焊接接头的应力集中及其对疲劳强度的影响.docx
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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
458030
）
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
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
mm
氩气流量
一
送丝速度
。
直径／ra
去余高
正常
360MP0
／V
in
’
／L
．
m
in
一
／m
m
．
m
in
‘
对
、
手工钨极
3
2
道（正
1
、
20
160
100
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
360MP
a
手1：
极钨
31
道
20
170
100
12
铝合金
390MPa
氙弧焊
维11
132512
～
～
十字接头
铝合金
半自动焊
1
1
道
20
13
脉
130
～
135
_
WWW
。
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．
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参磊加工
热加工
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尺一
＆
倒加
Ｉ塞麈 塑量。
旦
焊缝的几何尺寸中，侧面角０和过渡半径Ｐ采用在
投影仪上放大１后测量，其余尺寸用焊缝专用测量 ０倍工具直接测量，测量的统计平均值如表２所示。
表２焊缝几何尺寸统计平均值
、、
＼
接头形式
＼
、、、
＼
ｈ＾ Ｐｐ
ｔｔ
０
正常余高对接
（）对接接头 ａ
１８ ０４ １０ ４． ４．７１．５．３１４１
高余高对接
单面焊双面成形
十字接头
３６ ｌ．８０６ １４４．１０７ ．３２
１３ １． ２４５． ．５０８． １５７４
０
０
６Ｏ ５９ ０７ ２． ４６．９．３．３．３１５８４． ３７
注：
表中物理量含义见图１和图２，ｎ为未焊透长度。
ｐ
３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 ｂ
合试验结果进行修正，所得应力集中系数如表３所示。
表３应力集中系数计算结果
对接接头 十字
图１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 ２１ ．３１５ ．５１４ １２ ．９．３２４ ．４
２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２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经机加ｌ制成的，这 ?
Ｔ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ｔ量的。
：
Ｎ
４．单面焊双面成形对接接头应力集中系数的确定
从表３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３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３所示。
（）对接接头试样 ａ
尸
尸
（）ｔｂ－字接头试样
Ｂ
图２疲劳试样形式及尺寸
图３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４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１４。
上述计算尽 ．９
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。
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ｌ蚕翌量垦妻薹壅鏖＿ｌ曩 鏖ｌ
二、应力集中对疲劳强度的影响
１．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 ＇ｔＬ载频率为８０—１０Ｈ、应力比为０１的条件下进行轴向 １ ｚ．
疲劳试验。
试验结果如表４所示。
表４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４中１Ｘ１。
、２Ｘ１ 次和５ 次０ ０
Ｘ１。
次三条曲线均为这种情况。
０
表４中３０Ｐ级Ａ一ｇ系铝合金对接接头和十字 ９Ｍａ１Ｍ接头在 一坐标下的点太少而不便于画出曲线，但从 表４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
５×１ ２×１ １×１ ２×１ ×ｌ ００００５０
３．应力集中对疲劳强度的降低因子曲线
去余高 ３０ 对 ９ＭＰ正常余高
级铝合 单面焊双面成形 接
金（１接 Ａ．
ｌ７ｌ０５ ２ ｌ９ｌ５２ ０
ｌ９ｌ３２ ０
ｌ８９． ０ ４５９ ６
９ ８． ３２１
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５
ｌ２８． ７ ６． １ ２５２０５
Ｍｇ系）头 高余高
所示的不同加强高对接接头（９Ｍａ级Ａ—３０ＰｌＭｇ系铝合 金）在指定寿命下的疲劳强度降低因子。
３０ＭＰａ９
表５疲劳强度降低因子
对接接头 ｌ８ｌｌ７． ４ １ ９５
加强高 十字接头 ８ ６． ５． ８８５１０去加强高
卢＝ｔｔｒｒ／ 一 ．２Ｘ１５次 ×１６次 ６次 ０ ０１０２Ｘ１０５Ｘ１６次
Ａ— ｌＭｇ
系铝
合金
ｌ
ｌ ０８ ．２
ｌ ０８ ．８
ｌ ０８ ．９
ｌ
表４９ＭａＡ—ｇ中３０Ｐ级ｌ系铝合金正常余高对接接头相 Ｍ
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 １５ ．５
单面焊
２应力集中对疲劳强度的影响 ．
将表４中３０ａ铝合金对接接头在指定寿命下的 ９ＭＰ
疲劳强度与表３中相应接头的应力集中系数的关系绘成 如图４所示曲线。
１４ ．９
０．２８
０．６８
０．６８
０８ ．７
双面成形
高加强高 ２１ ．３
０７ ．ｌ
０６ ．９
０６ ．７
０６ ．４
将表５中 与 的关系可绘成如图５所示的卢一
从图４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５及图５可知，正常余高的疲劳强度降低因 子最大，约在０８～．９间；高余高对接接头的疲 ．２０８之
ｋ ｔ
图５一曲线
图４疲劳强度与应力集中关系
（一）曲线 ｒ ，
（转第５下９页）
圈
璺 笪！
塑竖堡皇 曼 型
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磊 工热工加
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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，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 ６
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 ７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１８３边缘复层坡１上的 ３
飞溅物。
三、结语
综上所述，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１形式。
１３
（）严格控制不锈钢复合板的错边量。
２ （）正确选择焊接方法、３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 ９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４范
的焊接工作。
（）正确选择合理的焊接顺序。
５
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４０～５℃温度区间的停留时间，防止焊缝产生 ０８０
奥氏体晶界局部贫铬，析出 脆性相，产生４５Ｃ７￣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 ６
焊接的关键，过渡层的成分选择也十分重要。
ＭＷ
（０８４５）２００１
（０１）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 １１
后焊接。
（２１）严格控制不锈钢表面机械损伤和飞溅物。
（接第５上６页）
劳强度降低因子最小，大约在０７０６．１～．４之间。
而且
疲劳强度的降低因子与寿命的关系也有差别，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。
．
８．预热和热处理
不锈钢复合板焊前预热和焊后热处理按Ｊ／ ＢＴ４０－２０钢制压力容器焊接规程》进行。
７９００《
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 １合金正常余高对接接头而言，其应力集中系数通常在 １５．５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 ２即
（）焊前预热 当不锈钢复合板基层需要预热时，１ 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２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，３ 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。
ＭＷ （０８４９ ２００１）
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。
９．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
ＷＷＷ．ａｃｈｉｓｔｃｏ．ｒｍｎｉ．ｍＣｌ
箜！
＿ 叠塑
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