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1、5 焊 接 結(jié) 構(gòu) 的 疲 勞 強(qiáng) 度 焊 接 作 為 現(xiàn) 代 理 想 的 連 接 手 段 ， 與 其它 連 接 方 法 相 比 ， 具 有 經(jīng) 濟(jì) 、 靈 活 的 突出 優(yōu) 點(diǎn) ， 因 此 ， 各 個(gè) 工 業(yè) 領(lǐng) 域 都 大 量 地采 用 焊 接 結(jié) 構(gòu) 。 但 是 ， 許 多 運(yùn) 動(dòng) 結(jié) 構(gòu) 或承 受 動(dòng) 載 荷 的 結(jié) 構(gòu) ， 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 。 5 焊 接 結(jié) 構(gòu) 的 疲 勞 強(qiáng) 度 據(jù) 統(tǒng) 計(jì) ， 由 于 疲 勞 而 失 效 的 金 屬 結(jié) 構(gòu) 中 ，90%為 焊 接 結(jié) 構(gòu) 。 一 般 情 況 下 ，

2、 焊 接 接 頭 承受 靜 載 的 能 力 并 不 比 母 材 低 ， 而 承 受 動(dòng) 載 荷 的能 力 卻 遠(yuǎn) 低 于 母 材 。 這 是 因 為 ， 焊 縫 處 存 在 應(yīng)力 集 中 、 焊 接 缺 陷 、 殘 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 為焊 接 結(jié) 構(gòu) 的 疲 勞 薄 弱 環(huán) 節(jié) 。 5.1 各 種 焊 接 接 頭 的 疲 勞 破 壞 形 式 1 橫 向 對(duì) 接 焊 縫 在 沒(méi) 有 焊 接 缺 陷 時(shí) ，帶 有 余 高 的 橫 向 對(duì) 接 焊縫 ， 應(yīng) 力 集 中 主 要 發(fā) 生在 焊 縫 的 焊 趾

3、 和 焊 根 處 ，所 以 疲 勞 破 壞 一 般 始 發(fā)于 此 ， 見(jiàn) 圖 5-1 a） 和b） 。 a)b) 圖 5-1 橫 向 對(duì) 接 接 頭 疲 勞 裂 紋 部 位 2 縱 向 對(duì) 接 焊 縫 外 力 方 向 與 對(duì) 接 焊 縫 平 行 ，焊 縫 表 面 的 波 紋 與 應(yīng) 力 方 向 垂直 ， 疲 勞 破 壞 將 從 缺 口 最 嚴(yán) 重的 鱗 紋 處 開(kāi) 始 ， 或 者 在 更 換 焊條 的 那 一 點(diǎn) ， 見(jiàn) 圖 5-2 a)。 在 梁 的 翼 緣 邊 對(duì) 接 一 個(gè) 小 附件 ， 在 焊 縫 端 部 形 成 嚴(yán) 重 的 應(yīng)力 集 中 ， 因 此 裂 紋 常 出 現(xiàn) 在 焊縫 端

4、部 ， 見(jiàn) 圖 5-2 b） 。 a)b)圖 5-2 縱 向 對(duì) 接 焊 縫 疲 勞 裂 紋 部 位 3 角 接 焊 縫 角 接 焊 縫 的 破 壞 形 式 有 以 下幾 類(lèi) ： （ 1） 在 不 承 載 的 橫 向 角 焊縫 中 ， 疲 勞 裂 紋 發(fā) 生 在 焊 趾 處 ，見(jiàn) 圖 5-3（ a） 中 ； （ 2） 對(duì) 于 承 載 的 橫 向 角 焊縫 ， 裂 紋 起 始 于 焊 趾 或 焊 根 ， 見(jiàn) 圖 5-3（ b） ； （ 3） 對(duì) 于 承 載 和 不 承 載 的縱 向 角 焊 縫 ， 裂 紋 都 起 始 于 焊縫 兩 端 ， 見(jiàn) 圖 5-3（ c） 、（ d） 。 圖 5-3角 接

5、 接 頭 的 破 壞 形 式（ 黑 點(diǎn) 表 示 裂 紋 的 開(kāi) 始 點(diǎn) ） 不 承 載 的 橫 向 角 焊 縫 不 承 載 的 縱 向 角 焊 縫 橫 向 角 焊 的 筋 板（ 縱 向 角 焊 的 筋 板 ） 承 載 的 橫 向 角 焊 縫 承 載 的 縱 向 角 焊 縫 橫 向 角 焊 搭 接側(cè) 向 角 焊 搭 接 5.2 影 響 焊 接 接 頭 疲 勞 強(qiáng) 度 的 因 素 q 應(yīng) 力 集 中 的 影 響 研 究 表 明 ， 一 個(gè) 結(jié) 構(gòu) 的 疲 勞 特 征 主 要 決定 于 它 所 包 含 的 應(yīng) 力 集 中 的 嚴(yán) 重 程 度 。 由 于所 有 的 焊 接 接 頭 不 可 避 免 地

6、是 應(yīng) 力 集 中 點(diǎn) ，自 然 ， 疲 勞 破 壞 很 可 能 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 主要 因 素 。 （ 一 ） 橫 向 對(duì) 接 接 頭 圖 5-4中 示 出 了 橫 向 對(duì) 接 接 頭 中 的 工 作 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 5-4 對(duì) 接 接 頭 中 工 作 應(yīng) 力 的 分 布00 影 響 橫 向 對(duì) 接 焊 縫 應(yīng) 力 集 中 的 主 要 因 素是 焊 縫 余 高 h和 過(guò) 渡 處 半 徑 r， 見(jiàn) 圖 3-5 。

7、 圖 5-5 對(duì) 接 焊 縫 余 高 h、 過(guò) 渡 半 徑 r與 應(yīng) 力 集 中 系 數(shù) K的 關(guān) 系 表 5-1 如 果 使 用 機(jī) 械 加 工 方 法 將 余 高 切 除 ， 則 應(yīng) 力集 中 可 以 大 大 減 小 ， 對(duì) 接 接 頭 的 疲 勞 極 限 可 以 明顯 提 高 ， 見(jiàn) 表 5-1 接 頭 的 表 面 狀 態(tài) 對(duì) 接 接 頭 的 疲 勞 極限 -1 （ MPa)母 材 軋 制 狀 態(tài) 225 235橫 向 對(duì) 接 焊 接 態(tài) 117 127橫 向 對(duì) 接 兩 面 加 工 215 225縱 向 對(duì) 接 焊 接 態(tài) 179.34 但 當(dāng) 焊 縫 帶 有 嚴(yán) 重 缺 陷 或 未

8、焊 透 時(shí) ， 其 缺 陷 或未 焊 透 處 的 應(yīng) 力 集 中 要 比 焊 縫 表 面 的 應(yīng) 力 集 中 嚴(yán) 重得 多 ， 這 時(shí) 焊 縫 表 面 進(jìn) 行 機(jī) 械 加 工 則 是 毫 無(wú) 意 義 的 。 （ 二 ） 搭 接 接 頭 搭 接 接 頭 中 的 工 作 應(yīng) 力 分 布 見(jiàn) 圖 5-6所示 。 搭 接 接 頭 的 應(yīng) 力 集 中 比 對(duì) 接 接 頭 嚴(yán) 重 ，因 此 其 疲 勞 強(qiáng) 度 也 比 對(duì) 接 接 頭 低 得 多 。 a） 等 截 面 板 搭 接 b） 不 等 截 面 板 搭 接圖 5-6 側(cè) 面 搭 接 焊 縫 應(yīng) 力 分 布 圖 1. 各 種 端 焊 縫 型 式 的 搭

9、 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 縫兩 直 角 邊 比 疲 勞 極 限 0（ MPa）母 材 200 1 直 角 邊 比 1： 1 802 直 角 邊 比 1： 2 973 焊 縫 經(jīng) 機(jī) 械 加 工 1024 蓋 板 直 角 邊 比 1：3.8， 經(jīng) 機(jī) 械 加 工 200 表 5-2 2 側(cè) 焊 縫 形 式 的 搭 接 接 頭 ， 無(wú) 論 是 受 到 拉-壓 或 彎 曲 載 荷 ， 其 疲 勞 強(qiáng) 度 都 比 端 焊 縫 低 。見(jiàn) 圖 5-8和 表 5-3 。材 料 應(yīng) 力 比 疲 勞 極 限 （

10、 MPa）a) b) c)碳 鋼 b=432MPa s =262MPa 0 70 80 90-1 34 43 40 50表 5-3 a)b)c) 圖 5-8 側(cè) 焊 縫 搭 接 接 頭 （ 三 ） T形 （ 十 字 ） 接 頭 圖 5-9中 示 出 了 T形 （ 十 字 ） 接 頭 的 工 作 應(yīng) 力 分 布 。其 應(yīng) 力 集 中 系 數(shù) 遠(yuǎn) 比 對(duì) 接 接 頭 高 。 a) 未 開(kāi) 坡 口 角 焊 縫 構(gòu) 成 的接 頭 b) 開(kāi) K形 坡 口 角 焊 縫 構(gòu) 成 的接 頭圖 5-9 T形 （ 十 字 ） 接 頭 的應(yīng) 力 分 布 未 開(kāi) 坡 口 的 T形 接 頭 ， 當(dāng) 焊 縫 傳 遞 工

11、作 應(yīng) 力 時(shí) ，其 薄 弱 環(huán) 節(jié) 有 兩 個(gè) ： 一 是 焊 縫 ， 另 一 個(gè) 是 焊 趾 。 如果 焊 縫 的 計(jì) 算 厚 度 a與 板 厚 t之 比 a/t 0.6 0.7,一 般 斷 于 焊 縫 。 如 果 a/t 0.7,一 般 斷 于 焊 趾 ， 這時(shí) 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(kāi) 坡 口 焊 透 和 加 工 焊 縫 、 使 焊 趾 向基 本 金 屬 光 滑 過(guò) 渡 。 圖 5-10中 示 出 了 三 種 十 字 接 頭 型 式 。 板 厚 12S=5a=8a）b） c）圖 5-10 三 種

12、 十 字 接 頭 型 式 rk r k焊 接 接 頭 的疲 勞 極 限 母 材 金 屬 的疲 勞 極 限 正 應(yīng) 力 下 的疲 勞 缺 口 系 數(shù)母 材 金 屬 應(yīng) 力 比 （ MPa） （ MPa） 備 注St37 0 236 15.7 260 1.1 圖 中 a）-1.0 118 13.7 162 1.4St52 0 191 326 1.7-1.0 139 201 1.45St37 0 103 14.7 260 2.3 圖 中 b）-1.0 71 15.7 162 2.5St52 -1.0 78 201 2.6St37 0 88 260 2.95 圖 中 c） -1.0 39 162 4.

13、15 表 5-4 十 字 接 頭 的 疲 勞 極 限 a） b） c） q 焊 趾 處 的 微 小 缺 陷 對(duì) 疲 勞 強(qiáng) 度 的 影 響 大 量 試 驗(yàn) 表 明 ， 除 各 種 焊 接 接 頭 的 幾 何 尺 寸 因素 造 成 應(yīng) 力 集 中 （ 應(yīng) 力 分 布 不 均 勻 ） 外 ， 焊 趾 處 還存 在 著 微 小 的 氣 孔 、 未 焊 透 、 細(xì) 小 的 尖 銳 熔 渣 楔 塊以 及 沿 熔 合 線 的 輕 微 咬 邊 （ 見(jiàn) 圖 3-11） 。 熔 渣 楔 塊的 平 均 尺 寸 為 0.15mm， 咬 邊 深 度 在 0.1mm以 下 ，它 們 是 一 般 探 傷 方 法 不 能

14、檢 查 出 來(lái) 的 微 小 缺 陷 。 圖 5-11 焊 趾 微 觀 缺 口 效 應(yīng) 圖 5 12 a) CW 2C構(gòu) 架 側(cè) 梁 斷 裂 照 片 圖 5-12為 CW-2C轉(zhuǎn) 向架 構(gòu) 架 側(cè) 梁 斷 裂 照片 。 該 構(gòu) 架 于 2003年 8月 進(jìn) 行 A4修 程 時(shí)對(duì) 定 位 座 實(shí) 施 了 補(bǔ)強(qiáng) 處 理 ， 于 2004年10月 16日 發(fā) 生 斷 裂事 故 ， 僅 運(yùn) 行 了 一年 多 。 a圖 為 定 位 座補(bǔ) 強(qiáng) 板 焊 縫 沿 焊 趾開(kāi) 裂 的 實(shí) 物 照 片 ； 圖 5 12 b) CW 2C構(gòu) 架 側(cè) 梁 斷 口 照 片b圖 為 裂 紋 斷 口 照 片 。 由 斷 口 照

15、 片 可 見(jiàn) ： 裂 紋 源 在 補(bǔ) 強(qiáng) 板 焊 縫 靠 近 內(nèi) 側(cè) 的 端 部 ； 此 外 ， 沿焊 縫 還 有 許 多 “ 臺(tái) 階 ” ， 這 是 焊 趾 部 許 多 微 小 缺 陷 引 起 的 多 條 裂 紋 擴(kuò) 展 形 成 的 。CW-2C（ B） 轉(zhuǎn) 向 架 定 位 座 補(bǔ) 強(qiáng) 后 嚴(yán) 重 裂 損 的 原 因 ， 主 要 是 補(bǔ) 強(qiáng) 板 只 采 用 了 角 焊 縫 ， 沒(méi) 有按 照 “ 焊 滿 磨 平 ” 的 工 藝 要 求 去 實(shí) 施 ， 從 而 在 焊 縫 處 產(chǎn) 生 嚴(yán) 重 的 應(yīng) 力 集 中 ； 同 時(shí) ， 焊 縫質(zhì) 量 較 差 ， 特 別 是 在 焊 趾 處 存 在 許 多

16、 微 小 缺 陷 ， 大 大 削 弱 了 該 焊 接 接 頭 的 疲 勞 強(qiáng) 度 。 q 焊 接 殘 余 應(yīng) 力 的 影 響 焊 接 殘 余 應(yīng) 力 的 作 用 與 平 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(guò) 程 中 是 不 變 的 ， 而焊 接 殘 余 應(yīng) 力 在 加 載 過(guò) 程 中 會(huì) 逐 漸 釋 放 ， 因 此 其 影響 也 逐 漸 減 小 。 焊 接 殘 余 應(yīng) 力 如 何 影 響 焊 接 接 頭 的 疲 勞 強(qiáng) 度 問(wèn)題 ， 至 今 仍 存 在 爭(zhēng) 議 。 基 本 上 有 兩 種 觀 點(diǎn) ： 一 類(lèi) 觀 點(diǎn) 是 ： 殘 余 應(yīng) 力 對(duì)

17、 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 尺寸 和 焊 趾 部 存 在 的 應(yīng) 力 集 中 等 因 素 的 影 響 有 關(guān) ， 殘余 應(yīng) 力 的 影 響 是 第 二 位 的 ； 拉 伸 殘 余 應(yīng) 力 使 疲 勞極 限 降 低 ， 壓 縮 殘 余 應(yīng) 力 使 疲 勞 極 限 增 加 。 焊 接 殘余 應(yīng) 力 的 總 體 影 響 不 顯 著 。 另 一 類(lèi) 觀 點(diǎn) 是 ： 在 一 定 條 件 下 ， 殘 余 應(yīng) 力 可 影 響 焊接 接 頭 的 疲 勞 強(qiáng) 度 。 如 ， 當(dāng) 高 殘 余 拉 應(yīng) 力 點(diǎn) 與 焊

18、 接結(jié) 構(gòu) 的 應(yīng) 力 集 中 點(diǎn) 重 合 時(shí) ， 殘 余 應(yīng) 力 對(duì) 疲 勞 強(qiáng) 度 的影 響 是 毫 無(wú) 疑 問(wèn) 的 。 （一）消除焊接殘余應(yīng)力工藝對(duì)接頭疲勞強(qiáng) 度的影響 由 殘 余 應(yīng) 力 測(cè) 試 結(jié) 果 可 以 看 出 ， 退 火 處理 和 除 銹 噴 丸 處 理 都 能 明 顯 地 消 除 和 改 變 焊接 構(gòu) 架 表 面 的 殘 余 應(yīng) 力 狀 態(tài) 。 1 退 火 處 理 后 ， 整 個(gè) 構(gòu) 架 被 均 勻 加 熱 ，殘 余 應(yīng) 力 通 過(guò) 塑 性 變 形 而 產(chǎn) 生 松 弛 。 這 對(duì) 疲勞 極 限 有 雙 重 影 響 ： 消 除 殘 余 應(yīng) 力 能 使 疲 勞強(qiáng) 度 提 高 ，

19、 但 同 時(shí) 又 使 金 屬 軟 化 、 降 低 疲 勞強(qiáng) 度 。 表 5-5中 列 出 了 退 火 處 理 對(duì) 于 對(duì) 接 接 頭 疲 勞 強(qiáng) 度 影 響 的 試驗(yàn) 結(jié) 果 。 母 材 強(qiáng) 度 （ MPa） 試 樣 狀 態(tài) -1（ MPa）310 母 材 210V形 接 頭 焊 接 狀 態(tài) 93.7退 火 或 回 火 96.3480 母 材 235V形 接 頭 焊 接 狀 態(tài) 118 退 火 或 回 火 122520 母 材 307V形 接 頭 焊 接 狀 態(tài) 126退 火 或 回 火 134表 5-5 退 火 處 理 后 對(duì) 接 接 頭 的 疲 勞 強(qiáng) 度 2 冷 作 強(qiáng) 化 處 理 （

20、噴 丸 、 滾 壓 、 捶 擊等 ） ， 使 焊 接 結(jié) 構(gòu) 表 面 （ 或 接 頭 表 面 ） 造 成壓 縮 殘 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) 0.4mm左 右 ， 對(duì) 接 接 頭 噴 丸 后 ， 在 2 106次 循 環(huán)時(shí) ， 疲 勞 強(qiáng) 度 提 高 55 65 ； 非 承 載 橫 向角 焊 縫 ， 疲 勞 強(qiáng) 度 提 高 36 39 。 （二）交變載荷作用下焊接構(gòu)架上殘余應(yīng)力的變化 殘 余 應(yīng) 力 是 一 個(gè) 不 穩(wěn) 定 的 力 學(xué) 量 ， 在 交變 載 荷 作 用 下 會(huì) 引 起 殘 余 應(yīng) 力

21、 的 變 化 （ 釋放 ） 。 其 機(jī) 理 是 ： 在 動(dòng) 應(yīng) 力 和 殘 余 應(yīng) 力 共 同作 用 下 ， 如 果 某 部 位 應(yīng) 力 值 超 過(guò) 材 料 的 屈 服極 限 ， 就 會(huì) 在 該 部 位 產(chǎn) 生 塑 性 變 形 ， 使 殘 余應(yīng) 力 釋 放 ， 降 低 殘 余 應(yīng) 力 的 峰 值 。 動(dòng) 應(yīng) 力 幅值 愈 大 ， 殘 余 應(yīng) 力 下 降 的 愈 多 愈 快 。 一 般 在幾 十 次 到 幾 萬(wàn) 次 循 環(huán) 內(nèi) 完 成 應(yīng) 力 釋 放 ， 釋 放的 幅 值 為 50 80 之 間 。 圖 5-15中 示 出 了 焊 接 構(gòu) 架 在 室 內(nèi) 疲 勞 試 驗(yàn) 中 ，某 一 測(cè) 點(diǎn) 的

22、 殘 余 應(yīng) 力 隨 循 環(huán) 周 次 的 變 化 規(guī) 律 。 圖 5-15焊 接 構(gòu) 架 某 測(cè) 點(diǎn) 的 殘 余 應(yīng) 力 隨 循 環(huán) 周 次的 變 化 規(guī) 律 q 焊 接 缺 陷 的 影 響 （ 一 ） 一 般 規(guī) 律 在 焊 接 接 頭 中 可 能 存 在 著 各 種 缺 陷 ， 缺陷 會(huì) 造 成 嚴(yán) 重 的 應(yīng) 力 集 中 ， 對(duì) 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 種類(lèi) 、 位 置 和 方 向 有 關(guān) 。 1 缺 陷 可 分 為 兩 類(lèi) ： 面 狀 缺 陷 （ 裂 紋 、未 焊 透 及 咬 邊 等 ） 和 體 積 型 缺 陷 （

23、氣 孔 、 夾渣 等 ） 。 面 狀 缺 陷 引 起 嚴(yán) 重 的 應(yīng) 力 集 中 ， 對(duì)疲 勞 強(qiáng) 度 的 影 響 比 體 積 型 缺 陷 要 大 。 2 表 面 或 靠 近 表 面 的 缺 陷 比 內(nèi) 部 缺 陷對(duì) 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(chǎng) 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)力 區(qū) 的 影 響 大 。 3 與 作 用 力 方 向 垂 直 的 缺 陷 比 其 它 方向 的 缺 陷 對(duì) 疲 勞 強(qiáng) 度 的 影 響 大 。 （ 二 ） 面 狀

24、 缺 陷 對(duì) 焊 接 接 頭 疲 勞 強(qiáng) 度 的 影 響 1 未 焊 透 （ 未 熔 合 ） b） 橫 向 角 接a） 橫 向 對(duì) 接 圖 3-16 未 焊 透 表 5-6中 列 出 了 未 焊 透 深 度 對(duì) 焊 接 接 頭脈 動(dòng) 疲 勞 極 限 的 影 響 （ 為 板 厚 ） 0 0疲 勞 極 限未 焊 透 深 度 （ MPa） 未 焊 透 深 度 （ MPa）完 全 焊 透 260 （ 0.24 0.28） 81 （ 0.05 0.06） 186 （ 0.43 0.46） 60（ 0.11 0.16） 132 疲 勞 極 限表 5-6 交 叉 桿 端 部 環(huán) 焊 縫 焊 根 部 未 焊

25、透 ， 見(jiàn) 圖 5-15（ a） 、（ b） ;（ a） 圖 為 未 焊 透 分 布 于 整 個(gè) 環(huán) 形 斷 口 內(nèi) 表 面 的 邊 緣 ；（ b） 圖 為 未 焊 透 分 布 于 環(huán) 形 斷 口 半 環(huán) 。 疲 勞 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 ： 疲 勞 裂 紋 88%斷 在 交 叉 桿 端 部 環(huán) 焊縫 處 （ 14根 試 樣 ） ， 只 有 兩 根 斷 在 交 叉 桿 壓 窩 部 位 。 圖 5-15 2 咬 邊 （ 咬 肉 ） 咬 邊 使 焊 縫 與 母 材 連 接 處 產(chǎn)生 凹 槽 ， 引 起 應(yīng) 力 集 中 ， 降 低疲 勞 強(qiáng) 度 。 如 圖 5-16中 。 在 鋼 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)

26、規(guī) 范 中 規(guī) 定 ，咬 肉 深 度 不 得 超 過(guò) 1mm。 接 頭 疲 勞 強(qiáng) 度0（ MPa）90100160180焊 縫焊 縫 圖 5-16 咬 肉 對(duì) 接 頭 疲 勞 強(qiáng) 度 的 影 響 3 裂 紋 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)力 集 中 源 。 能 夠 被 檢 測(cè) 出 來(lái) 的 裂 紋 ， 在 大 多數(shù) 標(biāo) 準(zhǔn) 中 都 是 被 禁 止 的 。 4.點(diǎn) 固 焊 裝 配 焊 接 過(guò) 程 中 ， 經(jīng) 常 采 用 點(diǎn) 固 焊 定 位 ， 由 于 不 能 保證 焊 縫 連 續(xù) ，

27、 疲 勞 裂 紋 會(huì) 在 點(diǎn) 固 焊 兩 側(cè) 產(chǎn) 生 。 圖 5-17中為 立 板 內(nèi) 側(cè) 點(diǎn) 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(shí) 應(yīng) 謹(jǐn) 慎 進(jìn) 行 點(diǎn) 固 焊 定 位 。 圖 5-17 q母 體 金 屬 材 料 性 能 的 影 響v 母 材 金 屬 的 疲 勞 強(qiáng) 度 總是 隨 其 靜 強(qiáng) 度 的 增 加 而提 高 。 但 對(duì) 焊 接 結(jié) 構(gòu) 來(lái)說(shuō) ， 只 要 焊 接 接 頭 的 類(lèi)型 一 樣 ， 高 強(qiáng) 鋼 和 中 低強(qiáng) 度 鋼 的 疲 勞 強(qiáng) 度 基 本一 致 ， 也 具 有 相 同 的 S-N曲 線 ， 這 個(gè)

28、 規(guī) 律 適 合 對(duì)接 接 頭 、 角 接 接 頭 和 焊接 梁 等 各 種 接 頭 形 式 ，見(jiàn) 圖 5-18。 圖 5-18 表 面 狀 況 及 環(huán) 境 因 素 與 疲 勞 極 限和 抗 拉 強(qiáng) 度 的 關(guān) 系 q母 體 金 屬 材 料 性 能 的 影 響v另 外 研 究 了 屈 服 極 限 為 386MPa 636MPa之 間 的 碳 錳 鋼 ，采 用 6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 表 明 ： 材 料 的 力 學(xué) 性 能 對(duì) 裂 紋 擴(kuò) 展 速率 有 一 定 影 響 ， 但 影 響 也 不 大 。 所 以 ，

29、焊 接 結(jié) 構(gòu) 選 用較 高 強(qiáng) 度 的 鋼 種 是 沒(méi) 有 意 義 的 。 只 有 靜 強(qiáng) 度 條 件 起 主要 作 用 時(shí) ， 焊 接 接 頭 母 材 才 應(yīng) 采 用 高 強(qiáng) 度 鋼 。 這 是 因 為 在 接 頭 焊 趾 部 沿 熔 合 線 存 在 有 微 觀 缺 口 效應(yīng) 咬 邊 及 熔 渣 楔 塊 缺 陷 ， 它 是 疲 勞 裂 紋 萌 生 的 地 方 ，因 而 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 定 。 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 材 料 的 靜 強(qiáng)

30、度 關(guān) 系 不 大 。 5.3 合 理 地 設(shè) 計(jì) 焊 縫 、 焊 接 接 頭 形 式 焊 縫 、 焊 接 接 頭 形 式 合 理 設(shè) 計(jì) 的 原 則 是 盡 量 降 低各 種 形 式 的 應(yīng) 力 集 中 。 例 如 ：l （ 1） 盡 可 能 采 用 低 加 強(qiáng) 高 的 對(duì) 接 接 頭 ， 重 要 焊縫 甚 至 要 用 機(jī) 加 工 手 段 去 掉 加 強(qiáng) 高 。l （ 2） 承 受 疲 勞 載 荷 的 十 字 接 頭 應(yīng) 開(kāi) 坡 口 以 增 大熔 深 、 保 證 焊 透 ， 并 使 角 焊 縫 圓 滑 凹 入 、 過(guò) 渡 至連 接 件 母 材 上 。l （ 3） 需 要 采 用 不 開(kāi) 坡

31、口 的 T形 接 頭 和 搭 接 接 頭時(shí) ， 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(guò) 渡 區(qū) 來(lái) 降 低 應(yīng) 力 集 中 。 一 般 ，T形 接 頭 采 用 雙 面 焊 比 單 面 焊 好 。 5.3 合 理 地 設(shè) 計(jì) 焊 縫 、 焊 接 接 頭 形 式（ 4） 設(shè) 計(jì) 蓋 板 接 頭 、 附 連 板 和 筋 板 時(shí) ， 盡 量采 用 圓 滑 過(guò) 渡 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 ， 見(jiàn) 下 圖 。l 改 進(jìn) 前 改 進(jìn) 后 5.3 合 理 地 設(shè) 計(jì) 焊 縫 、 焊 接 接 頭 形 式（ 5） 應(yīng) 避 免 雙 條 焊 縫 交 叉

32、 或 匯 聚 于 一 點(diǎn) 。（ 6） 盡 量 避 免 在 結(jié) 構(gòu) 的 大 應(yīng) 力 區(qū) 布 置 焊 縫 連 接 部 位 的 剛 度 也 不 能 過(guò) 大 。 5.4 影 響 焊 接 結(jié) 構(gòu) 疲 勞 強(qiáng) 度 的 因 素 對(duì) 于 整 個(gè) 焊 接 結(jié) 構(gòu) ， 影 響 其 疲 勞 強(qiáng) 度 的主 要 因 素 有 三 個(gè) ： 應(yīng) 力 幅 值 、 應(yīng) 力 循 環(huán) 次 數(shù)和 結(jié) 構(gòu) 細(xì) 節(jié) （ 稱 為 細(xì) 節(jié) 設(shè) 計(jì) ） 。 下 面 以 焊 接 鋼 梁 為 例 介 紹 各 種 細(xì) 節(jié) 設(shè)計(jì) 對(duì) 結(jié) 構(gòu) 疲 勞 強(qiáng) 度 的 影 響 。 q 焊 接 鋼 梁 結(jié) 構(gòu) 的 疲 勞 強(qiáng) 度 工 字 梁 結(jié) 構(gòu) 的 腹 板

33、與 翼 緣 連 接 角焊 縫 ， 大 部 分 應(yīng) 力 集 中 發(fā) 生 在 焊 縫 起弧 熄 弧 位 置 上 。 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 個(gè) 顯 著 的 變 化 ， 見(jiàn) 圖 5-18； 另一 種 是 在 熄 弧 與 起 弧 焊 道 之 間 焊 根 處未 完 全 熔 化 、 由 包 住 的 夾 渣 造 成 的 缺口 。 試 驗(yàn) 結(jié) 果 得 出 ， 在 2 106次 循環(huán) 下 ， 手 工 焊 組 拼 梁 的 疲 勞 強(qiáng) 度 在133MPa 165MPa范 圍 內(nèi) 。 圖 5-18 換 焊 條 的 弧 坑 裂 紋 為 了 改

34、善 疲 勞 強(qiáng) 度 ， 有 兩 種 辦 法 ： 第 一 種 辦 法 是開(kāi) 坡 口 、 使 焊 縫 熔 透 整 個(gè) 腹 板 ， 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 ， 在2 106次 循 環(huán) 時(shí) ， 其 疲 勞 強(qiáng) 度 可 提 高 147MPa200MPa。 第 二 種 辦 法 是 采 用 自 動(dòng) 焊 工 藝 ， 可 以 避免 起 弧 熄 弧 位 置 出 現(xiàn) 缺 陷 ， 試 驗(yàn) 結(jié) 果 為 2 106次循 環(huán) 時(shí) 其 疲 勞 強(qiáng) 度 達(dá) 到 150MPa 185MPa。610 q 腹 板 加 強(qiáng) 筋 細(xì) 節(jié) 的 影 響 圖 5-19中 示 出 了 腹板 加 強(qiáng) 筋 不 同 的 細(xì) 節(jié) 設(shè) 計(jì) 。其 中 ，

35、B型 細(xì) 節(jié) 把 加 強(qiáng) 筋焊 到 受 拉 翼 緣 （ 下 翼 板 ）上 ， 此 時(shí) 疲 勞 破 壞 發(fā) 生 在翼 緣 上 。 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 ，在 2 106次 循 環(huán) 時(shí) ， 疲勞 強(qiáng) 度 為 100MPa。 圖 5-19 腹 板 加 強(qiáng) 筋 細(xì) 節(jié) 圖 5-19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 些 細(xì) 節(jié) 設(shè) 計(jì) 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(kāi) 始 ， 所 有 細(xì) 節(jié) 的 試 驗(yàn) 結(jié) 果 都 落在

36、相 同 的 分 散 帶 內(nèi) ， 在 2 106次 循 環(huán) 時(shí) ， 加 強(qiáng) 筋板 倒 角 的 疲 勞 強(qiáng) 度 約 為 116MPa， 不 倒 角 的 都 為100MPa。 q拼 接 接 頭 細(xì) 節(jié) 的 影 響圖 5-20中 列 出 了 幾 種 拼 接 接 頭 細(xì) 節(jié) 圖 5-20 幾 種 拼 接 接 頭 細(xì) 節(jié)2 106次ABC 120145178 型 式 拼 接 接 頭 疲 勞 強(qiáng) 度 （ MPa） 型 式 拼 接 接 頭 疲 勞 強(qiáng) 度 （ MPa）2 106次134159 159DEF 一 般 ， 沒(méi) 有 邊 孔 的 拼接 接 頭 ， 大 部 分 破 壞 發(fā) 生在 焊 趾 上 ， 或 者

37、在 焊 縫 缺陷 處 ， 當(dāng) 有 邊 孔 時(shí) ， 在 角焊 縫 端 部 或 邊 孔 周 圍 的 那些 小 缺 口 上 ， 應(yīng) 力 集 中 導(dǎo)致 低 的 疲 勞 強(qiáng) 度 ， 見(jiàn) 圖 5-21。 圖 5-21在 腹 板 三 角 邊 孔 頂 點(diǎn) 產(chǎn) 生嚴(yán) 重 的 應(yīng) 力 集 中 q翼 緣 蓋 板 細(xì) 節(jié) 的 影 響 圖 5-22中 列 出 了 幾 種 翼 緣 蓋 板 端 部 細(xì)節(jié) 及 其 疲 勞 強(qiáng) 度 圖 5-22 幾 種 翼 緣 蓋 板 端 部 細(xì) 節(jié)ABC 797980型 式 蓋 板 端 部 細(xì) 節(jié) 疲 勞 強(qiáng) 度 （ MPa）2 106次D EF型 式 蓋 板 端 部 細(xì) 節(jié) 疲 勞 強(qiáng) 度

38、 （ MPa）2 106次83(77)9356G100 5.5 改 善 焊 接 結(jié) 構(gòu) 疲 勞 強(qiáng) 度 的 工 藝 措 施 q修 整 焊 縫 （ 一 ） 局 部 機(jī) 加 工 （ 打 磨 法 ） 1 對(duì) 焊 縫 進(jìn) 行 局 部 機(jī) 加 工 有 利 于 提 高疲 勞 強(qiáng) 度 。 將 焊 縫 余 高 機(jī) 加 工 平 滑 ， 疲 勞 強(qiáng) 度 能 增加 到 幾 乎 和 母 材 金 屬 一 樣 。 2 角 接 接 頭 一 般 采 用 砂 輪 或 磨 盤(pán) 小 心 地 打 磨 ，達(dá) 到 高 質(zhì) 量 的 光 滑 程 度 。 打 磨 時(shí) 需 要 像 圖 5-23中 B那 樣 ， 深 入 到 板 材 表 面 下 （

39、 下 凹 0.5mm左 右 ） ，排 除 焊 趾 缺 陷 ， 其 疲 勞 強(qiáng) 度 可 提 高 70%左 右 ； 若象 A這 種 磨 削 ， 疲 勞 強(qiáng) 度 增 量 只 有 30%左 右 。 圖 5-23 打 磨 焊 趾 缺 陷A B 3 不 承 載 角 焊 縫 的 兩 端 磨 削 成 下 凹 形 ， 試 驗(yàn)證 明 ， 其 疲 勞 強(qiáng) 度 也 能 改 善 70%左 右 ； 在 兩 端 焊趾 處 輕 微 磨 削 ， 疲 勞 強(qiáng) 度 增 量 也 只 有 30%左 右 。 4 對(duì) 于 附 連 板 縱 向 對(duì) 接 焊 縫 端 部 的 機(jī) 加 工 處理 也 有 兩 種 方 法 ， 見(jiàn) 圖 5-24。圖 5

40、 24 一 種 是 把 尖 角 加 工 成 一 個(gè) 合 適 的 圓 角 ； 另 一 種 方法 則 是 在 附 連 板 的 端 點(diǎn) 各 鉆 一 個(gè) 孔 。 疲 勞 強(qiáng) 度 改 善的 效 果 見(jiàn) 表 5-7。原 疲 勞 強(qiáng) 度（ MPa） 兩 端 磨 成 圓 角 兩 端 鉆 孔半 徑 r(mm) 疲 勞 強(qiáng) 度（ MPa） 改 善 程度 （ %） 孔 徑 （ mm） 疲 勞 強(qiáng) 度（ MPa） 改 善 程度 （ %）86 12 100 1679 50 108 37 20 117 5071 10 128 8059 5 88 50表 5-7 焊 縫 端 部 機(jī) 加 工 改 善 疲 勞 強(qiáng) 度 的 試

41、驗(yàn) 結(jié) 果 q TIG（ 鎢 極 惰 性 氣 體 保 護(hù) 焊 ） 修 整 TIG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(guò) 渡 、 改 善 焊 趾外 形 ， 并 且 消 除 了 熔 渣 楔 塊 ， 從 而 提 高 接 頭的 疲 勞 強(qiáng) 度 。 最 適 合 處 理 與 應(yīng) 力 方 向 垂 直 的 橫 向 焊 縫 ， 試驗(yàn) 證 明 ， 疲 勞 強(qiáng) 度 增 加 25 75%。 q 焊 縫 表 面 的 硬 化 處 理 采 用 噴 丸 或 用 錘 頭 撞 擊 焊 縫 表 明 或 焊 趾處 ： 消 除 焊 趾 處 0.5mm以 下 的

42、咬 邊 等 缺陷 ； 加 大 焊 趾 處 圓 弧 半 徑 ， 緩 和 幾 何 形 狀突 變 引 起 的 應(yīng) 力 集 中 ； 預(yù) 制 表 面 殘 余 壓 應(yīng)力 。 研 究 表 明 ： 噴 丸 硬 化 可 以 得 到 0.4mm左 右 的 硬 化 層 和 殘 余 壓 應(yīng) 力 ， 疲 勞 強(qiáng) 度 改善 量 為 33 37%。 q塑 料 涂 層 （ 預(yù) 防 大 氣 腐 蝕 ） 用 塑 料 涂 層 來(lái) 提 高 疲 勞 強(qiáng) 度 的 方 法 是 比 較 新 的 方 法 。 塑 料 涂 層 的 作 用 ， 主 要 是 由 于 塑 料 里 的 碳 鏈 與 金 屬表 面 相 互 作 用 ， 有 防 腐 作 用 ，

43、 延 長(zhǎng) 裂 紋 的 萌 生 壽 命 。 目 前 ， 塑 料 涂 層 尚 未 進(jìn) 入 工 程 實(shí) 用 。 疲勞裂紋實(shí)例分析 一 、 彈 簧 托 梁 疲 勞 裂 紋 分 析 1 彈 簧 托 梁 的 結(jié) 構(gòu) （ 見(jiàn) 圖 1 ） 為 防 止 搖 枕 與 彈 簧 托 梁 發(fā) 生 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) ， 在 彈 簧 托 梁上 設(shè) 有 橫 向 拉 桿 座 ， 通 過(guò) 橫 向 拉 桿 與 搖 枕 連 接 。 圖 1 搖 動(dòng) 臺(tái) 結(jié) 構(gòu)1 搖 枕 吊 座 ； 2 搖 枕 ； 3 空 簧 或 鋼 簧 ；4 彈 簧 托 梁 ； 5 橫 向 拉 桿 ； 6 橫 向 拉 桿 座 彈 簧 托 梁 的 結(jié) 構(gòu) 示 于 圖 2

44、中 母 材 焊 縫 焊 縫 焊 縫 焊 縫 圖 2 圖 3中 示 出 了 橫 向 拉 桿 座 結(jié) 構(gòu) ， 它 由 隔 板 、 一 塊 外側(cè) 筋 板 和 兩 塊 內(nèi) 側(cè) 小 筋 板 構(gòu) 成 。圖 3 2 疲 勞 裂 紋 情 況 該 車(chē) 2004年 6月 9月 投 入 運(yùn) 用 后 ，經(jīng) 過(guò) 一 年 多 于 2005年 11月 9日 在 小 筋 板 與彈 簧 托 梁 立 板 連 接 焊 縫 端 頭 發(fā) 現(xiàn) 一 起 疲 勞 裂紋 ， 12月 初 在 小 筋 板 部 位 又 發(fā) 現(xiàn) 3起 裂 紋 ，見(jiàn) 圖 4所 示 ， 圖 5為 裂 紋 部 位 放 大 圖 。 圖 4 裂 紋 照 片 圖 圖 5 裂 紋

45、 部 位 放 大 圖 3 裂 紋 原 因 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 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(diǎn) 可能 就 是 引 起 疲 勞 裂 紋 的 主 要 原 因 。 針 對(duì) 這 個(gè) 原 因 的 處 理 措 施 ： 對(duì) 各 筋 板 端 部 焊 縫 進(jìn) 行 打 磨 處理 ， 使 焊 縫 與 母 材 圓 滑 過(guò) 渡 ， 并 探 傷 檢 查 無(wú) 裂 紋 。 打 磨 部 位和 要 求 見(jiàn) 圖 6所 示 。 圖 6 各 筋 板 端 部 焊 縫 打 磨 處 理 彈

46、簧 托 梁 的 載 荷 分 析 （ 參 見(jiàn) 圖 1） 橫 向 力 ： 橫 向 拉 桿 座 部 位 ； 扭 轉(zhuǎn) 力 ： 如 果 四 根 吊 桿 與 彈 簧 托 梁 連 接 部 的 高 度 不一 致 ， 特 別 是 對(duì) 角 位 置 存 在 高 度 差 時(shí) ， 轉(zhuǎn) 向 架 運(yùn) 行 中 彈 簧托 梁 將 受 到 交 變 扭 轉(zhuǎn) 載 荷 的 作 用 。 采 用 有 限 元 方 法 計(jì) 算 彈 簧 托 梁 上 的 應(yīng) 力 狀 態(tài) 。 計(jì)算 中 假 設(shè) 橫 向 力 為 20KN； 在 吊 桿 的 四 個(gè) 連 結(jié) 點(diǎn) 處 施 加10KN力 產(chǎn) 生 扭 矩 。 經(jīng) 計(jì) 算 得 出 原 結(jié) 構(gòu) 彈 簧 托 梁 上

47、 的 應(yīng) 力 分 布 ， 見(jiàn) 圖 7。 圖 7 原 方 案 扭 矩 橫 向 力 作 用 下 應(yīng) 力 云 圖 由 圖 可 見(jiàn) ， 最大 應(yīng) 力 出 現(xiàn) 在 兩 個(gè)內(nèi) 側(cè) 小 筋 板 縱 向 角焊 縫 端 頭 處 ， 而 該處 是 疲 勞 強(qiáng) 度 薄 弱部 位 ， 并 存 在 收 弧弧 坑 等 焊 接 缺 陷 ，因 此 產(chǎn) 生 了 早 期 疲勞 裂 紋 。 4 確 定 橫 向 拉 桿 座 改 造 方 案 根 據(jù) 對(duì) 裂 紋 原 因 的 分 析 、 計(jì) 算 結(jié) 果 ， 提 出三 個(gè) 改 造 方 案 。 改 造 方 案 一 ： 取 消 內(nèi) 側(cè) 兩 個(gè) 小 筋 板 （ 先 切 割 去 除 ， 再 打磨

48、、 探 傷 ） ， 在 槽 鋼 內(nèi) 加 兩 個(gè) 小 立 板 。 小 立 板內(nèi) 側(cè) 面 距 離 140mm， 小 立 板 長(zhǎng) 、 高 均 為90mm， 單 側(cè) 坡 口 ， 如 圖 8所 示 ： 圖 8 改 造 方 案 一 改 造 方 案 一 有 限 元 計(jì) 算 結(jié) 果 示 于 圖 9。 圖 9 扭 轉(zhuǎn) 橫 向 力 下 橫 向 拉 桿 座 部 位 應(yīng) 力 云 圖 改 造 方 案 二 ： 將 原 內(nèi) 、 外 筋 板 取 消 （ 先 切 割 去 除 ， 再 打 磨 、 探傷 ） ， 立 板 進(jìn) 行 切 割 ， 使 內(nèi) 外 筋 板 及 立 板 均 下 沉16mm， 如 圖 10 所 示 。 圖 10 改

49、 造 方 案 二 有 限 元 計(jì) 算 結(jié) 果 示 于 圖 11。 圖 11 改 造 方 案 三 ： 原 方 案 的 各 筋 板 不 改 變 ， 對(duì) 各 筋 板 端 部 焊 縫 進(jìn) 行 打 磨 處 理 。打 磨 后 焊 縫 與 母 材 圓 滑 過(guò) 渡 ， 探 傷 檢 查 無(wú) 裂 紋 。 打 磨 部 位 和標(biāo) 準(zhǔn) 如 前 面 圖 3-32。 同 時(shí) ， 在 槽 鋼 內(nèi) 側(cè) 加 焊 兩 個(gè) 筋 板 ， 筋 板尺 寸 120 x80（ 三 角 形 直 邊 尺 寸 ） ， 厚 度 10mm， 高 度 方 向距 離 槽 形 梁 鋼 底 面 59mm（ 與 孔 中 心 平 齊 ） 加 焊 后 筋 板 端 頭

50、打 磨 ， 如 圖 12所 示 ：圖 12 改 造 方 案 三 有 限 元 計(jì) 算 結(jié) 果 示 于 圖 13。 圖 13 改 造 方 案 的 綜 合 分 析 見(jiàn) 下 表原 方 案 改 造 方 案方 案 一 方 案 二 方 案 三應(yīng) 力 狀況 應(yīng) 力 值（ MPa） 455.6 429.6 405.2 380.5-464.5 -388.5 -366.9 -371.3下 降 5.7% 11% 15% 工 藝 方 面 取 消 原 內(nèi) 側(cè) 小 筋 板比 較 麻 煩 。 取 消 原 內(nèi) 、外 筋 板 ， 并切 割 立 板 十分 麻 煩 ， 且易 損 壞 槽 形鋼 。 增 加 的 小 筋 板與 原 小 筋

51、 板 間距 為 27mm，無(wú) 法 施 焊 。綜 合 評(píng) 價(jià) 疲 勞 強(qiáng) 度 改 善 不 明顯 疲 勞 強(qiáng) 度 改善 有 一 定 效果 ， 但 改 造工 藝 麻 煩 。 疲 勞 強(qiáng) 度 改 善較 好 ， 但 無(wú) 法實(shí) 施 ， 可 用 于新 造 。共 同 措 施 ： 對(duì) 各 筋 板 角 焊 縫 端 部 進(jìn) 行 打 磨 使 焊 縫 與 母 材 圓 滑 過(guò) 渡 ； 焊 縫 打 磨 后 探 傷 檢 查 無(wú) 裂 紋 ； 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 1 裂 紋 情 況 KD25G空 調(diào) 發(fā) 電 車(chē) ， 自 2004年 10月

52、 以 來(lái) ， 其 中K71型 K122型 等 發(fā) 電 車(chē) 車(chē) 下 油 箱 吊 梁 先 后 發(fā) 現(xiàn) 多 起 裂紋 。 裂 紋 發(fā) 生 車(chē) 都 是 在 1994年 和 1995年 以 后 生 產(chǎn) 的 ，裂 紋 發(fā) 生 時(shí) 間 均 在 車(chē) 輛 廠 修 后 1 2年 左 右 ， 即 新 造 出 廠10年 左 右 。 車(chē) 下 油 箱 吊 梁 發(fā) 生 裂 紋 部 位 見(jiàn) 圖 1所 示 。 圖 1 油 箱 吊 梁 裂 紋 實(shí) 物 照 片 2 裂 紋 原 因 分 析 （ 1） 油 箱 吊 梁 與 中 梁 下 翼 板 連 接 部 位 為 搭 接 接 頭 ，均 為 短 焊 縫 ， 起 、 落 弧 較 多 ， 焊

53、接 質(zhì) 量 差 （ 見(jiàn) 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 。 （ 2） 油 箱 吊 梁 沿 襲 傳 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) ， 只 考 慮 了 垂 向 載 荷 和橫 向 載 荷 、 滿 足 靜 強(qiáng) 度 要 求 。 沒(méi) 有 考 慮 縱 向 載 荷 以 及 疲勞 強(qiáng) 度 。 3 補(bǔ) 強(qiáng) 措 施 通 過(guò) 初 步 分 析 ， 擬 定 了 補(bǔ) 強(qiáng) 措 施 ： 加 兩 塊 水 平 筋 板 ，焊 在 中 梁

54、 腹 板 與 吊 梁 腹 板 上 ， 見(jiàn) 圖 2 所 示 。圖 2 油 箱 吊 梁 補(bǔ) 強(qiáng) 措 施 按 照 TB/T1335-96中 7.3條 款 “ 車(chē) 體 固 結(jié) 設(shè)備 的 強(qiáng) 度 要 求 ” ， 按 下 面 三 種 載 荷 進(jìn) 行 強(qiáng) 度 校 核 ：縱 向 載 荷 為 M 3g；橫 向 載 荷 為 Mg；垂 向 載 荷 為 M(1.53)g；M為 油 箱 總 重 。 采 用 有 限 元 方 法 對(duì) 油 箱 吊 梁 原 結(jié) 構(gòu) 與 補(bǔ) 強(qiáng) 后 進(jìn)行 強(qiáng) 度 校 核 ， 結(jié) 果 列 于 下 表 。 油 箱 吊 梁 與 中 梁 下 翼 板 連 接 部 位 強(qiáng) 度 校 核 結(jié) 果載 荷 最 大

55、等 效 應(yīng) 力 （ MPa） 橫 向 應(yīng) 力 分 量 （ MPa）原 結(jié) 構(gòu) 補(bǔ) 強(qiáng) 后 原 結(jié) 構(gòu) 補(bǔ) 強(qiáng) 后縱 向 169.5 87.9 168.2 82.7橫 向 4.9 4.0 4.9 3.2垂 向 23.5 22.0 -22.3 -18.0三 種 載 荷組 合 151.9 74.8 150.8 70.3 由 計(jì) 算 結(jié) 果 可 見(jiàn) ： 在 三 種 載 荷 作 用 下 原 結(jié) 果 和 補(bǔ) 強(qiáng) 后 的 最 大 等 效 應(yīng) 力 都 小于 Q235鋼 的 屈 服 極 限 （ 235MPa） ， 滿 足 靜 強(qiáng) 度 要 求 。 橫 向 應(yīng) 力 分 量 是 垂 直 于 裂 紋 方 向 （ 垂 直

56、 中 梁 ） 的 應(yīng) 力 ，由 計(jì) 算 結(jié) 果 可 見(jiàn) ： 縱 向 載 荷 對(duì) 該 應(yīng) 力 分 量 的 貢 獻(xiàn) 最 大 ，是 導(dǎo) 致 油 箱 吊 梁 裂 紋 的 主 要 載 荷 。 補(bǔ) 強(qiáng) 后 ， 油 箱 吊 梁 裂 紋 部 位 的 應(yīng) 力 下 降 了 一 倍 多 ， 因 此能 有 效 地 改 善 該 部 位 的 疲 勞 強(qiáng) 度 。 4 補(bǔ) 強(qiáng) 措 施 的 實(shí) 施 方 案 比 較方 案 一 ， 見(jiàn) 圖 3圖 3 油 箱 吊 梁 補(bǔ) 強(qiáng) 實(shí) 施 方 案 一 方 案 二 ， 見(jiàn) 圖 4圖 4 油 箱 吊 梁 補(bǔ) 強(qiáng) 實(shí) 施 方 案 二 5 施 工 說(shuō) 明 鑒 于 油 箱 吊 梁 結(jié) 構(gòu) 增 加 補(bǔ)

57、 強(qiáng) 板 時(shí) ， 施 焊 工 藝 條 件 較 差 ，易 導(dǎo) 致 各 種 焊 接 缺 陷 ， 由 此 造 成 的 應(yīng) 力 集 中 將 嚴(yán) 重 影 響 其 疲勞 強(qiáng) 度 和 壽 命 。 建 議 ， 在 實(shí) 施 補(bǔ) 強(qiáng) 措 施 時(shí) 要 嚴(yán) 把 質(zhì) 量 關(guān) ， 如 ： 1） 保 證 焊 接 質(zhì) 量 ， 焊 前 必 須 對(duì) 補(bǔ) 強(qiáng) 筋 板 處 和 吊 梁 與 中梁 連 接 焊 縫 處 清 除 油 污 、 灰 塵 、 涂 料 和 油 漆 并 除 銹 。 2） 檢 查 油 箱 吊 梁 與 中 梁 連 接 焊 縫 ， 清 理 焊 瘤 、 焊 渣 ，對(duì) 于 焊 角 不 足 、 漏 焊 、 焊 縫 不 良 等 處

58、 重 新 補(bǔ) 焊 。 3） 采 用 氣 體 保 護(hù) 焊 ， 對(duì) 規(guī) 定 的 焊 角 大 小 ， 必 須 達(dá) 到 要求 。 保 證 焊 透 、 起 落 弧 避 免 產(chǎn) 生 焊 接 缺 陷 、 焊 縫 平 滑 過(guò) 渡 ，焊 趾 部 和 焊 縫 端 頭 打 磨 。 4） 焊 后 ， 對(duì) 新 增 焊 的 部 位 ， 必 須 涂 底 漆 。 干 燥 后 ， 分兩 次 噴 涂 阻 尼 防 腐 涂 料 ， 涂 層 總 厚 度 不 小 于 4mm。 施 工 步 驟 ： 拆 下 油 箱 清 理 需 補(bǔ) 強(qiáng) 處 、 油 箱 吊 梁 與 中 梁 連接 焊 縫 的 油 污 和 瀝 青 漿 檢 查 并 處 理 原 吊

59、梁 與 中梁 連 接 焊 縫 按 補(bǔ) 強(qiáng) 方 案 二 在 中 梁 和 油 箱 吊 梁 腹板 之 間 焊 接 補(bǔ) 強(qiáng) 筋 板 ， 兩 筋 板 焊 接 位 置 可 上 下 調(diào)整 ， 以 便 于 施 焊 焊 接 完 成 后 ， 清 除 焊 渣 等 涂底 漆 和 防 腐 涂 料 。 思 考 題1. 簡(jiǎn) 要 說(shuō) 明 疲 勞 破 壞 與 靜 力 破 壞 的 本 質(zhì) 差 別 。2. 簡(jiǎn) 述 疲 勞 斷 裂 斷 口 的 宏 觀 形 貌 特 征 。3. 從 斷 口 特 征 上 如 何 判 斷 疲 勞 源 ， 進(jìn) 而 分 析 疲 勞 斷 裂 的 原 因 ？4. 什 么 是 材 料 的 疲 勞 強(qiáng) 度 ？ 某 材

60、料 的 零 件 發(fā) 生 疲 勞 斷 裂 后 ， 沒(méi) 有 條件 試 驗(yàn) 得 出 其 S-N曲 線 ， 如 何 確 定 該 零 件 的 疲 勞 強(qiáng) 度 ？5. 什 么 是 損 傷 ？ 用 公 式 表 達(dá) 疲 勞 損 傷 是 可 以 累 積 的 。6. 簡(jiǎn) 述 線 性 累 積 損 傷 法 則 （ Miner法 則 ） 。7. 對(duì) 接 、 搭 接 和 角 接 接 頭 的 疲 勞 裂 紋 常 常 發(fā) 生 在 哪 里 ？ 為 什 么 角 接接 頭 的 疲 勞 裂 紋 常 常 發(fā) 生 在 焊 趾 處 ？8. 提 高 焊 接 接 頭 疲 勞 強(qiáng) 度 有 哪 些 工 藝 措 施 ？ 上 述 第 1、 7和 8為 作 業(yè) 題 。