)向角焊搭接5.2 5.2 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的要素影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的要素 q 應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響q 研討闡明，一個構(gòu)造的疲勞特征主要研討闡明，一個構(gòu)造的疲勞特征主要決議于它所包含的應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。由決議于它所包含的應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度

6、。由于一切的焊接接頭不可防止地是應(yīng)力集中點，于一切的焊接接頭不可防止地是應(yīng)力集中點，自然，疲勞破壞很能夠發(fā)生在接頭部位。因自然，疲勞破壞很能夠發(fā)生在接頭部位。因此，應(yīng)力集中是影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主此，應(yīng)力集中是影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主要要素。要要素。 一橫向?qū)咏宇^一橫向?qū)咏宇^ 圖5-4中示出了橫向?qū)咏宇^中的任務(wù)應(yīng)力分布。 為名義應(yīng)力，在焊趾和焊根處都有一定的應(yīng)力集中。圖圖5-4 5-4 對接接頭中任務(wù)應(yīng)力的分布對接接頭中任務(wù)應(yīng)力的分布00 影響橫向?qū)雍缚p應(yīng)力集中的主要要素影響橫向?qū)雍缚p應(yīng)力集中的主要要素是焊縫余高是焊縫余高h(yuǎn)和過渡處半徑和過渡處半徑r，見圖，見圖3-5 。圖圖5-5

7、 對接焊縫余高對接焊縫余高h(yuǎn)、過渡半徑、過渡半徑r與應(yīng)力集中系數(shù)與應(yīng)力集中系數(shù)K的關(guān)系的關(guān)系表表5-1 假設(shè)運(yùn)用機(jī)械加工方法將余高切除，那么應(yīng)假設(shè)運(yùn)用機(jī)械加工方法將余高切除，那么應(yīng)力集中可以大大減小，對接接頭的疲勞極限可以力集中可以大大減小，對接接頭的疲勞極限可以明顯提高，見表明顯提高，見表5-1 接頭的外表形狀接頭的外表形狀對接接頭的疲勞極對接接頭的疲勞極限限-1 -1 MPa)MPa)母材軋制形狀母材軋制形狀225225235235橫向?qū)雍附討B(tài)橫向?qū)雍附討B(tài)117117127127橫向?qū)觾擅婕庸M向?qū)觾擅婕庸?15215225225縱向?qū)雍附討B(tài)縱向?qū)雍附討B(tài)179.34179.34

8、 但當(dāng)焊縫帶有嚴(yán)重缺陷或未焊透時，其缺陷或但當(dāng)焊縫帶有嚴(yán)重缺陷或未焊透時，其缺陷或未焊透處的應(yīng)力集中要比焊縫外表的應(yīng)力集中嚴(yán)重未焊透處的應(yīng)力集中要比焊縫外表的應(yīng)力集中嚴(yán)重得多，這時焊縫外表進(jìn)展機(jī)械加工那么是毫無意義得多，這時焊縫外表進(jìn)展機(jī)械加工那么是毫無意義的。的。 二搭接接頭二搭接接頭 搭接接頭中的任務(wù)應(yīng)力分布見圖搭接接頭中的任務(wù)應(yīng)力分布見圖5-6所所示。搭接接頭的應(yīng)力集中比對接接頭嚴(yán)重，示。搭接接頭的應(yīng)力集中比對接接頭嚴(yán)重，因此其疲勞強(qiáng)度也比對接接頭低得多。因此其疲勞強(qiáng)度也比對接接頭低得多。a a等截面板搭接等截面板搭接 b b不等截面板搭接不等截面板搭接圖5-6 側(cè)面搭接焊縫應(yīng)力分布圖

9、1. 各種端焊縫型式的搭接接頭，其疲勞極限與焊縫兩直角邊的比值和機(jī)加工情況有關(guān)。 搭接端焊縫搭接端焊縫兩直角邊比兩直角邊比疲勞極限疲勞極限00MPaMPa母材母材200 200 1 1直角邊比直角邊比1 1：1 180802 2直角邊比直角邊比1 1：2 297973 3焊縫經(jīng)機(jī)械加工焊縫經(jīng)機(jī)械加工1021024 4蓋板直角邊比蓋板直角邊比1 1：3.83.8，經(jīng)機(jī)械加工，經(jīng)機(jī)械加工200200 表表5-2 2側(cè)焊縫方式的搭接接頭，無論是遭到拉側(cè)焊縫方式的搭接接頭，無論是遭到拉-壓或彎曲載荷，其疲勞強(qiáng)度都比端焊縫低。壓或彎曲載荷，其疲勞強(qiáng)度都比端焊縫低。見圖見圖5-8和表和表5-3 。資料資料

10、應(yīng)力比應(yīng)力比疲勞極限疲勞極限MPaMPaa)a)b)b)c)c)碳鋼碳鋼b=432MPab=432MPas =262MPas =262MPa0 0707080809090-1-13434434340405050表表5-3 5-3 a)b)c)圖圖5-8 5-8 側(cè)焊縫搭接接頭側(cè)焊縫搭接接頭 三三T形十字接頭形十字接頭 圖圖5-9中示出了中示出了T形十字接頭的任務(wù)應(yīng)形十字接頭的任務(wù)應(yīng)力分布。其應(yīng)力集中系數(shù)遠(yuǎn)比對接接頭高。力分布。其應(yīng)力集中系數(shù)遠(yuǎn)比對接接頭高。 a) a) 未開坡口角焊縫構(gòu)成的未開坡口角焊縫構(gòu)成的接頭接頭b) b) 開開K K形坡口角焊縫構(gòu)成的形坡口角焊縫構(gòu)成的接頭接頭圖圖5-9

11、T5-9 T形十字接頭的形十字接頭的應(yīng)力分布應(yīng)力分布 未開坡口的未開坡口的T形接頭，當(dāng)焊縫傳送任務(wù)應(yīng)力時，形接頭，當(dāng)焊縫傳送任務(wù)應(yīng)力時，其薄弱環(huán)節(jié)有兩個：一是焊縫，另一個是焊趾。假其薄弱環(huán)節(jié)有兩個：一是焊縫，另一個是焊趾。假設(shè)焊縫的計算厚度設(shè)焊縫的計算厚度a與板厚與板厚t之比之比a/t0.60.7,普通斷于焊縫。假設(shè)普通斷于焊縫。假設(shè)a/t0.7,普通斷于焊趾，這普通斷于焊趾，這時再增大焊縫厚度也不能使其疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步提高，時再增大焊縫厚度也不能使其疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步提高，最根本的措施是開坡口焊透和加工焊縫、使焊趾向最根本的措施是開坡口焊透和加工焊縫、使焊趾向根本金屬光滑過渡。根本金屬光滑過渡。圖

12、圖5-10中示出了三種十字接頭型式中示出了三種十字接頭型式 。板厚板厚1212S=5S=5a=8a=8abc圖圖5-10 5-10 三種十字接頭型式三種十字接頭型式rkrk焊接接頭的焊接接頭的疲勞極限疲勞極限母材金屬的母材金屬的疲勞極限疲勞極限正應(yīng)力下的正應(yīng)力下的疲勞缺口系數(shù)疲勞缺口系數(shù)母材金屬母材金屬應(yīng)力比應(yīng)力比MPaMPaMPaMPa備注備注St37St370 023623615.715.72602601.11.1圖中圖中a a-1.0-1.011811813.713.71621621.41.4St52St520 01911913263261.71.7-1.0-1.02012011.451

13、.45St37St370 010310314.714.72602602.32.3圖中圖中b b-1.0-1.0717115.715.71621622.52.5St52St52-1.0-1.078782012012.62.6St37St370 088882602602.952.95圖中圖中c c-1.0-1.039391621624.154.15表表5-4 十字接頭的疲勞極限十字接頭的疲勞極限abcq 焊趾處的微小缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響焊趾處的微小缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響 大量實驗闡明，除各種焊接接頭的幾何大量實驗闡明，除各種焊接接頭的幾何尺寸要素呵斥應(yīng)力集中應(yīng)力分布不均勻尺寸要素呵斥應(yīng)力集中應(yīng)力分布

14、不均勻外，焊趾處還存在著微小的氣孔、未焊透、外，焊趾處還存在著微小的氣孔、未焊透、細(xì)小的鋒利熔渣楔塊以及沿熔合線的細(xì)微咬細(xì)小的鋒利熔渣楔塊以及沿熔合線的細(xì)微咬邊見圖邊見圖3-11。熔渣楔塊的平均尺寸為。熔渣楔塊的平均尺寸為0.15mm，咬邊深度在，咬邊深度在0.1mm以下，它們以下，它們是普通探傷方法不能檢查出來的微小缺陷。是普通探傷方法不能檢查出來的微小缺陷。 圖圖5-11 5-11 焊趾微觀缺口效應(yīng)焊趾微觀缺口效應(yīng)圖圖512 a) CW2C構(gòu)架側(cè)梁斷裂照片構(gòu)架側(cè)梁斷裂照片圖圖5-125-12為為CW-2CCW-2C轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁斷裂照架構(gòu)架側(cè)梁斷裂照片。該構(gòu)架于片。該構(gòu)架于200320

15、03年年8 8月進(jìn)展月進(jìn)展A4A4修程時修程時對定位座實施了補(bǔ)對定位座實施了補(bǔ)強(qiáng)處置，于強(qiáng)處置，于20042004年年1010月月1616日發(fā)生斷裂日發(fā)生斷裂事故，僅運(yùn)轉(zhuǎn)了一事故，僅運(yùn)轉(zhuǎn)了一年多。年多。a a圖為定位座圖為定位座補(bǔ)強(qiáng)板焊縫沿焊趾補(bǔ)強(qiáng)板焊縫沿焊趾開裂的實物照片；開裂的實物照片；圖圖512 b) CW2C構(gòu)架側(cè)梁斷口照片構(gòu)架側(cè)梁斷口照片b b圖為裂紋斷口照片。由斷口照片可見：裂紋源在補(bǔ)強(qiáng)板焊縫接近內(nèi)側(cè)的端部；此外，沿圖為裂紋斷口照片。由斷口照片可見：裂紋源在補(bǔ)強(qiáng)板焊縫接近內(nèi)側(cè)的端部；此外，沿焊縫還有許多焊縫還有許多“臺階，這是焊趾部許多微小缺陷引起的多條裂紋擴(kuò)展構(gòu)成的。臺階，這是焊

16、趾部許多微小缺陷引起的多條裂紋擴(kuò)展構(gòu)成的。CW-2CCW-2CB B轉(zhuǎn)向架定位座補(bǔ)強(qiáng)后嚴(yán)重裂損的緣由，主要是補(bǔ)強(qiáng)板只采用了角焊縫，沒有轉(zhuǎn)向架定位座補(bǔ)強(qiáng)后嚴(yán)重裂損的緣由，主要是補(bǔ)強(qiáng)板只采用了角焊縫，沒有按照按照“焊滿磨平的工藝要求去實施，從而在焊縫處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中；同時，焊縫焊滿磨平的工藝要求去實施，從而在焊縫處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中；同時，焊縫質(zhì)量較差，特別是在焊趾處存在許多微小缺陷，大大減弱了該焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。質(zhì)量較差，特別是在焊趾處存在許多微小缺陷，大大減弱了該焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。 q 焊接剩余應(yīng)力的影響焊接剩余應(yīng)力的影響 焊接剩余應(yīng)力的作用與平均應(yīng)力相當(dāng)，二者的焊接剩余應(yīng)力的作用與平

17、均應(yīng)力相當(dāng)，二者的區(qū)別僅在于：平均應(yīng)力在加載過程中是不變的，而區(qū)別僅在于：平均應(yīng)力在加載過程中是不變的，而焊接剩余應(yīng)力在加載過程中會逐漸釋放，因此其影焊接剩余應(yīng)力在加載過程中會逐漸釋放，因此其影響也逐漸減小。響也逐漸減小。 焊接剩余應(yīng)力如何影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度問焊接剩余應(yīng)力如何影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度問題，至今仍存在爭議。題，至今仍存在爭議。 根本上有兩種觀念：根本上有兩種觀念： 一類觀念是：剩余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響可以忽略。一類觀念是：剩余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響可以忽略。理由是：焊接接頭的疲勞強(qiáng)度主要與焊縫幾何尺理由是：焊接接頭的疲勞強(qiáng)度主要與焊縫幾何尺寸和焊趾部存在的應(yīng)力集中等要素的影響有關(guān)

18、，剩寸和焊趾部存在的應(yīng)力集中等要素的影響有關(guān)，剩余應(yīng)力的影響是第二位的；拉伸剩余應(yīng)力使疲勞余應(yīng)力的影響是第二位的；拉伸剩余應(yīng)力使疲勞極限降低，緊縮剩余應(yīng)力使疲勞極限添加。焊接剩極限降低，緊縮剩余應(yīng)力使疲勞極限添加。焊接剩余應(yīng)力的總體影響不顯著。余應(yīng)力的總體影響不顯著。另一類觀念是：在一定條件下，剩余應(yīng)力可影響焊接另一類觀念是：在一定條件下，剩余應(yīng)力可影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。如，當(dāng)高剩余拉應(yīng)力點與焊接構(gòu)接頭的疲勞強(qiáng)度。如，當(dāng)高剩余拉應(yīng)力點與焊接構(gòu)造的應(yīng)力集中點重合時，剩余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影造的應(yīng)力集中點重合時，剩余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響是毫無疑問的。響是毫無疑問的。一消除焊接剩余應(yīng)力工藝對接頭疲勞

19、強(qiáng)一消除焊接剩余應(yīng)力工藝對接頭疲勞強(qiáng) 度的影響度的影響 由剩余應(yīng)力測試結(jié)果可以看出，退火處由剩余應(yīng)力測試結(jié)果可以看出，退火處置和除銹噴丸處置都能明顯地消除和改動焊置和除銹噴丸處置都能明顯地消除和改動焊接構(gòu)架外表的剩余應(yīng)力形狀。接構(gòu)架外表的剩余應(yīng)力形狀。 1退火處置后，整個構(gòu)架被均勻加熱，退火處置后，整個構(gòu)架被均勻加熱，剩余應(yīng)力經(jīng)過塑性變形而產(chǎn)生松弛。這對疲剩余應(yīng)力經(jīng)過塑性變形而產(chǎn)生松弛。這對疲勞極限有雙重影響：消除剩余應(yīng)力能使疲勞勞極限有雙重影響：消除剩余應(yīng)力能使疲勞強(qiáng)度提高，但同時又使金屬軟化、降低疲勞強(qiáng)度提高，但同時又使金屬軟化、降低疲勞強(qiáng)度。強(qiáng)度。 表5-5中列出了退火處置對于對接接頭疲

20、勞強(qiáng)度影響的實驗結(jié)果。 母材強(qiáng)度母材強(qiáng)度MPaMPa試樣試樣形狀形狀-1-1MPaMPa310310母材母材210210V V形接頭形接頭焊接形狀焊接形狀93.793.7退火或回火退火或回火96.396.3480480母材母材235235V V形接頭形接頭焊接形狀焊接形狀118118退火或回火退火或回火122122520520母材母材307307V V形接頭形接頭焊接形狀焊接形狀126126退火或回火退火或回火134134表表5-5 退火處置后對接接頭的疲勞強(qiáng)度退火處置后對接接頭的疲勞強(qiáng)度 2冷作強(qiáng)化處置噴丸、滾壓、捶擊冷作強(qiáng)化處置噴丸、滾壓、捶擊等，使焊接構(gòu)造外表或接頭外表呵斥等，使焊接構(gòu)造

21、外表或接頭外表呵斥緊縮剩余應(yīng)力，能大大提高焊接接頭的疲勞緊縮剩余應(yīng)力，能大大提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。低碳鋼噴丸硬化層厚度可達(dá)強(qiáng)度。低碳鋼噴丸硬化層厚度可達(dá)0.4mm左右，對接接頭噴丸后，在左右，對接接頭噴丸后，在2106次循環(huán)次循環(huán)時，疲勞強(qiáng)度提高時，疲勞強(qiáng)度提高5565；非承載橫向；非承載橫向角焊縫，疲勞強(qiáng)度提高角焊縫，疲勞強(qiáng)度提高3639。 二交變載荷作用下焊接構(gòu)架上剩余應(yīng)二交變載荷作用下焊接構(gòu)架上剩余應(yīng)力的變化力的變化 剩余應(yīng)力是一個不穩(wěn)定的力學(xué)量，在交剩余應(yīng)力是一個不穩(wěn)定的力學(xué)量，在交變載荷作用下會引起剩余應(yīng)力的變化釋變載荷作用下會引起剩余應(yīng)力的變化釋放。其機(jī)理是：在動應(yīng)力和剩余應(yīng)力共

22、同放。其機(jī)理是：在動應(yīng)力和剩余應(yīng)力共同作用下，假設(shè)某部位應(yīng)力值超越資料的屈服作用下，假設(shè)某部位應(yīng)力值超越資料的屈服極限，就會在該部位產(chǎn)生塑性變形，使剩余極限，就會在該部位產(chǎn)生塑性變形，使剩余應(yīng)力釋放，降低剩余應(yīng)力的峰值。動應(yīng)力幅應(yīng)力釋放，降低剩余應(yīng)力的峰值。動應(yīng)力幅值愈大，剩余應(yīng)力下降的愈多愈快。普通在值愈大，剩余應(yīng)力下降的愈多愈快。普通在幾十次到幾萬次循環(huán)內(nèi)完成應(yīng)力釋放，釋放幾十次到幾萬次循環(huán)內(nèi)完成應(yīng)力釋放，釋放的幅值為的幅值為5080之間。之間。 圖圖5-15中示出了焊接構(gòu)架在室內(nèi)疲勞中示出了焊接構(gòu)架在室內(nèi)疲勞實驗中，某一測點的剩余應(yīng)力隨循環(huán)周次的實驗中，某一測點的剩余應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化

23、規(guī)律。變化規(guī)律。 圖圖5-155-15焊接構(gòu)架某測點的剩余應(yīng)力隨循環(huán)周次焊接構(gòu)架某測點的剩余應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化規(guī)律的變化規(guī)律q 焊接缺陷的影響焊接缺陷的影響 一普通規(guī)律一普通規(guī)律 在焊接接頭中能夠存在著各種缺陷，缺在焊接接頭中能夠存在著各種缺陷，缺陷會呵斥嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對焊接接頭的疲陷會呵斥嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對焊接接頭的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。影響程度與缺陷的種勞強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。影響程度與缺陷的種類、位置和方向有關(guān)。類、位置和方向有關(guān)。 1缺陷可分為兩類：面狀缺陷裂紋、缺陷可分為兩類：面狀缺陷裂紋、未焊透及咬邊等和體積型缺陷氣孔、夾未焊透及咬邊等和體積型缺陷氣孔、夾渣等。面狀缺陷引起嚴(yán)重的應(yīng)

24、力集中，對渣等。面狀缺陷引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對疲勞強(qiáng)度的影響比體積型缺陷要大。疲勞強(qiáng)度的影響比體積型缺陷要大。 2外表或接近外表的缺陷比內(nèi)部缺陷外表或接近外表的缺陷比內(nèi)部缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺對疲勞強(qiáng)度的影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷如焊趾部比位于均勻應(yīng)力場中同樣缺陷如焊趾部比位于均勻應(yīng)力場中同樣缺陷的影響大；位于拉應(yīng)力區(qū)的缺陷比在壓應(yīng)陷的影響大；位于拉應(yīng)力區(qū)的缺陷比在壓應(yīng)力區(qū)的影響大。力區(qū)的影響大。 3與作用力方向垂直的缺陷比其它方與作用力方向垂直的缺陷比其它方向的缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大。向的缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大。二面狀缺陷對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響二面狀缺陷對焊接接頭疲勞

25、強(qiáng)度的影響 1未焊透未熔合未焊透未熔合b b橫向角接橫向角接a a橫向?qū)訖M向?qū)訄D圖3-16 3-16 未焊透未焊透 表表5-6中列出了未焊透深度對焊接接頭中列出了未焊透深度對焊接接頭脈動疲勞極限脈動疲勞極限 的影響的影響為板厚為板厚 00疲勞極限疲勞極限未焊透深度未焊透深度 MPaMPa未焊透深度未焊透深度MPaMPa完全焊透完全焊透2602600.240.240.280.2881810.050.050.060.061861860.430.430.460.4660600.110.110.160.16132132疲勞極限疲勞極限表表5-6 交叉桿端部環(huán)焊縫焊根部未焊透，見圖交叉桿端部環(huán)焊縫焊

26、根部未焊透，見圖5-15a、b;a圖為未焊透分布于整個環(huán)形斷口內(nèi)外表的邊緣；圖為未焊透分布于整個環(huán)形斷口內(nèi)外表的邊緣；b圖為未焊透分布于環(huán)形斷口半環(huán)。圖為未焊透分布于環(huán)形斷口半環(huán)。 疲勞實驗結(jié)果闡明：疲勞裂紋疲勞實驗結(jié)果闡明：疲勞裂紋88%斷在交叉桿端部環(huán)焊斷在交叉桿端部環(huán)焊縫處縫處14根試樣，只需兩根斷在交叉桿壓窩部位。根試樣，只需兩根斷在交叉桿壓窩部位。 圖圖 5-15 2咬邊咬肉咬邊咬肉 咬邊使焊縫與母材銜接咬邊使焊縫與母材銜接處產(chǎn)生凹槽，引起應(yīng)力集處產(chǎn)生凹槽，引起應(yīng)力集中，降低疲勞強(qiáng)度。如圖中，降低疲勞強(qiáng)度。如圖5-16中。中。 在鋼構(gòu)造設(shè)計規(guī)范中規(guī)在鋼構(gòu)造設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，咬肉深度不得

27、超越定，咬肉深度不得超越1mm。接頭疲勞強(qiáng)度接頭疲勞強(qiáng)度0MPa90100160180焊縫焊縫焊縫焊縫圖圖5-16 5-16 咬肉對接頭疲勞強(qiáng)度的影響咬肉對接頭疲勞強(qiáng)度的影響 3裂紋裂紋 焊接冷裂紋和熱裂紋是危害最大的缺陷，焊接冷裂紋和熱裂紋是危害最大的缺陷，裂紋尖端的曲率半徑接近于零，是嚴(yán)重的應(yīng)裂紋尖端的曲率半徑接近于零，是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源?？梢员粰z測出來的裂紋，在大多力集中源。可以被檢測出來的裂紋，在大多數(shù)規(guī)范中都是被制止的。數(shù)規(guī)范中都是被制止的。4.4.點固焊點固焊 裝配焊接過程中，經(jīng)常采用點固焊定位，由裝配焊接過程中，經(jīng)常采用點固焊定位，由于不能保證焊縫延續(xù)，疲勞裂紋會在點固焊兩側(cè)于不

28、能保證焊縫延續(xù)，疲勞裂紋會在點固焊兩側(cè)產(chǎn)生。圖產(chǎn)生。圖5-175-17中為立板內(nèi)側(cè)點固焊處有未很好清中為立板內(nèi)側(cè)點固焊處有未很好清根留下的焊渣，成為疲勞源，所以焊接操作時應(yīng)根留下的焊渣，成為疲勞源，所以焊接操作時應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)展點固焊定位。謹(jǐn)慎進(jìn)展點固焊定位。圖圖5-175-17q母體金屬資料性能的影響母體金屬資料性能的影響v 母材金屬的疲勞強(qiáng)度總母材金屬的疲勞強(qiáng)度總是隨其靜強(qiáng)度的添加而是隨其靜強(qiáng)度的添加而提高。但對焊接構(gòu)造來提高。但對焊接構(gòu)造來說，只需焊接接頭的類說，只需焊接接頭的類型一樣，高強(qiáng)鋼和中低型一樣，高強(qiáng)鋼和中低強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度根本強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度根本一致，也具有一樣的一致，也具有一樣的

29、S-NS-N曲線，這個規(guī)律適宜對曲線，這個規(guī)律適宜對接接頭、角接接頭和焊接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭方式，接梁等各種接頭方式，見圖見圖5-185-18。圖圖5-18 5-18 外表情況及環(huán)境要素與疲勞極限外表情況及環(huán)境要素與疲勞極限和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系q母體金屬資料性能的影響母體金屬資料性能的影響v 另外研討了屈服極限為另外研討了屈服極限為386MPa386MPa636MPa636MPa之間的碳錳鋼，之間的碳錳鋼，采用采用6 6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲勞裂紋種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展情況，結(jié)果闡明：資料的力學(xué)性能對裂紋擴(kuò)展速擴(kuò)展情況，結(jié)果闡明：資料

30、的力學(xué)性能對裂紋擴(kuò)展速率有一定影響，但影響也不大。所以，焊接構(gòu)造選用率有一定影響，但影響也不大。所以，焊接構(gòu)造選用較高強(qiáng)度的鋼種是沒有意義的。只需靜強(qiáng)度條件起主較高強(qiáng)度的鋼種是沒有意義的。只需靜強(qiáng)度條件起主要作用時，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼。要作用時，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼。v 這是由于在接頭焊趾部沿熔合線存在有微觀缺口這是由于在接頭焊趾部沿熔合線存在有微觀缺口效應(yīng)效應(yīng)咬邊及熔渣楔塊缺陷，它是疲勞裂紋萌生的地咬邊及熔渣楔塊缺陷，它是疲勞裂紋萌生的地方，因此焊接接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命主要方，因此焊接接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命主要由擴(kuò)展壽命決議。所以不同強(qiáng)度鋼材的焊接接頭，其

31、由擴(kuò)展壽命決議。所以不同強(qiáng)度鋼材的焊接接頭，其疲勞強(qiáng)度與母材及焊接資料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。疲勞強(qiáng)度與母材及焊接資料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。5.3 5.3 合理地設(shè)計焊縫、焊接接頭方式合理地設(shè)計焊縫、焊接接頭方式焊縫、焊接接頭方式合理設(shè)計的原那么是盡量降低各種焊縫、焊接接頭方式合理設(shè)計的原那么是盡量降低各種方式的應(yīng)力集中。例如：方式的應(yīng)力集中。例如：l 1盡能夠采用低加強(qiáng)高的對接接頭，重要焊縫甚至要用盡能夠采用低加強(qiáng)高的對接接頭，重要焊縫甚至要用機(jī)加工手段去掉加強(qiáng)高。機(jī)加工手段去掉加強(qiáng)高。l 2接受疲勞載荷的十字接頭應(yīng)開坡口以增大熔深、保接受疲勞載荷的十字接頭應(yīng)開坡口以增大熔深、保證焊透，并使角焊縫圓滑

32、凹入、過渡至銜接件母材上。證焊透，并使角焊縫圓滑凹入、過渡至銜接件母材上。l 3需求采用不開坡口的需求采用不開坡口的T形接頭和搭接接頭時，由于它形接頭和搭接接頭時，由于它們的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，可用調(diào)整焊腳尺寸并加工焊趾過們的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，可用調(diào)整焊腳尺寸并加工焊趾過渡區(qū)來降低應(yīng)力集中。普通，渡區(qū)來降低應(yīng)力集中。普通，T形接頭采用雙面焊比單面形接頭采用雙面焊比單面焊好。焊好。5.3 5.3 合理地設(shè)計焊縫、焊接接頭方式合理地設(shè)計焊縫、焊接接頭方式4設(shè)計蓋板接頭、附連板和筋板時，盡量設(shè)計蓋板接頭、附連板和筋板時，盡量采用圓滑過渡的構(gòu)造方式，見以下圖。采用圓滑過渡的構(gòu)造方式，見以下圖。l 改良前

33、改良前 改良后改良后 5.3 5.3 合理地設(shè)計焊縫、焊接接頭方式合理地設(shè)計焊縫、焊接接頭方式5應(yīng)防止雙條焊縫交叉或會聚于一點。應(yīng)防止雙條焊縫交叉或會聚于一點。6盡量防止在構(gòu)造的大應(yīng)力區(qū)布置焊縫盡量防止在構(gòu)造的大應(yīng)力區(qū)布置焊縫 銜接部位的剛度也不能過大。銜接部位的剛度也不能過大。5.4 5.4 影響焊接構(gòu)造疲勞強(qiáng)度的要素影響焊接構(gòu)造疲勞強(qiáng)度的要素 對于整個焊接構(gòu)造，影響其疲勞強(qiáng)度的對于整個焊接構(gòu)造，影響其疲勞強(qiáng)度的主要要素有三個：應(yīng)力幅值、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)主要要素有三個：應(yīng)力幅值、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和構(gòu)造細(xì)節(jié)稱為細(xì)節(jié)設(shè)計。和構(gòu)造細(xì)節(jié)稱為細(xì)節(jié)設(shè)計。 下面以焊接鋼梁為例引見各種細(xì)節(jié)設(shè)下面以焊接鋼梁為例引見各

34、種細(xì)節(jié)設(shè)計對構(gòu)造疲勞強(qiáng)度的影響。計對構(gòu)造疲勞強(qiáng)度的影響。 q 焊接鋼梁構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度焊接鋼梁構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度 工字梁構(gòu)造的腹板與翼緣銜工字梁構(gòu)造的腹板與翼緣銜接角焊縫，大部分應(yīng)力集中發(fā)接角焊縫，大部分應(yīng)力集中發(fā)生在焊縫起弧生在焊縫起弧熄弧位置上。熄弧位置上。有兩種幾何上的缺口，一是弧有兩種幾何上的缺口，一是弧坑使焊縫在縱向斷面上產(chǎn)生一坑使焊縫在縱向斷面上產(chǎn)生一個顯著的變化，見圖個顯著的變化，見圖5-18；另；另一種是在熄弧與起弧焊道之間一種是在熄弧與起弧焊道之間焊根處未完全熔化、由包住的焊根處未完全熔化、由包住的夾渣呵斥的缺口。實驗結(jié)果得夾渣呵斥的缺口。實驗結(jié)果得出，在出，在2106次循環(huán)下，手

35、工次循環(huán)下，手工焊組拼梁的疲勞強(qiáng)度在焊組拼梁的疲勞強(qiáng)度在133MPa165MPa范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。圖圖5-18 5-18 換焊條的弧坑裂紋換焊條的弧坑裂紋 為了改善疲勞強(qiáng)度，有兩種方法：第一種為了改善疲勞強(qiáng)度，有兩種方法：第一種方法是開坡口、使焊縫熔透整個腹板，實驗方法是開坡口、使焊縫熔透整個腹板，實驗結(jié)果闡明，在結(jié)果闡明，在2106次循環(huán)時，其疲勞強(qiáng)度次循環(huán)時，其疲勞強(qiáng)度可提高可提高147MPa200MPa。第二種方法。第二種方法是采用自動焊工藝，可以防止起弧是采用自動焊工藝，可以防止起弧熄弧位熄弧位置出現(xiàn)缺陷，實驗結(jié)果為置出現(xiàn)缺陷，實驗結(jié)果為2106次循環(huán)時其次循環(huán)時其疲勞強(qiáng)度到達(dá)疲勞強(qiáng)度到

36、達(dá)150MPa185MPa。610q 腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié)的影響腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié)的影響 圖圖5-19中示出了中示出了腹板加強(qiáng)筋不同的細(xì)腹板加強(qiáng)筋不同的細(xì)節(jié)設(shè)計。其中，節(jié)設(shè)計。其中，B型細(xì)型細(xì)節(jié)把加強(qiáng)筋焊到受拉節(jié)把加強(qiáng)筋焊到受拉翼緣下翼板上，翼緣下翼板上，此時疲勞破壞發(fā)生在此時疲勞破壞發(fā)生在翼緣上。實驗結(jié)果闡翼緣上。實驗結(jié)果闡明，在明，在2106次循環(huán)次循環(huán)時，疲勞強(qiáng)度為時，疲勞強(qiáng)度為100MPa。 圖圖5-19 5-19 腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié)腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié) 圖圖5-19中其它六種細(xì)節(jié)是把加強(qiáng)筋焊中其它六種細(xì)節(jié)是把加強(qiáng)筋焊到腹板上，或是焊到腹板和受壓翼緣上。這到腹板上，或是焊到腹板和受壓翼緣上。這些細(xì)節(jié)設(shè)計的

37、試件都在腹板中破壞，裂紋從些細(xì)節(jié)設(shè)計的試件都在腹板中破壞，裂紋從一條或多條加強(qiáng)筋與腹板間的焊縫端部開場，一條或多條加強(qiáng)筋與腹板間的焊縫端部開場，一切細(xì)節(jié)的實驗結(jié)果都落在一樣的分散帶內(nèi)，一切細(xì)節(jié)的實驗結(jié)果都落在一樣的分散帶內(nèi)，在在2 106次循環(huán)時，加強(qiáng)筋板倒角的疲勞次循環(huán)時，加強(qiáng)筋板倒角的疲勞強(qiáng)度約為強(qiáng)度約為116MPa，不倒角的都為，不倒角的都為100MPa。 q拼接接頭細(xì)節(jié)的影響拼接接頭細(xì)節(jié)的影響圖圖5-20中列出了幾種拼接接頭細(xì)節(jié)中列出了幾種拼接接頭細(xì)節(jié) 圖圖5-20 5-20 幾種拼接接頭細(xì)節(jié)幾種拼接接頭細(xì)節(jié)2106次ABC120145178型式拼接接頭疲勞強(qiáng)度MPa型式拼接接頭疲勞強(qiáng)

38、度MPa2106次134159159DEF 普通，沒有邊孔的普通，沒有邊孔的拼接接頭，大部分破拼接接頭，大部分破壞發(fā)生在焊趾上，或壞發(fā)生在焊趾上，或者在焊縫缺陷處，當(dāng)者在焊縫缺陷處，當(dāng)有邊孔時，在角焊縫有邊孔時，在角焊縫端部或邊孔周圍的那端部或邊孔周圍的那些小缺口上，應(yīng)力集些小缺口上，應(yīng)力集中導(dǎo)致低的疲勞強(qiáng)度，中導(dǎo)致低的疲勞強(qiáng)度，見圖見圖5-21。 圖圖5-215-21在腹板三角邊孔頂點產(chǎn)生在腹板三角邊孔頂點產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中嚴(yán)重的應(yīng)力集中q翼緣蓋板細(xì)節(jié)的影響翼緣蓋板細(xì)節(jié)的影響 圖圖5-22中列出了幾種翼緣蓋板端部細(xì)中列出了幾種翼緣蓋板端部細(xì)節(jié)及其疲勞強(qiáng)度節(jié)及其疲勞強(qiáng)度 圖圖5-22 5-22

39、 幾種翼緣蓋板端部細(xì)節(jié)幾種翼緣蓋板端部細(xì)節(jié)ABC797980型式蓋板端部細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度MPa2106次DEF型式蓋板端部細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度MPa2106次83(77)9356G1005.5 5.5 改善焊接構(gòu)造疲勞強(qiáng)度的工藝措施改善焊接構(gòu)造疲勞強(qiáng)度的工藝措施 q修整焊縫修整焊縫q 一部分機(jī)加工打磨法一部分機(jī)加工打磨法q 1對焊縫進(jìn)展部分機(jī)加工有利于提對焊縫進(jìn)展部分機(jī)加工有利于提高疲勞強(qiáng)度。高疲勞強(qiáng)度。q 將焊縫余高機(jī)加工平滑，疲勞強(qiáng)度能將焊縫余高機(jī)加工平滑，疲勞強(qiáng)度能添加到幾乎和母材金屬一樣。添加到幾乎和母材金屬一樣。 2角接接頭普通采用砂輪或磨盤小心角接接頭普通采用砂輪或磨盤小心地打磨，到達(dá)高質(zhì)量的

40、光滑程度。打磨時需地打磨，到達(dá)高質(zhì)量的光滑程度。打磨時需求像圖求像圖5-23中中B那樣，深化到板材外表下那樣，深化到板材外表下下凹下凹0.5mm左右，排除焊趾缺陷，其左右，排除焊趾缺陷，其疲勞強(qiáng)度可提高疲勞強(qiáng)度可提高70%左右；假設(shè)象左右；假設(shè)象A這種這種磨削，疲勞強(qiáng)度增量只需磨削，疲勞強(qiáng)度增量只需30%左右。左右。 圖圖5-23 5-23 打磨焊趾缺陷打磨焊趾缺陷AB 3不承載角焊縫的兩端磨削成下凹形，不承載角焊縫的兩端磨削成下凹形，實驗證明，其疲勞強(qiáng)度也能改善實驗證明，其疲勞強(qiáng)度也能改善70%左右；左右；在兩端焊趾處細(xì)微磨削，疲勞強(qiáng)度增量也只在兩端焊趾處細(xì)微磨削，疲勞強(qiáng)度增量也只需需30%

41、左右。左右。 4對于附連板縱向?qū)雍缚p端部的機(jī)對于附連板縱向?qū)雍缚p端部的機(jī)加工處置也有兩種方法，見圖加工處置也有兩種方法，見圖5-24。圖圖524 一種是把尖角加工成一個適宜的圓角；另一種方法那么是在附連板的端點各鉆一個孔。疲勞強(qiáng)度改善的效果見表5-7。原疲勞強(qiáng)度原疲勞強(qiáng)度MPaMPa兩端磨成圓角兩端磨成圓角兩端鉆孔兩端鉆孔半徑半徑r(mm)r(mm)疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度MPaMPa改善程改善程度度% %孔徑孔徑mmmm疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度MPaMPa改善程改善程度度% %8686121210010016167979505010810837372020117117505071711010128128

42、808059595 588885050表表5-7 焊縫端部機(jī)加工改善疲勞強(qiáng)度的實驗結(jié)果焊縫端部機(jī)加工改善疲勞強(qiáng)度的實驗結(jié)果q TIG鎢極惰性氣體維護(hù)焊修整鎢極惰性氣體維護(hù)焊修整 TIG修整就是沿著焊縫焊趾再熔化，它不修整就是沿著焊縫焊趾再熔化，它不僅可使焊縫與母材之間平滑過渡、改善焊趾僅可使焊縫與母材之間平滑過渡、改善焊趾外形，并且消除了熔渣楔塊，從而提高接頭外形，并且消除了熔渣楔塊，從而提高接頭的疲勞強(qiáng)度。的疲勞強(qiáng)度。 最適宜處置與應(yīng)力方向垂直的橫向焊縫，實最適宜處置與應(yīng)力方向垂直的橫向焊縫，實驗證明，疲勞強(qiáng)度添加驗證明，疲勞強(qiáng)度添加2575%。 q 焊縫外表的硬化處置焊縫外表的硬化處置 采

43、用噴丸或用錘頭撞擊焊縫闡明或焊趾采用噴丸或用錘頭撞擊焊縫闡明或焊趾處：消除焊趾處處：消除焊趾處0.5mm以下的咬邊等缺以下的咬邊等缺陷；加大焊趾處圓弧半徑，緩和幾何外形陷；加大焊趾處圓弧半徑，緩和幾何外形突變引起的應(yīng)力集中；預(yù)制外表剩余壓應(yīng)突變引起的應(yīng)力集中；預(yù)制外表剩余壓應(yīng)力。研討闡明：噴丸硬化可以得到力。研討闡明：噴丸硬化可以得到0.4mm左右的硬化層和剩余壓應(yīng)力左右的硬化層和剩余壓應(yīng)力 ，疲勞強(qiáng)度改，疲勞強(qiáng)度改善量為善量為3337%。 q塑料涂層預(yù)防大氣腐蝕塑料涂層預(yù)防大氣腐蝕 用塑料涂層來提高疲勞強(qiáng)度的方法是比較新的方法。用塑料涂層來提高疲勞強(qiáng)度的方法是比較新的方法。 塑料涂層的作用，

44、主要是由于塑料里的碳鏈與金屬塑料涂層的作用，主要是由于塑料里的碳鏈與金屬外表相互作用，有防腐作用，延伸裂紋的萌生壽命。外表相互作用，有防腐作用，延伸裂紋的萌生壽命。 目前，塑料涂層尚未進(jìn)入工程適用。目前，塑料涂層尚未進(jìn)入工程適用。 疲勞裂紋實例分析疲勞裂紋實例分析 一、彈簧托梁疲勞裂紋分析一、彈簧托梁疲勞裂紋分析 1彈簧托梁的構(gòu)造見圖彈簧托梁的構(gòu)造見圖1 為防止搖枕與彈簧托梁發(fā)生相對運(yùn)動，在彈簧托梁為防止搖枕與彈簧托梁發(fā)生相對運(yùn)動，在彈簧托梁上設(shè)有橫向拉桿座，經(jīng)過橫向拉桿與搖枕銜接。上設(shè)有橫向拉桿座，經(jīng)過橫向拉桿與搖枕銜接。圖圖1 搖動臺構(gòu)造搖動臺構(gòu)造1搖枕吊座；搖枕吊座；2搖枕；搖枕；3空簧

45、或鋼簧；空簧或鋼簧；4彈簧托梁；彈簧托梁；5橫向拉桿；橫向拉桿；6橫向拉桿座橫向拉桿座彈簧托梁的構(gòu)造示于圖2中 母材 焊縫 焊縫 焊縫 焊縫 圖圖 2 圖圖3中示出了橫向拉桿座構(gòu)造，它由隔板、一塊外中示出了橫向拉桿座構(gòu)造，它由隔板、一塊外側(cè)筋板和兩塊內(nèi)側(cè)小筋板構(gòu)成。側(cè)筋板和兩塊內(nèi)側(cè)小筋板構(gòu)成。圖圖3 2疲勞裂紋情況疲勞裂紋情況 該車該車2004年年6月月9月投入運(yùn)用后，月投入運(yùn)用后，經(jīng)過一年多于經(jīng)過一年多于2005年年11月月9日在小筋板與日在小筋板與彈簧托梁立板銜接焊縫端頭發(fā)現(xiàn)一同疲勞裂彈簧托梁立板銜接焊縫端頭發(fā)現(xiàn)一同疲勞裂紋，紋，12月初在小筋板部位又發(fā)現(xiàn)月初在小筋板部位又發(fā)現(xiàn)3起裂紋，起

46、裂紋，見圖見圖4所示，圖所示，圖5為裂紋部位放大圖。為裂紋部位放大圖。圖圖4 裂紋照片圖裂紋照片圖圖圖5 裂紋部位放大圖裂紋部位放大圖 3裂紋緣由分析裂紋緣由分析 出現(xiàn)疲勞裂紋的小筋板縱向角焊縫端頭是疲勞強(qiáng)度出現(xiàn)疲勞裂紋的小筋板縱向角焊縫端頭是疲勞強(qiáng)度薄弱部位；從裂紋照片看，該部位的焊接質(zhì)量也比較差。薄弱部位；從裂紋照片看，該部位的焊接質(zhì)量也比較差。這兩點能夠就是引起疲勞裂紋的主要緣由。這兩點能夠就是引起疲勞裂紋的主要緣由。 針對這個緣由的處置措施：對各筋板端部焊縫進(jìn)展針對這個緣由的處置措施：對各筋板端部焊縫進(jìn)展打磨處置，使焊縫與母材圓滑過渡，并探傷檢查無裂紋。打磨處置，使焊縫與母材圓滑過渡，

47、并探傷檢查無裂紋。打磨部位和要求見圖打磨部位和要求見圖6所示。所示。圖圖6 各筋板端部焊縫打磨處置各筋板端部焊縫打磨處置 彈簧托梁的載荷分析參見圖彈簧托梁的載荷分析參見圖1 橫向力：橫向拉桿座部位；橫向力：橫向拉桿座部位； 改動力：假設(shè)四根吊桿與彈簧托梁銜接改動力：假設(shè)四根吊桿與彈簧托梁銜接部的高度不一致，特別是對角位置存在高度部的高度不一致，特別是對角位置存在高度差時，轉(zhuǎn)向架運(yùn)轉(zhuǎn)中彈簧托梁將遭到交變改差時，轉(zhuǎn)向架運(yùn)轉(zhuǎn)中彈簧托梁將遭到交變改動載荷的作用。動載荷的作用。 采用有限元方法計算彈簧托梁上的應(yīng)采用有限元方法計算彈簧托梁上的應(yīng)力形狀。計算中假設(shè)橫向力為力形狀。計算中假設(shè)橫向力為20KN；

48、在吊；在吊桿的四個連結(jié)點處施加桿的四個連結(jié)點處施加10KN力產(chǎn)生扭矩。力產(chǎn)生扭矩。 經(jīng)計算得出原構(gòu)造彈簧托梁上的應(yīng)力分布，見圖經(jīng)計算得出原構(gòu)造彈簧托梁上的應(yīng)力分布，見圖7。 圖圖7 原方案扭矩橫向力作用下應(yīng)力云圖原方案扭矩橫向力作用下應(yīng)力云圖 由圖可見，最由圖可見，最大應(yīng)力出如今兩個大應(yīng)力出如今兩個內(nèi)側(cè)小筋板縱向角內(nèi)側(cè)小筋板縱向角焊縫端頭處，而該焊縫端頭處，而該處是疲勞強(qiáng)度薄弱處是疲勞強(qiáng)度薄弱部位，并存在收弧部位，并存在收弧弧坑等焊接缺陷，弧坑等焊接缺陷，因此產(chǎn)生了早期疲因此產(chǎn)生了早期疲勞裂紋。勞裂紋。 4確定橫向拉桿座改造方案確定橫向拉桿座改造方案 根據(jù)對裂紋緣由的分析、計算結(jié)果，提出根據(jù)對

49、裂紋緣由的分析、計算結(jié)果，提出三個改造方案。三個改造方案。 改造方案一：改造方案一： 取消內(nèi)側(cè)兩個小筋板先切割去除，再打取消內(nèi)側(cè)兩個小筋板先切割去除，再打磨、探傷，在槽鋼內(nèi)加兩個小立板。小立板磨、探傷，在槽鋼內(nèi)加兩個小立板。小立板內(nèi)側(cè)面間隔內(nèi)側(cè)面間隔140mm，小立板長、高均為，小立板長、高均為90mm，單側(cè)坡口，如圖，單側(cè)坡口，如圖8所示：所示： 圖圖8 改造方案一改造方案一改造方案一有限元計算結(jié)果示于圖改造方案一有限元計算結(jié)果示于圖9。圖圖9 改動橫向力下橫向拉桿座部位應(yīng)力云圖改動橫向力下橫向拉桿座部位應(yīng)力云圖 改造方案二：改造方案二： 將原內(nèi)、外筋板取消先切割去除，再打磨、探將原內(nèi)、外筋

50、板取消先切割去除，再打磨、探傷，立板進(jìn)展切割，使內(nèi)外筋板及立板均下沉傷，立板進(jìn)展切割，使內(nèi)外筋板及立板均下沉16mm，如圖，如圖10 所示。所示。圖圖10 改造方案二有限元計算結(jié)果示于圖改造方案二有限元計算結(jié)果示于圖11。圖圖11 改造方案三：改造方案三： 原方案的各筋板不改動，對各筋板端部焊縫進(jìn)展打原方案的各筋板不改動，對各筋板端部焊縫進(jìn)展打磨處置。打磨后焊縫與母材圓滑過渡，探傷檢查無裂紋。磨處置。打磨后焊縫與母材圓滑過渡，探傷檢查無裂紋。打磨部位和規(guī)范如前面圖打磨部位和規(guī)范如前面圖3-32。同時，在槽鋼內(nèi)側(cè)加。同時，在槽鋼內(nèi)側(cè)加焊兩個筋板，筋板尺寸焊兩個筋板，筋板尺寸120 x80三角形直

51、邊尺寸，三角形直邊尺寸，厚度厚度10mm，高度方向間隔槽形梁鋼底面，高度方向間隔槽形梁鋼底面59mm與與孔中心平齊加焊后筋板端頭打磨，如圖孔中心平齊加焊后筋板端頭打磨，如圖12所示：所示：圖圖12 改造方案三有限元計算結(jié)果示于圖改造方案三有限元計算結(jié)果示于圖13。圖圖13 改造方案的綜合分析見下表原方案原方案改造方案改造方案方案一方案一方案二方案二方案三方案三應(yīng)力情應(yīng)力情況況應(yīng)力值應(yīng)力值MPa455.6429.6405.2380.5-464.5-388.5-366.9-371.3下降下降5.7%11%15%工藝方面工藝方面取消原內(nèi)側(cè)小筋板取消原內(nèi)側(cè)小筋板比較費(fèi)事。比較費(fèi)事。 取消原內(nèi)、取消原內(nèi)

52、、外筋板，并外筋板，并切割立板非切割立板非常費(fèi)事，且常費(fèi)事，且易損壞槽形易損壞槽形鋼。鋼。 添加的小筋板添加的小筋板與原小筋板間與原小筋板間距為距為27mm，無法施焊。無法施焊。綜合評價綜合評價疲勞強(qiáng)度改善不明疲勞強(qiáng)度改善不明顯顯 疲勞強(qiáng)度改疲勞強(qiáng)度改善有一定效善有一定效果，但改造果，但改造工藝費(fèi)事。工藝費(fèi)事。 疲勞強(qiáng)度改善疲勞強(qiáng)度改善較好，但無法較好，但無法實施，可用于實施，可用于新造。新造。共同措施：對各筋板角焊縫端部進(jìn)展打磨使焊縫與母材圓滑過渡；共同措施：對各筋板角焊縫端部進(jìn)展打磨使焊縫與母材圓滑過渡； 焊縫打磨后探傷檢查無裂紋；焊縫打磨后探傷檢查無裂紋； 盡量將焊縫布置在應(yīng)力較小的部位

53、。盡量將焊縫布置在應(yīng)力較小的部位。二、油箱吊梁疲勞裂紋分析二、油箱吊梁疲勞裂紋分析 1裂紋情況裂紋情況 KD25G空調(diào)發(fā)電車，自空調(diào)發(fā)電車，自2004年年10月以來，其中月以來，其中K71型型K122型等發(fā)電車車下油箱吊梁先后發(fā)現(xiàn)多起裂型等發(fā)電車車下油箱吊梁先后發(fā)現(xiàn)多起裂紋。裂紋發(fā)生車都是在紋。裂紋發(fā)生車都是在1994年年 和和1995年以后消費(fèi)的，年以后消費(fèi)的，裂紋發(fā)生時間均在車輛廠修后裂紋發(fā)生時間均在車輛廠修后12年左右，即新造出廠年左右，即新造出廠10年左右。車下油箱吊梁發(fā)生裂紋部位見圖年左右。車下油箱吊梁發(fā)生裂紋部位見圖1所示。所示。 圖圖1 油箱吊梁裂紋實物照片油箱吊梁裂紋實物照片

54、2裂紋緣由分析裂紋緣由分析 1油箱吊梁與中梁下翼板銜接部位為搭接接頭，油箱吊梁與中梁下翼板銜接部位為搭接接頭，均為短焊縫，起、落弧較多，焊接質(zhì)量差見裂紋圖。均為短焊縫，起、落弧較多，焊接質(zhì)量差見裂紋圖。因此，該部位焊接接頭疲勞強(qiáng)度低，又處于中梁下翼因此，該部位焊接接頭疲勞強(qiáng)度低，又處于中梁下翼板最大拉應(yīng)力部位，所以首先在焊縫端頭產(chǎn)生疲勞裂板最大拉應(yīng)力部位，所以首先在焊縫端頭產(chǎn)生疲勞裂紋，然后向吊梁腹板擴(kuò)展。紋，然后向吊梁腹板擴(kuò)展。 2油箱吊梁沿襲傳統(tǒng)設(shè)計，只思索了垂向載荷和油箱吊梁沿襲傳統(tǒng)設(shè)計，只思索了垂向載荷和橫向載荷、滿足靜強(qiáng)度要求。沒有思索縱向載荷以及疲橫向載荷、滿足靜強(qiáng)度要求。沒有思索縱向載荷以及疲勞強(qiáng)度。勞強(qiáng)度。 3補(bǔ)強(qiáng)措施補(bǔ)強(qiáng)措施 經(jīng)過初步分析，擬定了補(bǔ)強(qiáng)措施：加兩塊程度筋板，經(jīng)過初步分析，擬定了補(bǔ)強(qiáng)措施：加兩塊程度筋板，焊在中梁腹板與吊梁腹板上，見圖焊在中梁腹板與吊梁腹板上，見圖2 所示。所示。圖圖2 油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)措施油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)措施 按照按照TB/T1335-96中中7.3條款條款“車