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焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响 摘要通过测定AQ400NH材料的光滑焊件、余高焊件的疲劳性能、观察断口形貌、绘制S－N曲线以及用AN-SYS有限元程序计算应力分布，研究余高对焊接接头疲劳强度的影响。结果发现，对于光滑焊件，焊接缺陷是影响疲劳强度的主要原因，对于有余高焊件，余高的高度是影响疲劳强度的主要原因，实际应变测量和有限元计算都表明，焊趾部位是应力集中区，应力集中的强度和余高间有线性关系。 焊接结构的疲劳强度，在很大程度上取决于构件应力集中情况。如果焊接构件有应力集中，在受到循环载荷条件下，焊接结构普遍会出现严重的断裂破坏。焊缝几何尺寸及焊接过程中产生的各种缺陷是产生应力集中的主要原因［1，2］。然而这些原因如何影响焊接构件的疲劳寿命，对于一种新材料，或者对于在一种特殊条件下使用的材料来说，应当受到特别的关注。AQ400NH钢是一种耐候材料，在使用结构中，该材料的焊接结构承受着高速动载的作用，使用条件特殊，所以研究产生应力集中的原因、应力集中对该焊件疲劳性能的影响，对提高焊件疲劳寿命具有重要意义。 笔者着眼于焊缝趾部余高与焊接构件应力集中的关系，探讨余高产生的应力集中对该焊件疲劳性能的影响。为此，对这种材料的母材、光滑焊件(余高为零的焊件)、带余高焊件分别进行疲劳试验。绘制它们的S－N曲线;观察静态载荷下焊趾处应力的变化;用ANSYS有限元分析程序计算了各种状态下焊接构件的应力分布状态，以及余高变化产生应力集中的趋势。 1实验部分 1．1主要仪器与设备 电液伺服材料试验机:Instron1251型，英国In-stron公司。 1．2材料成分、力学性能实验所用材料为耐候材料AQ400NH，其主要化学成分见表1，母材与焊件的基本力学性能见表2。 1．3焊接接头几何尺寸 疲劳试件共分为3组，一组为母材试件;一组为光滑焊件，即为焊后去掉余高，并进行了精加工，其表面光洁度与母材试件相同;另一组为带余高焊件。三组试件的名义尺寸为，试样宽度B×厚度W×平行段长度L0:24 mm×12 mm×70 mm。光滑焊件的试样厚度比母材略小。试件接头形式为对接焊接头，其试样形式和焊缝堆高名义尺寸如图1所示。焊接方法为MAG半自动焊接。 焊缝几何参数用焊缝宽度b和余高h表示。带有余高的试件共有5个，试样的焊缝宽度b和余高h的实际尺寸见表3。 1．4 疲劳试验 疲劳方式采用循环应力恒负荷轴向脉动拉伸劳。波形为正弦波;应力比R=0;频率10～20 Hz;循环次数5×104～1×107;应力等级分8个级别。因该材料疲劳性能较为稳定，每个应力级别只做一个试样。试验在Instron 1251试验机上完成，疲劳控制方式为恒应力控制。为了便于比较，将三组疲劳强度与循环受命关系的S－N曲线绘于图2中。三组疲劳试验得到的疲劳极限为:母材试件疲劳极限为σu=425 N/mm2;光滑焊件疲劳极限为σu=410N/mm2;余高焊件疲劳极限为σu=220 N/mm2。光滑焊件的疲劳极限和母材比较接近，而平均余高为1．65 mm焊件，其疲劳极限要明显低得多。 1．5应力集中系数的确定 通过试验的方法，可得到焊接接头处实际应力集中系数［3］，即有效应力集中系数kσ按式(1)计算:kσ=σ0/σ’0(1) 式中:σ0—光滑试件的疲劳极限; σ’0—具有应力集中试件的疲劳极限。 本次试验母材的疲劳极限σu=425 MPa，光滑焊件的疲劳极限是σu=410 MPa，堆高焊件的疲劳极限σu=220 MPa，母材与光滑焊件所产生的实际应力集中系数为kσ1=1．036 6。母材与焊接后带堆高试件所产生的实际应力集中系数为kσ2=1．931 8。带有余高焊件的应力集中系数接近前者的两倍。 2有限元计算 使用ANSYS有限元程序进行有限元计算。计算焊趾应力时采用二维模型和四边形8结点单元，根据单元要求，输入0．5 mm的厚度，焊件横截面单元分布如图3所示。计算时所加载荷为220 MPa，低于材料的屈服强度，故计算时材料始终处于弹性状态。计算中取材料的弹性模量E=2．1×105MPa，泊松比v=0．33，并假设整个试件内性能相同。计算时焊件的余高是1．65 mm。计算结果表明在焊缝趾部应力最大，最大值达到446 MPa，相当于所加载荷的两倍，结果如图4所示。 3分析与讨论 3．1 S－N曲线分析从图2中看出，母材和光滑焊件的疲劳强度与循环寿命关系差别不是很大，二者的疲劳极限也很接近，只是母材S－N曲线的拐点要比光滑焊件的S－N曲线拐点明显，母材与光滑焊件数据点分散性也很小。余高焊件的S－N曲线与前两者的变化趋势明显不同，数据点分散性增大，曲线没有拐点，疲劳强度随着疲劳寿命的增加明显下降，疲劳极限下降幅度几乎接近50%。根据表1中余高数据有一个波