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第四章 影响焊接结构疲惫性能原因

4.1 应力集中
焊接结构几何形状通常总是比较复杂，在焊接结构几何改变处所产生应力往往能引发比名义应力大多局部应力，这时疲惫裂纹总是从这些结构局部应力集中处开始。所以，研究这些部位应力集中，对于了解焊接结构疲惫破坏性质，估计其疲惫寿命是很有意义。在焊接结构中，结构几何改变包含以下两个方面。其一，是结构整体几何改变，具体表现在接头形式上；其二，是焊缝局部几何改变。
4.1.1 接头形式
焊接接头形式不一样，它们应力集中程度也不一样，所以接头疲惫强度存在差异。通常来说，应力集中程度越高，其疲惫强度越低。对接接头疲惫强度要高于角接头和搭接接头。在焊接管节点中，T型接头关节点疲惫强度较高。
4.1.2 焊缝局部几何形状
焊缝局部几何形状改变，对焊接结构疲惫强度将产生十分显著影响。试验表明：焊缝宽度和高度夹角变大，其疲惫强度降低。
4.1.3 错位和角变形
焊接接头错位或角变形，使得焊缝局部几何形状改变加剧，使得焊趾根部应力集中程度增加，这肯定是焊接结构疲惫强度降低。
对于有角变形焊接结构，小林，田中等提出了鱿鱼角变形而产生附加弯曲应力公式： 式中为附加弯曲应力； e是每米角变形；是名义应力。 其中E， 分别是弹性模量和泊松比。
对低合金钢错位板接头进行疲惫断裂试验表明，错位量增加，其疲惫极限降低。这种改变趋势图所表示。

4.1.4 焊接缺点
焊接缺点关键是指焊缝中裂纹，未焊透，咬边，气孔，夹渣等。因为这些缺点存在，使得焊缝局部产生应力集中，所以使焊接结构疲惫强度降低。若经过检测得悉焊缝缺点，则能够经过理论计算求出焊接结构应力场及缺点处最大应力值或裂纹尖端应力强度因子，进而可估计结构疲惫寿命。
4.2 尺寸效应
大量试验研究表明，不一样尺寸构件，其疲惫强度是不相同。通常来说，伴随尺寸增加，其疲惫强度呈下降趋势。这种疲惫强度随构件尺寸改变而改变现象，称为尺寸效应。
材料尺寸效应定量描述能够用尺寸系数来表征。它定义为：当应力集中情况相同时，尺寸为d试样疲惫极限和标准试样疲惫极限之比值 式中是尺寸为d大构件在对称循环时疲惫极限；是尺寸为标准尺寸试样在对称循环时疲惫极限。
产生尺寸效应原因：加工原因和百分比原因。
（1） 通常来说，大型构件加工质量比小型试件差，所以所包含缺点更多些，其疲惫强度也就降低。
(2)构件上应力梯度是造成尺寸效应关键原因之一。大试件应力梯度比小试件小，使得大试件在某一相同深度内名义应力比小试件要大。依据试件疲惫破坏时其深度相等见解，从而大试件比小试件疲惫强度要低。
43 平均应力
应力幅对焊接结构疲惫寿命有决定性作用，而平均应力也是关键影响原因之一。平均拉应力是疲惫强度降低，平均压应力使疲惫强度提升。相关平均应力对疲惫寿命影响，可用极限应力线图表示。

图中ACB曲线为格伯疲惫极限图线。在曲线内任一点，表示不发生疲惫破坏；在曲线外点，表示经一定应力循环数后发生疲惫破坏。图中A点是对称循环应力下发生疲惫破坏临界点，该点纵坐标值为对称循环应力下疲惫极限。 B点为静强度破坏点，其横坐标值为强度极限。 由原点O作和横坐标轴成45°角线，并和曲线ACB相交于C点，则=, 因σmax=σm+σa，所以有== 式中： -脉动循环应力疲惫极限。
应指出，疲惫极限脚标表示应力比r数值。如r=-1时疲惫极限为。应力比为任意r时疲惫极限写成。
平均应力三种疲惫极限线图：

格伯疲惫极限线是经过对称循环应力疲惫极限点A和静强度极限点B抛物线（图中曲线1），其方程式为

古德曼图线是经过对称循环应力疲惫极限点A和静强度极限点B直线（图中曲线2），其方程式为

索德倍尔图线是经过对称循环应力疲惫极限点A和屈服极限点S直线（图中曲线3），其方程式为

4.5 残余应力
焊接残余应力是由加热不均匀所引发。在焊接过程中，因为焊缝处温度较高，而金属集体约束焊缝，使其不能自由膨胀，所以出现内部压应力，局部达成塑性变形。温度降低后，因为周围约束不能自由收缩，出现内部拉应力，局部达成拉伸屈服极限。在远离焊缝地方则存在残余压应力，其形成过程恰好是相反。残余拉应力使焊接结构疲惫强度降低。
4.6 材质和力学非均匀性
通常把焊接接头分为三个特征区，即焊缝区，热影响区和母材区。因为这三个区含有不一样金相组织和力学性质，所以反应出整个焊接接头含有材质和力学非均匀性。现在，工程上对焊接接头进行疲惫分析方法，是把它作为均匀材料来处理。几年来，大家开始研究各分区材质非均匀性对整体接头力学性能，断裂力学参量等影响。
4.7 焊后热处理及焊缝修整技术
焊接结构在焊后进行热处理，能够把焊接残余应力减
到较低水平，从而可提升疲惫强度。
相关焊缝修整技术，常见方法有以下四种：研磨，TIG熔修，等离子弧熔修和锤击。这些方法全部是经过改善焊趾处缺点和外部形状来降低应力集中现象，从而提升焊接结构疲惫强度。
4.8 腐蚀
腐蚀疲惫是指腐蚀性介质和循环应力联合作用下产生断裂现象。循环应力加速了腐蚀作用，而腐蚀又加速了机械疲惫过程。腐蚀疲惫是一个决定于环境，材料和受力状态三者相互作用力学—电化学过程。象海洋工程中海上平台管节点这么焊接结构常常处于海水腐蚀环境中。因为海水腐蚀作用，使得焊接结构疲惫强度降低，其降低程度和应力水平和加载频率相关。研究表明：当加在频率在1HZ以内，应力水平在屈服极限周围，海水腐蚀对疲惫强度影响较小。伴随应力水平降低，海水腐蚀对疲惫强度影响加大。
预防方法有：
（1）采取电化学势（阴极保护）方法。阴极保护能够有效地预防焊接结构腐蚀，但提升疲惫寿命是有限，在高应力水平下没有提升。对于海上平台管节点，海水自由腐蚀使疲惫寿命降低程度有经验公式：
而在阴极保护条件下，其疲惫寿命相对于空气中降低程度有经验公式： 式中为海水自由腐蚀修正系数；为管节点热点应力；为材料屈服极限；为阴极保护系数。
（2）对焊缝进行修整也能够提升在海水中焊接结构疲惫强度。
不过，不管采取哪有那种预防方法，焊接结构在海水中疲惫强度全部达不到其在空气中疲惫强度。