焊接接头应力集中对疲劳性能的影响分析

在焊接接头中产生应力集中的原因有焊缝中存在工艺缺陷、焊缝外形不合理、焊接接头设计不合理等。本书主要探讨焊接接头几何尺寸引起的应力集中及其对焊接接头疲劳强度的影响。

如图5-21 所示为对接接头的焊趾倾角θ 和过渡半径r 对接头疲劳强度的影响。随着焊趾倾角θ 的增加，焊接接头的疲劳强度下降率逐渐增大，而随着过渡半径r 的增大，接头的疲劳强度下降率逐渐减小。

图5-21　焊趾倾角θ 和过渡半径r 对接头疲劳强度的影响

图5-22　冲击前后焊址真实形貌与形状示意图

如图5-22 所示为超声冲击前后焊接接头的焊址区域真实形貌与形状示意图，可以看出冲击前后试样发生了明显的变化。冲击后母材与焊缝之间圆弧过渡半径ρ 明显增大了，减少了焊址部位的应力集中系数，从而大幅度提高了MB8镁合金对接接头和十字接头的疲劳寿命，如图5-23～图5-25 所示[35，36，4]。当然，超声冲击降低接头应力集中系数的同时，也在焊址区域表面产生了一定厚度的变形层，在微表层的晶粒得到了细化，在焊址区域产生了残余压应力，改变焊址区域的应力分布情况，同时也清除焊址区域表层一些的缺陷。从这几个方面看，都能提高MB8 镁合金焊接接头的疲劳寿命。但大量试验结果表明，在这些提高焊接接头疲劳性能的因素中，应力集中所起的作用是至关重要的[37，38]。

图5-23　MB8 镁合金对接接头超声冲击前后的疲劳寿命对比

图5-24　MB8 镁合金对接十字接头超声冲击前后的疲劳寿命对比

图5-25　不同应力集中系数对结构钢疲劳性能的影响(www.xing528.com)

文献[39]采用TIG 焊对MB8 变形镁合金板材进行对接焊，焊丝采用的是直径为3 mm 的MB3 镁合金焊丝，采用MB3 焊丝是为了避免在近焊缝区析出低熔点共晶体而产生裂纹。同时，为了保证焊接质量，焊前用丙酮清洗镁合金板材及焊丝表面，然后用纱布打磨，以充分去除其表面氧化膜。试验采用的接头形式为对接接头，试样的尺寸形状及其实物如图5-26 和图5-27 所示。对于焊接后的接头试样采用 HJ-Ⅲ型超声冲击设备对焊趾及其附近区域进行超声冲击处理，冲击试验主要工艺参数包括冲击能量（电流、振幅）、冲头直径和冲击时间等。试验中超声冲击机选用三冲头，冲头直径为3 mm、冲击电流为1.2 A，接头每道焊趾来回进行超声冲击处理。将相同接头形式的试样分为4 组，每组3 个试样，第一组不采用超声冲击处理，即0 min；其他3 组试样依次超声冲击2 min、4 min 和6 min。具体的冲击过程：超声冲击枪垂直对准试样焊趾部位，同时冲击针沿焊缝方向排列，略施加少量的压力，使冲击过程基本在执行机构（冲击枪）自身重力的状态下进行。此外，冲击枪可在垂直于焊缝的方向做适当角度的摆动，以使焊趾区的几何外形为光滑圆弧过渡。

图5-26　对接接头的形状与尺寸

图5-27　对接接头实物

采用有限元软件进行应力分析，选用六面体二次单元C3D20 进行网格划分，在焊趾区域局部网格细化，材料的弹性模量E=41 000 MPa，泊松比μ=0.34。模型的边界条件：接头左端完全固定，右端施加60 MPa 的均匀拉伸载荷。

如图5-28 所示为原始焊态接头试样的主应力云图，得到的应力集中系数Kt为1.470。

图5-28　焊接接头主应力云图

采用相同的网格单元及同样的加载情况下，其他冲击参数对应的接头Kt计算结果如表5-3 所示，Kt值为每组3 个试样的计算结果平均值。从图5-28和表3-6 中可以看出，应力主要集中在原始焊态接头焊趾处，经超声冲击处理后，应力集中系数Kt随着冲击时间的增加而不断减小。冲击时间为2 min、4 min 和6 min 时，对应的Kt降幅依次为7.14%、10.82%和12.04%。超声冲击技术通过增大接头焊趾过渡半径，可以有效减小应力集中系数，从而提高接头的力学性能。

表5-3　不同冲击参数下对应的接头应力集中系数