焊接接头和结构的疲劳强度
焊接接头设计中的疲劳分析和强度校核方法
焊接接头设计中的疲劳分析和强度校核方法引言：焊接接头在工程结构中广泛应用，其质量直接关系到工程的安全和可靠性。
疲劳分析和强度校核是焊接接头设计中必不可少的环节，本文将探讨焊接接头的疲劳分析方法和强度校核方法。
一、焊接接头的疲劳分析方法焊接接头在使用过程中会受到循环加载的作用，长期受力容易引起疲劳破坏。
因此，疲劳分析是焊接接头设计的重要一环。
1. 确定加载条件疲劳分析的第一步是确定加载条件，包括加载幅值和加载频率。
通过实际工况和使用环境，了解焊接接头在使用过程中所受到的加载情况，确定加载条件。
2. 确定应力集中区域焊接接头的应力分布通常不均匀，存在应力集中的区域。
通过有限元分析等方法，确定焊接接头的应力集中区域，为后续的疲劳分析提供准确的应力数据。
3. 确定疲劳寿命曲线根据焊接接头的材料和加载条件，确定疲劳寿命曲线。
疲劳寿命曲线描述了焊接接头在不同加载次数下的寿命，可以用于预测焊接接头的使用寿命。
4. 进行疲劳分析根据确定的加载条件、应力集中区域和疲劳寿命曲线，进行疲劳分析。
通过计算焊接接头在不同加载次数下的应力，与疲劳寿命曲线进行对比，判断焊接接头的疲劳寿命是否满足要求。
二、焊接接头的强度校核方法除了疲劳分析外，强度校核也是焊接接头设计中的重要环节。
强度校核旨在保证焊接接头在正常工作条件下不发生塑性变形和破坏。
1. 确定加载条件强度校核的第一步是确定加载条件，包括静载和动载。
静载是指焊接接头所受到的常规静态加载，动载是指焊接接头所受到的冲击或振动加载。
2. 确定应力分布根据加载条件和焊接接头的几何形状，确定焊接接头的应力分布。
通过有限元分析等方法，计算焊接接头在加载条件下的应力分布。
3. 确定强度校核方法根据应力分布和焊接接头的材料性能，确定强度校核方法。
常用的强度校核方法有极限强度法、应力应变法和断裂力学法等。
4. 进行强度校核根据确定的强度校核方法，进行强度校核。
通过计算焊接接头在加载条件下的应力和应变，与强度校核方法进行对比，判断焊接接头的强度是否满足要求。
提高焊接接头疲劳强度的措施
提高焊接接头疲劳强度的措施
应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有接头选择正确，结构设计合理，焊接工艺完善和焊缝质量良好时，才能保证接头和结构具有较高的疲劳强度。
换言之，只有减少各种不连续的情况，接头和结构才有较高的疲劳强度。
为提高其疲劳强度，一般可采取以下措施。
一、降低应力集中
（一）设计合理的结构形式，减小应力集中，以提高疲劳强度
下图为集中正确的设计方案与错误方案的比较。
图1 几种设计方案正误比较
（二）尽量采用应力集中系数小的焊接接头
由于对接接头的应力集中系数最小，疲劳强度最高，所以应尽量选用对接接头。
图2所示即为角焊缝改为对接焊缝的实例。
图2 角焊缝改为对接焊缝示意图
选用对接焊缝时，还应该注意到只有保证连接件的截面吗突变的情况下采用才是合理的。
图3是一些不合理的对接焊缝的实例。
在这些实例中，由于接头形状有突然改变，端部存在严重的应力集中，故容易在焊缝端部发生疲劳裂纹。
图3 不合理的对接焊缝
此外，虽然一般对接焊缝具有较高的疲劳极限，但如果焊缝质量不高，焊缝中存在严重的缺陷，则疲劳强度将明显下降，甚至于低于搭接焊缝，这点也应引起注意。
（三）在必须采用角焊缝的情况下，应采取综合措施来提高疲劳强度
如果焊趾处采用机械加工，合理选择角接板形状，并保证焊缝根部焊透，等等。
这些措施，都能使应力集中降低，减少残余应力的不利影响。
下表1是部分焊接接头进行综合处理的实例。
试验证明，经过这样综合处理后，低碳钢焊接接头的疲劳强度可提高3~13倍，对于低合金钢来说，效果更为显著。
改善焊接结构疲劳强度的工艺方法
5.降低应力集中和产生压缩应力的复合方法
5.1 锤击法
锤击法属于冷加工方法，其作用是在接头焊趾处表面造成压缩应力，并减小缺口尖 锐度，降低应力集中，从而提高疲劳强度。非承载T型接头锤击后2×106循环下疲劳强度 提高54%。
IIW推荐： ● 锤头顶部直径：8~12mm ● 气锤压力：5~6 Pa ● 锤击深度：采用4次冲击以保证锤击深度0.6mm
图15 点状局部加热位置及其效果
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图16 点状局部加热位置及其应力分布
表4 2×106循环次数下局部加热的效应（疲劳强度MPa）
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△
提高53%
△
△ a）— 在不正确位置加热
▲ b）— 在不正确位置加热
拉伸残余应力 压缩残余应力
图17 点状加热位置对提高疲劳强度的影响
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1.合理设计结构形式
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图1 板梁的合理与不合理设计
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图2 翼板的合理与不合理设计
a）改变盖设计
a）加筋形状突然改变 b）加筋形状有所改进但仍不合理 c）良好设计
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2.合理选择接头形式
基本原则： ● 尽量减少焊缝的数量且避免交叉焊缝 ● 尽量采用连续焊缝，少用断续焊缝，其端部造成应力集中 ● 设计中尽量采用应力集中系数小的对接接头 ● 角焊缝疲劳强度低，设计中尽量采用不承载角焊缝 ● 承载角焊缝尽量采用开坡口焊接并焊透 ● 保证基本金属与焊缝之间的平滑过渡
182.7
179.4
157.8
164.8
118.3
124.9
113.0
11%
23%
41%
水工金属结构焊接接头疲劳强度的分析
水 工金属 结构 焊 接接 头疲 劳 强度 的分 析
牛永 杰 李 克 涛
河 南 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ ０ ） （ 中国水 利水电第十一工程局 有限公司 摘 要： 在水利工程 建设 中由于 水工金属结 构焊接接头有 着受力大 ， 力 向复杂 以及结构 的运 行环境 复杂 等因素 的影响。另一方 面 焊接接头和 结构的疲劳强度 的产生与扩 展极其缓慢 ， 但最终 的结果影响 巨大 。因此对研 究水工金 属结构焊 接接头和 结构 的疲劳强度 有着很大 的意义。 关键词 ： 焊接接头疲劳强度 ； 影 响因素 ； 提高措施
１ 疲 劳裂 纹源 的形 成
疲劳裂纹 的形成过程首 先的起 点在于源 区，大致分 以下几个方面 ： ① 有缺陷的材料表面或 次表面 ；② 材料冶金质量或焊接 弧坑冶金质量 ，
小， 只 是 焊 缝 加 强 高和 过 渡 角 处 会 使 接 头 疲 劳 强 度 下 降。
３ － ２ 截面尺寸 、 表 面 状 态 的 影 响
头， 未 开 坡 口 的角 焊 缝 的 十 字 接 头 ， 当焊 缝 传 递 工 作 应 力 时 ， 其疲劳断裂 疲劳而 失效的金属结 构， 约 占失效 结构 的 ９ ０ ％， 如弧形 钢闸 门支臂 运行 发 生 母 材 与 焊 缝 趾 端 交 界 处 和 焊 缝 上 的薄 弱 环 节 上 。 焊缝 不承受工作 应力 的丁字 和十字接头 的疲劳 强度主 要取决于 焊 时的断裂， 平板钢 闸门吊耳板 的疲 劳断裂 以及压力钢管 的疲 劳爆裂等事 缝与主要受力板交界处 的应力集 中。 故。因此 提高焊接质量 ， 消 除焊接缺 陷对减少水工金属 结构 疲劳事故的 （ ３ ） 对接接 头 由于 形状变化不大 ， 因此应 力集 中比其他接 头形式要 发生有着 非常重要的意义。
提高焊接接头疲劳强度的措施
提高焊接接头疲劳强度的措施
应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有接头选择正确，结构设计合理，焊接工艺完善和焊缝质量良好时，才能保证接头和结构具有较高的疲劳强度。
换言之，只有减少各种不连续的情况，接头和结构才有较高的疲劳强度。
为提高其疲劳强度，一般可采取以下措施。
一、降低应力集中
（一）设计合理的结构形式，减小应力集中，以提高疲劳强度
下图为集中正确的设计方案与错误方案的比较。
图1 几种设计方案正误比较
（二）尽量采用应力集中系数小的焊接接头
由于对接接头的应力集中系数最小，疲劳强度最高，所以应尽量选用对接接头。
图2所示即为角焊缝改为对接焊缝的实例。
图2 角焊缝改为对接焊缝示意图
选用对接焊缝时，还应该注意到只有保证连接件的截面吗突变的情况下采用才是合理的。
图3是一些不合理的对接焊缝的实例。
在这些实例中，由于接头形状有突然改变，端部存在严重的应力集中，故容易在焊缝端部发生疲劳裂纹。
图3 不合理的对接焊缝
此外，虽然一般对接焊缝具有较高的疲劳极限，但如果焊缝质量不高，焊缝中存在严重的缺陷，则疲劳强度将明显下降，甚至于低于搭接焊缝，这点也
应引起注意。
（三）在必须采用角焊缝的情况下，应采取综合措施来提高疲劳强度
如果焊趾处采用机械加工，合理选择角接板形状，并保证焊缝根部焊透，等等。
这些措施，都能使应力集中降低，减少残余应力的不利影响。
下表1是部分焊接接头进行综合处理的实例。
试验证明，经过这样综合处理后，低碳钢焊接接头的疲劳强度可提高3~13倍，对于低合金钢来说，效果更为显著。
焊接疲劳实验报告
焊接疲劳实验报告焊接疲劳实验报告引言焊接是一种常见的金属连接方法，广泛应用于工业生产和建筑领域。
然而，焊接接头在长期使用过程中容易发生疲劳破坏，对结构的安全性和可靠性带来潜在威胁。
为了研究焊接接头的疲劳性能，本实验通过设计并进行一系列疲劳试验，以评估焊接接头的寿命和疲劳强度。
实验设备和方法本实验选取了常见的焊接材料和焊接方法，以保证实验结果的可靠性和适用性。
实验所用设备包括焊接机、焊接电极、金属试样等。
首先，将金属试样进行清洁处理，确保焊接接头的质量。
然后，采用电弧焊接方法进行焊接，通过调整焊接电流和电压等参数，控制焊接接头的质量和强度。
接下来，对焊接接头进行疲劳试验，通过施加不同的载荷和循环次数，模拟实际工况下的疲劳破坏过程。
最后，通过观察焊接接头的破坏形态和测量其寿命，得出焊接接头的疲劳强度和可靠性。
实验结果和分析在实验中，我们对不同焊接接头进行了疲劳试验，并记录了其破坏形态和寿命。
实验结果显示，焊接接头的疲劳寿命与载荷和循环次数呈正相关关系。
随着载荷的增加和循环次数的增多，焊接接头的寿命逐渐减小。
此外，我们还观察到焊接接头在疲劳破坏过程中出现了裂纹扩展和断裂现象。
这些裂纹往往从焊接接头的焊缝处开始，逐渐扩展至整个接头区域，最终导致接头的完全破坏。
通过对破坏形态的分析，可以得出焊接接头的疲劳强度和寿命。
讨论与改进焊接接头的疲劳破坏是由于长期受到循环载荷的作用，导致接头材料的微观结构发生变化，进而引发裂纹扩展和断裂。
为了提高焊接接头的疲劳强度和寿命，可以采取以下改进措施。
首先，选择合适的焊接材料和焊接方法，确保焊接接头的质量和强度。
其次，加强焊接接头的表面处理，提高其抗腐蚀和抗疲劳性能。
此外，可以通过增加焊接接头的厚度和强化焊接缝的设计，来提高焊接接头的疲劳强度。
最后，进行定期的检测和维护，及时发现和修复焊接接头的裂纹和缺陷，以延长其使用寿命。
结论通过本次焊接疲劳实验，我们得出了焊接接头的疲劳强度和寿命。
焊接接头和结构的疲劳强度
第6章焊接接头和结构的疲劳强度§6-1 概述一、定义结构在变动载荷下工作，虽然应力低于材料的但在较长时间工作后仍发生断裂的现象叫金属的疲劳。
疲劳断裂金属结构失效的一种主要形式，大量统计资料表明，因为疲劳而失效的金属结构约占结构的90%项目实际中的疲劳有多种表现形式：机械疲劳：完全由变动外载荷引起接触疲劳：表面间滚动接触与交变应力共同作用蠕变疲劳：高温和交变应力作用热疲劳：温度变化引起本章讨论的是具有典型意义和普遍意义的材料、焊接接头和结构的机械疲劳情况。
例如：直升飞机起落架，疲劳断裂，裂纹从应力集中很高的角接板尖端开始，断裂时飞机已起落2118次。
再如：载重汽车的纵梁的疲劳裂纹，该梁承受反复的弯曲应力，在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生裂纹，开裂时该车运行3万公里。
可见，疲劳断裂是在正常的工作应力作用下经较长时间后产生的，也就是说疲劳断裂的结构是在应力低于许用应力的情况下产生的，这使我们联想到结构的低应力脆断，疲劳和脆断都是在低应力作用下产生的，那么它们之间有什么相同点和不同点呢？二、疲劳和脆断的比较疲劳和脆断都是低应力情况下的破坏，那么它们之间有什么异同三、疲劳的类型根据构件所受应力的大小、应力交变频率的高低，通常可以把金属的疲劳分为2类：一类为高速疲劳它是在应力低，应力交变频率高的情况下产生的，也叫应力疲劳，即通常所说的疲劳；另一类为低周疲劳，它是在应力高，工作应力近于或高于材料的屈服强度，应力交变频率低断裂时应力交变周次少（少于102—105次）的情况下产生的疲劳，也叫应变疲劳。
1、高速疲劳（应力疲劳）：载荷小（应力小），频率高，裂纹扩展速率小。
2、低周疲劳（应变疲劳）：应力高，频率低，裂纹扩展速率大。
焊接结构的疲劳破坏大部分属于第二类：低周疲劳。
§6-2 疲劳限的常用表示方法一、变动载荷（掌握σmax、σmin、σm、σa、r概念）金属的疲劳是在变动载荷下经过一定的循环周次后出现的，所以要首先了解变动载荷的性质。
IWE动载焊接结构的强度及其设计(工程师-2)
2 焊接接头和结构的疲劳强度 IWS-3/3.9-7/18
（四）缺陷的影响
焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、 尺寸、方向和位置有关。
1、缺陷形状：片状缺陷（如裂缝、未熔合、 未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大。
2、缺陷位置：表面缺陷比内部缺陷影响大。
3、缺陷受力方向与作用力方向垂直的片状缺 陷的影响比其它方向的大。
结构可以承受应力循环次数取决于：公称应
力范围及特定结构构件的细节类型。具体地讲 可以解析地以下式表示 ： （用于强度低于 700Mpa的材料）
3 动载焊接结构的设计
IWS-3/3.9-12/18
R
rm
rs s
下式，中以：应力Δσ范R 围---定本义规的范疲中劳给强出度的（在如给图定1应8所力示循）环。次数
3、调整残余应力场，消除接头的应力集中处 的残余压应力均可以提高接头的疲劳强度，其 方法可以分为两类：
（1）结构和元件的整体处理，包括整体退火 或超载予拉伸法；
2 焊接接头和结构的疲劳强度 IWES--3T//33.9.3--71/1/829
（2）对接头部位局部处理，即在接头某部位采用 加热、辗压、局部爆炸等方法，使接头应力集中 处产生残余压应力。
3 动载焊接结构的设计
IWES--3T//33.9.3--191//2198
（二）欧洲钢结构协会（ECCS）的钢结构疲 劳设计规范
本规范为承受疲劳载荷钢结构的评估、制造、
检查和维修，提供了系统的原理和方法，该文 稿受到在相关领域工作的大多数国际组织的审 核，并已作为 “第三本欧洲规 范”“Eurocode3”钢结构设计一书第九章“疲 劳”的基本资料。
3 动载焊接结构的设计
IWS-3/3.9-8/18
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低碳钢的搭接接头的疲劳试验结果
3.循环次数的影响 对应不同的疲劳破坏循环次数， 疲劳强度有很大不同 。
图 Haight疲劳强度图
对应不同的疲劳破坏循环次数， 疲劳强度有很大不同
图 Smith疲劳强度图
图 Goodman疲劳强度图
对应不同的疲劳破坏循环次数，疲劳强度有很大不同
图 Moore，Kommers疲劳强度图
4.应力性质的影响 应力特性对疲劳强度的影响亦很大
图 用σα和σm表示的疲劳图
4.用σmax和σmin表示的疲劳图 即Goodman疲劳强度图
max 1 tg min r
图 用σmax和σmin表示的疲劳图
疲劳图应用举例
图为一组实例。该钢种的静载强度为60kgf/mm2（588N/mm2，A 点）。200万次脉动循环的疲劳强度为31kgf/mm2(304N/mm2，B 点)。而其交变载荷r=-1的疲劳强度为20kgf/mm2(196kgf/mm2，C 点)。对于r=1/2的疲劳强度，根据ADB线的交点即可找出，为 42kgf/mm2等。
焊接接头和结构的疲劳强度
7.1 材料及结构疲劳失效的特征
材料及结构疲劳失效第一个特征：疲劳断裂形式与脆性断裂形式 有明显差别。
材料及结构疲劳失效第二个特征：疲劳强度难以准确定量确定。
材料及结构疲劳失效第三个特征表现为：疲劳破坏一般从表面和 应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。
7.2 疲劳试验及疲劳图
图 铸铁在抗拉强度与抗压强度 范围内的疲劳强度
图 结构钢的疲劳强度 （疲劳极限）—— 按统计分析作出的线 性曲线 a）疲劳强度图 b） S-N曲线
5.缺口效应的影响
图 不同缺口效应时结构钢的S-N曲线 （已作偏于安全的近似）
6.频率、温度、环境、复合应力载荷的影响
载荷循环频率对疲劳强度也有不同程度影响，钢疲劳强度受载荷循 环频率影响不大，工程技术中常用的频率范围是0.1-200Hz, 低温试 验表明虽频率的增高试件疲劳强度稍有增加，但温度升高到一定程 度后，虽着频率的增高试件疲劳强度又会下降，对于铝合金，这种 频率影响较为明显；与材料的静载强度类似，其疲劳强度在低温时 增加，在高温时降低，高温时要注意蠕变过程。
低碳钢十字接头的试验结果
图 开坡口的十字接头 图 未开坡口的十字接头 1-低合金锰钢 2-低碳钢 1-焊缝经过机加工 2-焊缝未经过机加工
丁字接头上有一个偏心力矩，降低了过渡区的应力，它的应力 集中比对称的十字接头低 ，其数值接近于图中阴影线的上限 。
图 焊缝不承受工作应力的丁字 和十字接头的疲劳强度
7.5.1应力集中的影响
rw r
疲劳强度系数可定义为：
rw rw 或 r r
rw r
图 过度角θ以及过渡圆弧半径R对对接接头
1.钢焊接接头
图 低碳钢及低合金钢对接接头在机械加工 图未经加工的低碳钢及低合金钢对接接 后的疲劳强度 头的疲劳强度 1—低合金锰钢 2—低碳钢 1—低合金锰钢 2—低碳钢 3—低合金锰钢未焊母材 4—低碳钢未焊母 3—低合金锰钢未焊母材 4—低碳钢未 材
7.2.1 疲劳载荷及其表示法
max
min
m max min
2
a
r
max min
2
min max
图 疲劳试验中的载荷参数
图 疲劳试验中的载荷范围
7.2.2基础疲劳试验及疲劳曲线
图 结构钢St37的S-N曲线 a）循环次数采用线形坐标 b）循环次数采用对数坐标
各种类型的疲劳的断口形态示意图：表征了载荷类型、应力大小和 应力集中等因素对断口形态的影响。
表 各种类型的疲劳断口形态示意图
疲劳断口的微观特征和断裂机理
图 疲劳裂纹扩展的辉纹
图 疲劳裂纹的扩展过程 a) 无载荷 b) 小的拉伸载荷 c) 最大拉伸载荷 d)小的压缩载荷 e) 最大压缩载荷 f)小的拉伸载荷 应力轴沿垂线方向
7.3 疲劳断裂的物理过程和断口特征
疲劳断裂的过程一般由三个阶段所组成：一、在应力集中处产生 初始疲劳裂纹―裂纹萌生；二、裂纹稳定扩展；三、失稳断裂。 在焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其它联接型式的循环次数少。 这是因为焊接接头中不仅有应力集中（如角焊缝的焊趾处），而且 这些部位易产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高。 宏观特征：从断裂开始点向四周射出类似贝壳纹的疲劳纹。对于塑 性材料，宏观断口为纤维状，暗灰色；对于脆性材料则是结晶状。
作业题：在该图上 找出n=100万次的 各种循环特性的疲 劳强度值。
7.2.4 各类参数对疲劳强度的影响
1.材料的影响 不同材料的疲劳强度不同
对于钢： 1 0.4 0.6 b
0 0.6 0.8 b
对于铝合金： 1 0.4 0.6 b
2.表面状况的影响
图 表面状况对疲劳强度的影响
2、用σmax和σm表示的疲劳图即Smith疲劳强度图
tg
max 2 max 2 m max min 1 r
图 用σmax和σm表示的疲劳图
3、用σa和σm表示的疲劳图即Haigh疲m 1 r
7.4 焊接接头的疲劳强度计算标准
计算钢结构的疲劳强度时，基本金属和连接的疲劳许用应力按下列 公式确定：
绝对值最大的应力为拉力时：
[ 0p ] [ ] 1 kr
p
绝对值最大的应力为压力时：
[ 0p ] [ ] k r
p
7.5 影响焊接接头疲劳强度的因素
影响基本金属疲劳强度的因素（例如应力集中、截面尺寸、表面状 态、加载情况、介质等）同样对焊接结构的疲劳强度有影响。除此 以外焊接结构本身的一些特点。
a）钢铁材料
图 两种类型疲劳曲线 b）部分有色金属材料（如铝合金等）
7.2.3疲劳强度的常用表示法-疲劳图
为了表达疲劳强度和循环特性之间的关系，应当绘出疲劳图。 1、用σmax和r表示的疲劳图即Moore，Kommers疲劳强度图。它能 直接的将σmax与r的关系表示出来。
图6-8 用σmax和r表示的疲劳图