冲焊桥壳疲劳寿命影响因素分析
浅议焊接结构疲劳寿命预测及抗疲劳措施
浅议焊接结构疲劳寿命预测及抗疲劳措施作者：王玉华缪卓君来源：《甘肃科技纵横》2022年第02期摘要：基于焊接结构疲劳破坏分析，从焊接接头形式与应力集中、焊接热影响区金属性能的变化及应力特征、焊接缺陷与环境介质等角度分析了焊接结构疲劳断裂的影响因素。
结合已有的研究，从疲劳裂纹萌生机理与疲劳断裂过程的主要阶段分析了焊接结构疲劳失效的机理与过程，焊接结构疲劳失效的主要阶段包括初始疲劳裂纹在应力集中初的萌生、疲劳裂纹的亚临界或稳定扩展、疲劳裂纹的失稳扩展直至结构断裂三个阶段。
基于断裂力学理论，介绍了焊接结构疲劳寿命评估方法，并从抗疲劳设计、控制焊接过程中产生的残余应力、焊接位置或母材的表面处理等角度介绍了常见的焊接结构抗疲劳措施。
本研究对于焊接结构疲劳寿命研究及抗疲劳设计，具有一定的参考与借鉴意义。
关键词：结构工程；焊接；疲劳寿命；抗疲劳措施中图分类号：TU391文献标志码：A0引言在现代钢结构的应用与连接中，焊接连接方式是最主要的连接方式之一[1，3]，其具有构造简单、加工便捷、连接性能优异、用料节省、适合工业化生产等诸多优点，故被广泛应用于房建结构、航空航天、海洋平台等领域[2～5]。
然而，绝大多数的焊接结构都在交变应力作用下工作，长期的循环交变应力作用会导致结构出现疲劳破坏[1，2，5]，加之焊接结构本身的特点，焊缝区与母材由于加工过程及本身的力学特点，在焊接接头位置出现二者的力学性能不匹配，疲劳作用下极易在接头位置产生裂纹及其他缺陷，极大地降低了焊接结构的抗疲劳性能及服役性能[3，5，6]。
大量统计表明，金属结构由于疲劳导致的失效，占总失效形式的70%以上。
钢结构在发生疲劳破坏之前，并不会出现明显的塑性变形，是一种突然发生断裂的破坏形式[5～9]，一般的疲劳破坏断面成断口平直的形式，因此，疲劳破坏是一种反复应力或荷载作用下的脆性破坏形式。
焊接构件在加工过程中，会出现不同程度的焊渣侵入焊縫趾部、焊缝内存在气孔、焊接出现欠焊等现象，导致焊接结构焊缝存在咬边、未焊透等焊接缺陷及施工误差，加之焊接结构由于其自身会在整体几何形状不连续处引入焊接连接方式，进一步导致焊缝部位在荷载作用下出现严重的应力集中现象[7～13]。
冲焊桥壳用钢板常见缺陷原因分析
冲焊桥壳用钢板常见缺陷原因分析作者：梁文,刘永前,胡俊等来源：《专用汽车》 2018年第12期车桥作为商用车三大总成之一——底盘系统的重要组成部分，近年来越来越受到重视。
特别是本世纪以来，车桥结构、车桥用材、车桥加工工艺等均得到长足发展。
目前，国内各车桥生产企业基本上形成了专业化、系列化、批量化生产的局面，朝着轻量化、大扭矩、低噪声、宽速比、寿命长和低生产成本的方向发展u，。
汽车驱动车桥作为汽车的主要传力件和承载件，与从动桥共同支承车架及其上的各种质量，并承受由车轮传来的路面反作用力和力矩。
驱动桥壳又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置的外壳，因而驱动桥壳应具有足够的强度和刚度。
同时汽车在路面行驶，受到交变负荷的作用，且运行地域广，温差大，因此要求车桥还应具有良好的韧性以及疲劳寿命。
开发热轧冲压桥壳专用钢曾被列为国家“九五”科技攻关项目，以满足我国汽车工业发展的需求[1。
目前我国汽车行业已广泛使用12～20 mm厚度的热轧桥壳钢板制作冲焊桥壳体，取代制作工艺复杂、生产效率偏低、笨重、成本较高的铸造桥壳体“J”。
冲焊桥壳是由钢板冲压成形后，再经焊接、整形而成，在使用过程中它要承受车架及车架以后的总成质量。
因此，桥壳用钢应兼备强度高、冷弯和拉延成形性能好、韧性高及焊接性能优良等特点”，1。
目前我国生产冲焊桥壳用钢的企业有武钢有限、宝钢、首钢、攀钢及济钢等。
然而，目前市面上仍存在采用普碳钢或大梁钢来制作冲压桥壳的现象，造成钢板的热加工性能和成形性能差、表面质量差、废品率高、产品质量不稳定等不良后果。
本文通过对冲压桥壳存在的常见缺陷进行研究，对其失效机理进行分析，并提出改进措施。
2.1热加工性能差冲焊桥壳的冲压工艺分为热冲压和冷冲压工艺。
热冲压工艺要求钢板在中频感应炉中加热到800。
C左右，然后进行冲压，冲压后空冷。
热冲压工艺成型压力小、尺寸精度高、疲劳性能好，因此得到了广泛应用。
因对材料性能不熟悉，大部分用户仅对钢板进行入厂检验，而热冲压后钢板力学性能下降幅度很大，导致热冲压后钢板的力学性能远低于要求值。
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。
第10讲焊接结构地疲劳失效
适用标准第 10 讲焊接结构的疲惫无效绝大部分的焊接结构和焊接机械零零件，都是在变载荷下工作的，疲惫损坏是这类构件的主要损坏形式。
大批统计资料表示，因为疲惫而无效的金属结构，约占无效结构的90%。
3.1 金属资料的疲惫损坏一、疲惫强度金属机件在循环应力作用下的疲惫损坏，与在静应力作用下的无效有实质区别。
静强无效，是因为在构件的危险截面中，产生过大的剩余变形或最后断裂。
疲惫损坏，是在构件局部高应力区内，较弱的晶粒在改动应力作用下形成微裂纹，而后发展成宏观裂纹，裂纹持续扩展致使最后疲惫损坏。
疲惫损坏与脆性断裂对比：同：二者断裂时的变形都很小。
异： (1) 疲惫损坏需要多次加载，而脆断一般不需多次加载。
(2)结构脆断是刹时达成的，而疲惫裂纹的扩展是迟缓的有时要长达数年时间。
(3)脆断受温度影响极大。
随温度的小而降低，脆断的危险性增添。
而疲惫损坏受温度影响甚小。
(4)疲惫损坏的断口特色显然不一样于脆断。
二、载荷的种类掌握载荷的变化状况，是进行疲惫强度设计的先决条件。
改动载荷或应力循环特征主要用以下参量表示：max ——改动载荷或应力循环内的最大应力；min ——改动载荷或应力循环内的最小应力；max min m2max min a2——均匀应力；——应力振幅或应力半幅；r minmax适用标准——应力循环特征系数或应力循环对称系数。
描绘循环载荷的上述参数如图3-1 所示。
图 3-1 疲惫试验中的载荷参数单向等幅改动载荷，依据顾力幅值0和均匀应力m的大小，可分为对称拉压、脉动拉伸、颠簸拉压等形式。
r 的变化范围在-1~+1。
图3-2为疲惫无效中载荷种类。
图 3-2 疲惫时效中的载荷种类载荷种类对构件的强度行为拥有根本的影响。
跟着载荷特色值变小，构件产生疲惫断裂的危险增大。
对每一个焊接结构，在设计以前就应充足考虑到在不一样的载荷状态下，其所蒙受相应载荷的能力，并使其达到设计的使用寿命。
别的，构件能否出现疲惫断裂还受构件自己形状、资料厚度、表面状况或腐化状况等影响。
桥梁结构疲劳寿命评估及维护
桥梁结构疲劳寿命评估及维护桥梁是交通运输的关键建筑，为人们出行提供了便利，同时也承载着交通运输业的重要使命。
但是，随着桥梁使用时间的延长，桥梁结构的疲劳损伤日益增多，如果不及时维护和评估，会带来巨大的安全风险。
因此，桥梁结构疲劳寿命评估及维护成为了当前交通建筑领域中一个重要的研究方向。
一、桥梁结构疲劳寿命评估的意义桥梁结构疲劳损伤是指桥梁长期受车流、自然环境等因素的作用而导致结构发生变形、疲劳裂纹、塑性变形等损伤现象。
如果桥梁长期处于这种损伤状态下，会明显削弱结构的承载能力，甚至威胁到桥梁的安全。
因此，对桥梁结构疲劳寿命进行评估，对于制定科学合理的维护计划，保证桥梁的安全性具有重要的意义。
二、桥梁疲劳寿命评估方法桥梁疲劳寿命评估方法根据具体情况分为静态评估和动态评估。
静态评估主要是对桥梁结构的结构参数、荷载参数等进行分析，结合桥梁材料和设计标准，运用理论计算得出，以确定桥梁的设计寿命。
而动态评估则是基于桥梁的实测数据，通过预测结构疲劳损伤的发展趋势，以及对桥梁材料和设备的监控，以预测桥梁的使用寿命。
三、桥梁结构疲劳寿命评估的主要参数桥梁结构疲劳寿命分为弯曲疲劳寿命，疲劳裂纹扩展速率和疲劳损伤总程度等几个方面。
其中，疲劳裂纹扩展速率是指裂纹沿着桥梁结构内部扩展的速率，它对桥梁的安全性具有决定性的作用。
而疲劳损伤总程度的大小则代表了结构所受到的疲劳损伤程度，它是反映桥梁弯曲疲劳寿命的一个重要参考指标。
四、桥梁疲劳寿命评估的维护方法在桥梁评估的基础上，维护工作主要包括了对桥梁结构的监测和维护。
监测工作主要是通过实时监测桥梁的变形、裂缝等信息，对桥梁的使用寿命进行动态评估，并随时进行维修。
而维护工作主要是通过保养结构材料，定期检查桥梁潜在的损伤，并根据实际情况进行维修和加固，以确保桥梁的安全使用。
五、结语桥梁结构疲劳寿命评估及维护是近年来交通建筑领域中的一个重要研究方向。
通过对桥梁结构疲劳损伤的分析和评估，可以预测结构的设计寿命和使用寿命，在维护过程中及时发现疲劳损伤并加以修复，从而保证桥梁的安全性。
钢桥的疲劳分析范文
钢桥的疲劳分析范文引言：钢桥是一种重要的交通基础设施，承担着车辆和行人的通行。
长期以来，由于交通流量的增加和重载车辆的增多，钢桥疲劳已成为桥梁设计和维护的重要问题。
本文将对钢桥的疲劳问题进行分析，探讨其原因、影响因素以及相应的解决方案。
一、疲劳问题的原因1.动力因素：钢桥在承受车辆荷载的同时还要面对自身的自重和震动荷载。
长期以来，车辆荷载和震动荷载的频繁作用会导致钢桥的材料疲劳，进而导致桥梁的损坏和断裂。
2.环境因素：钢桥承受了来自自然环境的多种因素的影响，如气候变化、温度差异和湿度等。
这些因素会导致桥梁材料的膨胀和收缩，从而产生内部应变，加速钢桥的疲劳破坏。
3.施工因素：钢桥的施工质量将直接影响其使用寿命和疲劳性能。
如果施工质量不达标，如焊接不牢固、连接部位强度不足等，将使钢桥易受疲劳破坏。
二、疲劳破坏的影响因素1.轴重：车辆荷载是引起桥梁疲劳破坏最主要的因素之一、大型重型车辆以及超限荷载的频繁通行将极大地加速钢桥的疲劳损伤。
2.荷载频率：荷载频率指的是钢桥受到车辆荷载的作用频率。
频繁通行以及车流量大的地区会导致高频率的荷载作用，进而加速疲劳破坏的发生。
3.震动荷载：震动荷载是指由于地震、强风和行人等外来因素引起的钢桥振动荷载。
频繁的震动荷载会对钢桥产生影响，从而影响其疲劳性能。
4.桥梁结构设计：桥梁的结构设计将直接影响其抗疲劳能力。
合理的结构设计可以减少桥梁的应力集中和疲劳问题的发生。
三、疲劳分析和解决方案1.疲劳分析方法：采用有限元方法对钢桥进行疲劳分析，模拟不同荷载条件下的桥梁应力分布。
通过数值计算和模拟试验，对桥梁的疲劳性能进行评估，找出潜在的疲劳破坏部位。
2.组织检测和监测：通过常规的检测方法，如无损检测和应力监测，定期对钢桥进行结构健康检测。
及时发现和修补疲劳破坏的部位，可以提高钢桥的抗疲劳性能。
3.结构优化：通过改进桥梁结构的材料和几何形状，降低桥梁的应力集中和疲劳问题的发生。
采用较短的跨度和更好的材料可以有效地提高桥梁的抗疲劳能力。
MAN冲焊桥壳台架试验失效分析
MAN冲焊桥壳台架试验失效分析摘要：为了提高MAN冲焊桥壳的疲劳寿命，本文对在MAN冲焊桥壳在台架试验产生的失效形式进行了分析，找出失效原因，并针对性的进行改进，避免桥壳裂纹或延缓裂纹的产生。
关键词：MAN冲焊桥壳；疲劳寿命；裂纹；失效分析前言为了减轻汽车车身的重量，降低燃油消耗，装配更多的装备，提高汽车的性能，冲焊桥壳在重型载货车上的应用越来越广泛。
但由于一些设计结构的不合理、焊接质量不高等问题，导致桥壳的疲劳寿命不稳定。
本文对MAN冲焊驱动桥壳在台架试验时产生的疲劳失效模式进行了分析。
1.试验方法及失效情况本次台架试验在驱动桥总成疲劳试验台（型号：QDPL-3）上按照QC/T533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》要求进行，载荷为驱动桥标定载荷的2.5倍，载荷频率为6Hz。
该桥壳设计承载能力为13000kg，轮距为1800mm，板簧距为930mm。
试验分为三组进行，试验情况如下：第一组：MAN冲焊桥壳总成在疲劳寿命为95万次时发生失效，失效部位位于桥壳包方过渡处，其裂纹宏观形貌如图1、图2所示。
图1 图2 图3 图4桥壳包方过渡处裂纹宏观形貌法兰盘焊缝裂纹宏观形貌桥壳圆方过渡裂纹宏观形貌第二组：MAN冲焊桥壳总成在疲劳寿命为72.6万次时发生失效，失效部位位于法兰盘焊缝处，其裂纹宏观形貌如图3所示。
第三组：MAN冲焊桥壳总成在疲劳寿命为81.5万次时发生失效，失效部位位于桥壳圆方过渡处，其裂纹宏观形貌如见图4所示。
2.检验情况桥壳所用材料为板材Q460C，经检测板料化学成份含量如下：C：0.15 S：0.006 Si：0.37 Mn：1.45 P：0.017 Cr：0.026 Ti：0.006 V：0.064Ni：0.014该结果显示所测成分符合GB/T1591-1988 Q460C材质技术要求。
经理化检测分析，板材的化学元素含量、力学性能及金相组织均符合标准，排除了因材料本身的问题而引起桥壳失效。
焊接结构疲劳与失效
下图是几种设计方案的正误比较。
焊缝
推荐
力求避免
大型输油管道，原来设计(下图a)是采用平钢板卷圆， 焊纵缝形成圆筒节，然后圆筒节再对接，焊环缝形成管 道。这样制造工序多，使用工装多而且复杂，效率低。 现改设计成螺旋管(下图b)，用卷钢在生产流水线上一 边卷成螺旋管的形状，一边用co2气体保护焊焊接内外螺 旋状焊缝，然后按需要切成不同长度的管道。这种生产 方式效率很高。
图c：正面搭接焊缝的焊脚尺寸为1：2，其疲劳强度达 到母材的49%； 图e：搭接接头焊缝的焊脚尺寸为1：3.8，并经机械加 工使焊缝向母材平滑过渡，但成本太高，不肯采用。
2、焊接残余应力的影响； （1）构件内有拉应力时，其疲劳强度下降； 拉应力与载荷应力相叠加使应力循环提高， 故疲劳强度下降。 （2）构件内有压应力时，其疲劳强度提高；
图3-9 加载速度对σs的影响 韧—脆转变温度与应变速率的关系
（3）应力状态的影响
物体受外力时，主平面上作用有σmax，与主 平面成45°平面上作用有τmax。 若τmax未达到屈服点，σmax先达到σb则发 生脆断； 一般材料处于单轴或双轴拉伸应力下，可呈塑 性状态；
若材料处于三轴拉伸应力下，不易出现塑性而 呈脆性状态。
（5）相同的缺陷位于应力集中区的影响大于均匀 应力区； （6）同样尺寸的缺陷对不同材料焊接结构的疲劳 强度影响不同；(例强度高低) （7） 在相同的应力循环下，应力集中区的裂纹 扩展大于均匀应力场。
三、提高焊接结构疲劳强度的措施
一般采取以下措施： 1、降低应力集中 （1）采用合理的结构形式 1免三向焊缝空间交汇； 5）避免永久性垫板。
焊接结构生产过程的两类应变时效： 1）应变时效脆化：（剪切、冷矫正、弯曲） 产生塑性变形 经150∽450℃加热引起应变时 效，导致脆性化。（加热前塑性变形） 2）热应变脆化：［刻槽（近缝区）、焊接缺 陷］，经150∽450℃加热产生焊接应力－应变集 中，导致较大塑性变形，引起的应变时效。（加 热后由应力导致塑性变形） 以上焊后经550∽650℃热处理，可消除两类应 变时效并恢复其韧性，同时可消除焊接应力。