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。
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%
焊缝疲劳强度应力
焊缝疲劳强度应力焊缝疲劳强度是指焊接结构在交变载荷下，经过多次循环荷载后产生裂纹、破坏的能力。
焊缝疲劳强度是焊接结构设计中的一个关键参数，因为在实际应用中，许多结构都会受到循环荷载的作用。
本文将深入探讨焊缝疲劳强度的概念、影响因素、评估方法以及改进措施等方面。
一、焊缝疲劳强度概述焊缝疲劳强度是指焊接结构在受到交变载荷作用时，经过多次荷载循环后产生裂纹、破坏的能力。
焊缝处于动态加载状态，交变应力会导致焊缝区域的局部应力集中，从而引发疲劳破坏。
焊缝疲劳强度的高低直接影响着结构的安全性和使用寿命。
二、焊缝疲劳强度的影响因素焊接质量：焊接质量是决定焊缝疲劳强度的关键因素之一。
焊接缺陷，如气孔、夹渣、裂纹等，会导致焊缝局部强度下降，增加疲劳敏感性。
焊接材料：焊接材料的强度和韧性对焊缝疲劳强度有显著影响。
选择合适的焊接材料，满足设计要求，能够提高焊缝的疲劳寿命。
应力水平：高应力水平会加速焊缝疲劳破坏的发生。
在高应力水平下，焊缝疲劳强度降低，导致结构更容易疲劳破坏。
加载频率：高频率的加载会引起焊缝更快的疲劳损伤。
频率较低时，结构对疲劳荷载的影响相对较小。
环境影响：环境因素，如湿度、温度、腐蚀等，也会对焊缝疲劳强度产生一定的影响。
特别是在腐蚀环境下，焊缝易受到应力腐蚀裂纹的影响，导致疲劳破坏。
三、焊缝疲劳强度的评估方法S-N曲线法：S-N曲线是疲劳寿命与应力振幅之间的关系曲线。
通过进行疲劳试验，得到不同应力水平下的循环寿命数据，然后绘制S-N 曲线。
该曲线可以用于评估不同应力水平下的疲劳性能。
极限应力法：极限应力法是通过在一定加载频率下进行疲劳试验，找到导致疲劳破坏的最小应力水平。
这种方法通常用于评估焊缝的静态疲劳极限。
裂纹扩展速率法：通过监测焊缝中裂纹的扩展速率，可以评估疲劳破坏的进展过程。
这种方法对于研究焊缝的疲劳裂纹扩展行为具有重要意义。
四、改进焊缝疲劳强度的措施提高焊接质量：通过优化焊接工艺，防止气孔、夹渣等缺陷的产生，提高焊接质量，从而提高焊缝的疲劳强度。
焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响
焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响焊缝余高是指焊接接头中焊缝的高度差，是焊接接头几何形状的一个重要参数。
焊缝余高的大小直接影响着焊接接头的疲劳强度。
本文将从理论和实验两个方面探讨焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响。
一、理论分析焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响可以从应力集中和疲劳裂纹扩展两个方面来分析。
1. 应力集中焊缝余高会导致应力集中的现象，使焊接接头的应力分布不均匀。
在高应力集中区域，应力会集中并超过材料的疲劳极限，从而加速疲劳裂纹的产生和扩展。
因此，焊缝余高越大，焊接接头的疲劳强度越低。
2. 疲劳裂纹扩展焊缝余高会影响焊接接头中疲劳裂纹的扩展路径。
当焊缝余高较大时，焊接接头中的应力场会集中在焊缝余高处，使得疲劳裂纹容易从焊缝余高区域开始扩展。
而疲劳裂纹的扩展路径决定了焊接接头的疲劳寿命，因此焊缝余高对焊接接头疲劳强度有着直接的影响。
二、实验验证为了验证焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响，进行了一系列的实验研究。
实验采用不同焊缝余高的焊接接头进行疲劳试验，通过测量接头的疲劳寿命来评估焊缝余高对疲劳强度的影响。
实验结果表明，焊缝余高对焊接接头的疲劳强度有显著影响。
当焊缝余高较小时，焊接接头的疲劳寿命较长；而当焊缝余高较大时，焊接接头的疲劳寿命明显下降。
这是因为焊缝余高较大时，焊接接头中的应力集中现象明显增强，导致疲劳裂纹更容易产生和扩展。
三、结论焊缝余高对焊接接头疲劳强度具有重要影响。
焊缝余高较大时，会导致焊接接头中应力集中现象增强，疲劳裂纹更容易产生和扩展，从而降低焊接接头的疲劳寿命。
因此，在焊接接头设计和制造过程中，应尽量控制焊缝余高，以提高焊接接头的疲劳强度。
为了进一步研究焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响，可以从以下几个方面展开研究：①优化焊接接头的几何形状，减小焊缝余高；②改善焊接工艺，控制焊缝余高的大小；③使用合适的焊接材料，提高焊接接头的疲劳强度。
通过这些措施可以有效提高焊接接头的疲劳强度，提高焊接结构的安全性和可靠性。
改善焊接结构疲劳强度的工艺方法
改善焊接结构疲劳强度的工艺方法焊接接头疲劳裂纹一般启裂位置存在于焊根和焊趾两个部位，如果焊根部位的疲劳裂纹启裂的危险被抑制，焊接接头的危险点则集中于焊趾部位。
许多方法可以用于提高焊接接头的疲劳强度，① 减少或消灭焊接缺欠特别是开口缺陷；②改善焊趾部位的几何形状降低应力集中系数；③调节焊接残余应力场，产生残余压缩应力场。
这些改进方法可以分为两大类，如表1所示。
焊接过程优化方法不仅是针对提高焊接结构疲劳强度而考虑，同时对焊接结构的静载强度、焊接接头的冶金性能等各方面都有极大的益处，这方面的资料很多在此不多赘述。
表1 焊接结构疲劳强度的改善方法下面从工艺方法角度考虑分三部分详细论述改善焊接接头疲劳强度的主要方法。
3.1 改善焊趾几何形状降低应力集中的方法1) TIG熔修国内外的研究均表明，TIG熔修可大幅度提高焊接接头的疲劳强度，这种方法是用钨极氩弧焊方法在焊接接头的过渡部位重熔一次，使焊缝与基本金属之间形成平滑过渡。
减少了应力集中，同时也减少了该部位的微小非金属夹渣物，因而使接头部位的疲劳强度提高。
熔修工艺要求焊枪一般位于距焊趾部位0.5~处，并要保持重熔部位洁净，如果事先配以轻微打磨效果更佳。
重要的是重熔中发生熄弧时，如何处理重新起弧的方法，因为这势必影响重熔焊道的质量，一般推荐重新起弧的最好位置是在焊道弧坑之前面6mm处，最近国际焊接学会组织欧洲一些国家和日本的一些焊接研究所，采用统一由英国焊接研究所制备的试样进行了—些改善接头疲劳强度方法有效性的统一性研究，证实经该方法处理后该接头的2×106循环下的标称疲劳强度提高58%，如果将得到的211MPa的疲劳强度标称值换算成相应的特征值(K指标) 为144MPa。
它己高出国际焊学会的接头细节疲劳强度中的最高的FAT值。
2) 机械加工若对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度将大大减少，对接接头的疲劳强度也相应提高，当焊缝不存在缺陷时，接头的疲劳强度可高于基本金属的疲劳强度。
焊接结构疲劳失效的原因及改善措施办法总结
焊接结构疲劳失效的原因及改善措施办法总结焊接结构疲劳失效是指在长时间的使用过程中，由于受到重复载荷的作用，焊接接头或部件出现疲劳裂纹，最终导致结构失效。
焊接结构疲劳失效的主要原因包括材料质量、焊缝设计不良、焊接工艺不合理等。
下面将就这些问题逐一进行分析，并提出相应的改善措施和办法。
首先，材料质量是影响焊接结构疲劳失效的一个重要因素。
若使用的材料强度较低，容易发生疲劳失效。
此外，若材料存在明显的内部缺陷、气孔、夹杂物等，也会直接影响材料的力学性能，导致焊接接头的强度和疲劳性能下降。
为了改善这一问题，应首先确保选用的材料质量可靠，在焊接前进行严格的材料检查，杜绝存在缺陷的材料使用。
其次，可以通过热处理等方式来提高材料的力学性能和疲劳强度。
其次，焊缝设计不良也是导致焊接结构疲劳失效的原因之一、一般来说，焊缝的形状和大小应根据受力情况进行合理的设计，以保证焊接接头的强度和疲劳寿命。
若焊缝设计不当，容易导致应力集中或者应力分布不均匀，使得焊接接头容易产生裂纹。
改善这一问题的措施包括：合理选择焊缝的形状和尺寸，尽量减少应力集中区的存在；采用多道焊接的方式，提高焊缝的强度和疲劳寿命；增加过渡部位的长度，减小应力集中的程度。
此外，焊接工艺不合理也是导致焊接结构疲劳失效的一个关键因素。
焊接工艺的合理性直接影响焊接接头的质量和疲劳强度。
若焊接参数选择不当，焊接过程中存在较大的热输入或者冷却速度过快等问题，容易导致焊接接头产生裂纹。
为了改善这一问题，应根据焊接接头的特点和使用条件，选择适当的焊接工艺参数。
同时，在焊接过程中，要严格执行焊接规程，保证焊接接头的质量和性能。
综上所述，改善焊接结构疲劳失效的措施和办法包括：选择优质的材料，确保材料的质量可靠；进行合理的焊缝设计，减少应力集中和应力分布不均匀的问题；合理选择焊接工艺参数，保证焊接接头的质量和疲劳强度。
此外，为了及时发现焊接结构的裂纹，可以采用无损检测技术进行定期检查，及时发现问题并采取相应的维修措施。
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
焊接结构疲劳强度
焊接结构疲劳强度焊接是一种常见的金属连接方法，但焊接接头在使用过程中容易受到疲劳破坏。
焊接结构的疲劳强度是指焊接接头在受到交变载荷作用下能够承受的最大循环载荷次数。
疲劳强度的评估对于焊接结构的设计和使用至关重要。
本文将介绍焊接结构的疲劳破坏机制、影响疲劳强度的因素以及提高焊接接头疲劳强度的方法。
焊接结构的疲劳破坏机制主要包括以下几种：1.脆性断裂：焊接接头容易出现脆性断裂，主要是由于焊接过程中，焊缝和周边热影响区的组织发生变化，使其变得脆性，降低了焊接接头的疲劳强度。
2.裂纹扩展：焊接接头中存在的焊接缺陷（如气孔、夹杂等）是裂纹扩展的起始点。
在交替加载下，焊接接头中的裂纹会逐渐扩展，最终导致疲劳破坏。
影响焊接结构疲劳强度的因素主要包括以下几个方面：1.焊接材料选择：焊接材料的强度和塑性对焊接接头的疲劳强度有着重要影响。
通常情况下，焊接接头的强度应大于被焊接材料的强度，以保证焊接接头的疲劳寿命。
2.焊接工艺参数：焊接过程中的工艺参数（如焊接电流、焊接速度等）会对焊接接头的组织结构和性能产生影响，进而影响焊接接头的疲劳强度。
3.焊接接头形状和几何尺寸：焊接接头的形状和几何尺寸也会影响其疲劳强度。
一般来说，焊接接头的强度随着接头厚度的增加而增加，但是当厚度过大时，会导致应力集中，从而降低疲劳强度。
提高焊接接头疲劳强度的方法主要包括以下几个方面：1.选择合适的焊接方法：不同的焊接方法对焊接接头的疲劳强度有着重要影响。
例如，自动化焊接方法相对于手工焊接方法具有更高的焊接质量和疲劳强度。
2.进行焊接前的准备工作：在焊接前，需要对焊接接头进行彻底的清洁和表面处理，以减少焊接缺陷的产生。
3.优化焊接工艺参数：通过调整焊接的工艺参数，可以改善焊接接头的疲劳强度。
例如，适当增大焊接电流和焊接速度，可以减少焊缝内的局部熔化区，从而提高焊接接头的强度。
4.对焊接接头进行后处理：通过对焊接接头进行热处理或应力释放，可以改善焊接接头的组织结构和性能，提高其疲劳强度。
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焊接接头和结构的疲劳强度
1、疲劳：材料在变动载荷作用下，会产生微观和宏观塑性变形，降低材料的继
续承载能力并引起裂纹，随着裂纹逐步扩展，最后导致断裂的过程。
简单说即裂纹萌生和发展的过程。
2、疲劳形式：①机械疲劳、②接触疲劳、③蠕变疲劳、④热疲劳。
3、材料及结构疲劳失效的特征表现：①疲劳断裂形式与脆性断裂有明显差别；
②疲劳强度难以准确定量确定；③疲劳破坏一般从表面和应力集中处开始。
4、应力循环对称系数r：=-1时，称为交变载荷，疲劳强度用σ
-1
表示；=0时，
称为脉动载荷；≠-1时，称为不对称载荷，疲劳强度用σ
r。
5、疲劳曲线：疲劳强度试验中，根据试件在裂纹萌生或完全断裂时所经受的应力循环次数N与载荷幅或应力幅所做的曲线，即S-N曲线。
最重要的两种：①平均载荷为0时的对称循环疲劳强度曲线；②最小载荷为0时的脉动疲劳强度曲线。
6、疲劳断裂过程：①在应力集中处产生初始疲劳裂纹——裂纹萌生；②裂纹稳定扩展；③失稳断裂。
三个阶段没有严格界限。
7、断口特征：从断裂开始点向四周射出类似贝壳纹的疲劳裂纹。
塑性材料，宏观断口为纤维状，暗灰色；脆性材料，结晶状。
8、影响接头疲劳强度因素：①应力集中、②截面尺寸、③表面状态、④加载情况、⑤介质、⑥接头部位近缝区性能的改变、⑦焊接残余应力、⑧焊接缺陷。
①头部位有不同的应力集中，对接头的疲劳强度产生不同程度的影响。
疲劳强
度系数γ=σ
rw /σ
r
(对于σ
⊥
或σ
∥
) γ=τ
rw
/τ
r
(对于τ
∥
)
对接焊缝由于形状变化不大，因此应力集中比其他形式接头小，但过大的余高和
基本金属件过度角会增加应力集中，使接头疲劳强度下降；②提高丁字、十字接头疲劳强度根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑；③低碳钢的近缝区金属力学性能变化对接头疲劳强度影响较小；低合金钢情况比较复杂，在热循环作用下，热影响区力学性能变化比低碳钢大；④在r比值较高时，例如在脉动载荷下，疲劳强度较高，在较高的拉应力作用下，内应力较快释放，因而内应力对其影响减弱；当r继续增大时，内应力进一步降低，对疲劳强度已不起作用。
9、疲劳强度设计：指按照规定的目标，对强度、寿命、安全性进行优化，并使组成结构的各构件都具有相同的疲劳强度、疲劳寿命和安全性的一种设计方法。
10、疲劳强度设计原则：1)承受拉伸、弯曲和扭转的构件应采用长而圆滑的过渡结构以减少刚度的突然变化。
2)优先选用对接焊缝、单边V形焊缝和K形焊缝，尽可能不用角焊缝。
3)采用角焊缝时最好用双面焊缝，避免使用单面焊缝。
4)采用带有搭接板（盖板）的搭接接头和弯搭接接头，尽可能不用偏心搭接。
5)使焊缝位于低应力区，使缺口效应分散而避免其叠加。
6)在焊趾缺口、焊缝根部缺口和焊缝端面缺口之前或之后设置一些缓冲缺口以消除或降低上述缺口部位的应力。
7)承受横向弯曲的构件应缩短支撑间距以减小弯矩。
8)横向力应作用于剪切中心之上以减小扭矩。
9)承受拉伸与弯曲的构件如需加强，则加强长度应小，以减小加强对于构件变形的约束。
10)承受扭转的构件，为避免横截面翘曲受阻可采用切除翼缘端部、翼缘端部斜接等形式以及采用横截面不产生翘曲的型材。
11)使焊缝能包围较大面积或局部增加构件壁厚以减轻外力作用于薄壁构件上时引起的局部弯曲。
12)在薄壁范围内合理布置焊缝以减轻弯曲变形。
13)避免能扰乱力流的开口，但与力流垂直的加劲肋板角部应切除。
14)在特别危险的部位以螺栓接头或铆接接头、锻造连接件或铸造连
接件代替焊接接头。
15)消除能引起腐蚀的根部间隙。
11、提高疲劳强度工艺措施：①降低应力集中；②调整残余应力场（整体处理、局部加热处理、预先超载）；③改善材料表面性能；④特殊保护措施。
12、降低应力集中：①采用合理结构形式，减少应力集中；②尽量采用应力集中系数小的接头形式；③采用角焊缝时须采取综合措施；④某些情况下，可开缓和槽绕开应力集中处；⑤表面机械加工，消除焊缝及其附近各种刻槽；⑥采用电弧TIG焊或等离子束整形法代替机械加工，使焊缝平滑过渡。