1、焊接接头的应力集中及其对疲劳强度的影响 本文由chasebest贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 维普资讯 焊 接 接 头 的应 力集 中及 其 对 疲 劳 强度 的影 响 鹤 壁 职 业 技术 学 院 机 电 工 程 学 院 ( 河南 4 5 80 30 ) 崔 国英 姚 志英 摘 【 要】 由统 计 的 方 法 得 到 焊接 接 头 的 几 何 尺 寸 ， ， 用 理 论 计 算 确 定 不 同 焊 接接 头 形 式 在 不 同 余 高 下 焊 。 缝处 的应 力 集 中系 数 并从 应 力分 析 的角度 研 究应 力 集 中对 铝
2、 合 金 轴 向 疲 劳 强 度 的 影 响 。 本 研 究 结果 可 供 铝 合 金 焊 接 结构 的 强 度 设 计 参 考 焊接结构 的焊 缝 部位 ， 由于 存 在 余高使 截 面 几 何 尺 。 本 文 首 先采 用 数理 统 计 的方 法 ， 对 焊缝 的 几 何 尺 寸 、 寸易在该 处 发 生 突 变 而 产 生 应 力 集 中 使焊接结 构 的疲 劳 强 度 大 大降低 的应 力集 中对 疲 劳 强 度 的影 响 ， 应 力 集 中 的 存在 ， 进 行 测量 统计 处 理 ； 然 后 采 用 后 川 理 中 山 英 治撰 写 的 。 因此 研 究 焊缝 部 位 接继 手部
3、四 应 力 集 中 系 数 中 的 计算 方 法 计 算 焊 缝 溶 处 的理 论 应 力 集 中系 数 ， 以 及 对 提 高焊 接结 构 抗 。 并结合 疲 劳试 验 结 果 来研 究 应 。 疲劳性能 设 计 具 有十分 重 要 的 意 义 力集 中对 疲劳 强 度 的影 响 ， 该 研 究结 果 可 作 为焊接结 构 关 于 应 力 集 中对 疲 劳 强 度 的 影 响 是 基 体 材 料 上 开 有 规 则 缺 口 的试 件 强 度 的研 究 较 少 。 ， 以往研 究较多的 强 度 设 计 的参 考 一 。 而对焊接接头疲 劳 、 理 论 应 力集 中 系数 、 1 ， 焊缝的形
4、式 尺 寸 及 焊接 参数 ， 焊接结构 的 焊缝 直 于 焊缝 的 轴 向看 ， 不 管从 焊缝 的 轴 向 看 。 ， 还 是从垂 一 十字接头焊 缝 为半 自动氩 弧 焊 用手 工 钨 极 氩 弧 焊 ， 其余 对 接接 头均 采 1 外 形 都 比 较 复杂 即使采用 同 。 焊 具 体焊接 参数 如表 所示 。 接工 艺 ， 每次焊接 的 焊缝 外 形 也 不 完 全 相 同 复 杂 的焊 。 对 接接头 和 十字 接 头 的 焊 缝 形 状 和 几 何 尺 寸 参 数 的 表 示 分别 如 图 1a 缝 几 何 形 状 使 应 力 集 中系 数 的计算 也 变 得 比较 困难 表
5、和图 1b 所示 。 1 试 板 焊接 参数 焊 接 参 数 接 头 形 式 材料 方法 焊丝 电压 焊道 m 电流 A 焊接 速 度 m m m 氩气 流 量 一 送 丝 速度 。 直 径 ra 去余 高 正 常 360 MP0 V in L m in 一 m m m in 对 、 手工 钨 极 3 2 道 (正 1 、 20 16 0 10 0 12 接 余 高 和 高 余高 铝 合金 氩弧 焊 反各 道) 接 头 形 单面焊双 面成 3 6 0 MP a 手1 ： 极 钨 3 1 道 20 17 0 10 0 12 铝 合金 3 9 0 MP a 氙弧焊 维 11 13 25 12 十字
6、 接 头 铝合金 半 自动 焊 1 1 道 20 13 脉 13 0 13 5 _ W W W 。 呈 旦 望翌 ! 曼 旦璺 塑 塑壁 兰塑型 m a c h in is t c O m c n 参磊加 工 热加工 维普资讯 尺一 倒 加 塞 麈 塑 量。 旦 焊缝 的几何尺寸 中，侧面角 和过渡半 径 采用在 投影仪上放 大 后测量 ，其余 尺寸 用焊缝 专用 测量 倍 工 具直 接测量 ，测量 的统计平均值 如表 所示 。 表 焊 缝 几何 尺 寸 统 计 平 均 值 、 、 接 头形 式 、 、 正 常 余 高 对 接 （）对接 接头 高余高对接 单 面 焊 双 面 成 形 十 字 接
7、 头 注 ：表 中物 理 量 含 义 见 图 和 图 ，为未 焊 透 长 度 。 理论应力集中系数计算原理 本文采用后 川理 和中山英 治的有限元 计算法 ，并结 （ ）十字 接 头 合试验结果进行修正 ，所得应力集中系数如表 所 示。 表 应 力 集 中 系 数 计 算 结 果 对 接 接 头 十字 图 焊缝 形式 及尺 寸 接 头 形 式 高余高 正常余高 单面焊双面成形 接头 应 力 集 中 系 数 焊缝几何尺寸的测量方法及测量结果 焊缝几何尺寸 的测量是在 图 所 示的轴 向疲 劳试 样 的两个侧面进行 的。同 一 种焊接接头 形式 的同 一 种余 高的疲 劳试样是从 同一块试板取样
8、经机加 制成 的 ，这 ? 样就保证 了同一种焊接形式的同一种加强 高焊缝 的几何 尺 寸是从同一条焊缝的不同截面 量的。 ： 单面焊双面成形对接接头应力集中系数的确定 从表 可 以 发现 ，单 面 焊双 面成 形 对 接 接头 由于 “ 焊而 ” （ 指焊接 的表面 ）和 “ 非焊 面” （ 指没有直接焊 接而仅有成形焊 趾的一 面 ，即图 所示小 焊趾 的一 面 ） 焊趾外形 尺寸差异较大 ，使应力集 中系数 出现 了两个值 爿 国 ： （ 其中较小的一个值对应 于 “ 焊面” ，较大 的一个值对应 于 “ 非焊面 ” 。为 确定 哪一个应 力集 中系数对应的截 ） 面应 力最大 （ 即危
9、险截面） ，需要进行 相关 的计算 。 假定焊趾外形是一个理想 的圆弧 ，如 图 所示。 （）对 接接 头试 样 尸 尸 （） 字接 头试 样 图 疲劳试 样形式及 尺寸 图 单 面焊 双面成形对接接头简化示意 图 对于双面焊高余高 、正常余高对 接接头 和单 面焊双 面成形的对接接头 以及 十字接 头 种形 式的接 头试样 ， 经过计算表明 ， “ 非焊面 ”过 渡处的应 力最大 。故 这种对接接头应取 “ 非焊面 ”过渡处 的应 力集 中系数作 为这种接头的应力集中系数 ，这里取 。上 述计 算尽 每种分别任意抽取根试样 ，每根试样 分别取 两个 测量 三 面 ，并取其平均值作为该种焊缝的
10、代表几何 尺寸 。 管作 了一定的假设 ，但对定性分析仍是有意义 的。 参磊工热 工 加 堡 兰 生 ！ 豳 曼 箜 曼 塑 维普资讯 蚕 翌量垦 妻薹 壅鏖 曩 鏖 二、应力集中对疲劳强度的影响 疲劳试验条件和试验结果 把用于应力集中系数测量计算 的同 试样 ，在加 载频率为 、应力 比为 的条件 下进行轴 向 疲劳试验。试验结果如表 所示。 表 疲 劳 试 验 结 果 一 曲线 呈上 凹。而 在疲劳寿 命较 长的情况 下，疲 劳 强度随应力集中系数增大 而降低的速度逐渐 变快 ，表现 为 一 曲线 上凸 ，如 图中 。 、次和 次 。 次三条 曲线均为这种情况 。 表 中 级 一 系铝合
11、金对 接接头 和十 字 接头在 一 坐标下 的点太 少而不便 于画出 曲线 ，但从 表 中可 以很容 易看出 ：十字接头 由于应 力集 中较为严 重 ，而使其疲劳强度远低于对接接头 。 鎏苷 、 寿 命 应力集中对疲劳强度的降低因子曲线 去余高 对 正常余高 级 铝 合 单 面焊 双 面成形 接 金 （ 接 为了进一步研究应力集 中对疲劳强度 的影响 ，这里 将指定寿命下 ，带加强 高对接接 头的疲劳强度 与去掉加 强高对接接头的疲劳强度之 比定 义为应力集 中对疲 劳强 度的降低 因子 ，以（ ）表 示。可得 到如 表 系）头 高余高 所示 的不同加 强高对接接 头 （ 级 系 铝合 金 ）
12、在指定寿命下的疲劳强度降低因子。 表 疲 劳 强 度 降低 因 子 对接接头 加 强 高 十 字 接 头 去 加 强 高 卢 一 次 次 次 次 系 铝 合 金 表 中 级 系铝合金正常余高对接接头相 应的焊接规范 ，可认为其焊缝几何尺寸与后者相当。 正 常 加 强 高 单面焊 应力集中对疲劳强度的影响 将表 中 铝合金 对接接头在 指定寿命下 的 疲劳强度与表 中相应接头的应力集 中系数的关系绘成 如 图所示曲线 。 双 面 成形 高 加 强 高 将表 中 与 的关 系可绘成 如图 所示 的卢一 从图 可看 出，在 指定 寿命下 ，应 力集 中越严 重 ， 疲劳强度越低 ；在疲劳寿命较低 的
13、情 况下，疲 劳强度 随 应力集 中系数增大 而降低的速度逐 渐变缓慢 ，这表现 为 曲线 。由表 及图 可知，正 常余 高 的疲 劳强度降低 因 子最 大 ，约在 间 ；高余高对接接头 的疲 之 图 一 曲线 图 疲劳强度与应力集 中关系 （ 一 ）曲线 ， （ 转第 下 页） 圈 璺 笪！塑 竖堡皇 曼 型 磊工热 工 加 维普资讯 不锈钢 一侧 的基层焊缝尽量采用无 飞溅 的焊接方法 （ 例 如埋弧焊 、非熔 化极氩 弧焊 等 ） ，因为碳素 钢 的飞溅会 在复层表面造成锈蚀 。 基层一般应进行射线探 伤检查。发现超标 缺陷 ，立 即进 行返修 。返 修完 毕并经射 线探 伤检查 合格后
14、 ，再将 复层 侧 的基层 焊缝 表 面 打磨平 整 ，一般 应进 行 渗透 探 伤检 （ ）严防碳钢 或低 合金钢焊条焊接在 复层 上或过渡 层 焊条焊在复层面上 。 查 ，经过渗透探 伤检 查 合格后 ，再 焊接 过渡 层和 复层。 过渡 层 和 复 层 焊 接 完 毕 后 ，一 般 还 应 进 行 渗 透 探 伤 检查 。 （ ）焊接 过渡层 时 ，为减小稀释率 ，在保 证焊透 的 条件下 ，应尽可能采用小直径焊条 ，并 采用小规 范反极 性 进行 直道焊 ，以降低基层对过渡层焊缝 的稀 释。 （ ）复层 焊接前 ，仔细清除坡 边缘 复层 坡 上 的 飞溅物 。 三、结语 综 上所述 ，
15、不锈钢复合板焊接技术要点主要有 ： （ ）设计科学合理的焊接坡 形 式。 （ ）严格控制不锈钢复合板的错 边量 。 （ ）正确选择焊接 方法 、 焊接材 料与 合理的焊接参 数。 （ ）复层焊接时 ，为保证焊接质量 ，必须控制 焊接 热输入 ，应采取多层多道快速不摆动 焊法 ，尽量采 用小 的焊接热输入和 电流 ，并快速焊接 。复层焊接 时 ，不应 （ ） 由持证焊工在有效期间内担 任合格项 目 围内 范 的焊接工作 。 （ ）正确选择合理的焊接顺序 。 预热和缓冷 ，有时甚至采取强制冷却措 施 ，以尽量 减少 焊缝在 温度 区间 的停 留时间 ，防止焊缝 产生 奥 氏体 晶界局部贫铬 ，析出
16、 脆性 相，产生 脆性 ， 从 而保证焊缝金 属具有 良好 的力 学性能和抗 晶间腐蚀性 能。 （ ）基层 和复层之间的过渡层焊接是 不锈 钢复合板 焊接的关键 ，过 渡层 的成 分选择也 十分重要 。 （ ） （ ）不锈钢 复合板焊 接的关 键是提 高焊缝 一次合 格率 ，减少返修次数 。因为不锈钢 复合板焊接接 头的组 织和性 能十分不均匀 ，焊缝返修时经常产生热裂纹。 （）不锈钢设备 接触介 质的一 面焊缝 应尽 可能最 后焊接 。 （ ）严格控制不锈钢表面机械损伤 和飞溅物 。 （ 接第 上 页） 劳强度降低 因子最 小 ，大 约在 之 间。而且 疲劳强度 的降低 因子与寿命 的关 系
17、也有 差别 ，高余高对 接接头疲劳强度 的降低 因子随 寿命 增大 而变小 ，其余两 种对接接头则正好相反 ，表现为 一 曲线呈交叉状 。 预热和热处理 不锈 钢 复 合 板 焊 前 预 热 和 焊 后 热 处 理 按 钢制压力容 器焊接规程 进行 。 三 、结语 通过计算铝合金焊接 接头应 力集中 系数 ，分 析应力 集 中对疲劳强度的影 响 ，可得到如 下结论 ： （ ）焊接结构在焊缝处的应力集 中相 当严 重 ，就铝 合金正 常余 高对 接接 头 而 言 ，其 应 力集 中 系数 通常 在 左右 ，应引起结构设计者的足够重视。 （ ）十字接 头 比对接接 头 （ 使是 高 余高 对接 接
18、 即 （ ）焊前预热 当不锈 钢复合板 基层 需要预 热时 ， 应以复合钢 的总厚度作为确定 预热 温度 的厚 度参数 。当 基层需要进行预热时 ，施焊过渡层的焊缝也必须预热。 （ ）焊后热处理 不锈钢 复合板应尽量避 免焊后热 处理 。当需要进行 焊后 热处 理时 ，应避免复 层母材 和焊 接接头中铬碳化物析 出和形成 相 。如 焊后热处理温 度 在不锈钢的敏化温度区间之 内，就 会降低不锈钢 的耐腐 蚀性 能 ，使不 锈 钢产 生 晶间 腐蚀 裂 纹。为解 决 这个 问 头 ）的应力集中严 重得多 ， 其原 因不仅在 于它的焊缝外 形尺寸 ，更重要 的是 由它 的内部焊缝缺 陷所造成 。因而 在必须采 用十字接头 的情况 下 ，尽量避 免内部未焊 透缺 陷将是改 变其应 力集 中的重要途径。 （ ）焊缝部 位的 应力集 中对疲劳 强度 有明显影 响 ， 应力集 中越严 重 ，疲 劳强 度越低 。而且疲 劳 寿命越 长 ， 这种影响就越严重 。 （ ） 题 ，可以采用 “ 低温长时” 的热处 理方式 ，即适 当降低 热处理温度 ，延长保温时间。 焊接检验 在基层焊接完毕之后 、过渡层与 复层焊接之 前 ，对 参磊 工热 工 加 塑 复呈 堡塑 箜！ 叠 塑本TXT由“文库宝”下载:
