焊接容易疲劳断裂分析
焊接钢桥结构细节疲劳裂纹成因及解决对策
１ 焊 接 钢 桥 易 疲 劳破 坏 的典 型 细 节
１ １ 工 形 钢 梁 盖 板 端 部 连 接 ． 对 局 部 焊 有 外 层 盖 板 的 工 形 钢 梁 而 言 ， 论 盖 板 无
图２ ， ） 如美 国 的 Ｌ ｆ ｅ ｅＳｒｅ 桥 、 ａ ａ ｙｔ ｔ ｔ Ｈｏｎ桥等 。 ａ ｔ ｅ
构 细节的 疲 劳破坏 机理及 特征进 行 了研 究 ， 结 出较 大初 始缺 陷和 小 间 隙处 面外 变形 是 导致 实桥 焊接 总 细 节发 生疲 劳破坏 的 两类最 主要 因素。最后 ， 出了防范焊接 钢桥疲 劳破 坏的 对策 。 提
关 键 词 ： 梁 工 程 疲 劳破 坏 分 析 研 究 典 型 细 节 破 坏 机 理 桥
摘要 ： 种 连接 细节 处不断 出现的疲 劳开 裂是桥 梁钢 结构 所 面临 的主要 问题之 一。在 对 焊接 钢桥 疲 劳 各 破 坏 特 点 及 主 要 影 响 因 素 进 行 分 析 总 结 的基 础 上 ， 合 我 国钢 桥 所 面 临 的 疲 劳 问 题 现 状 ， 十 类 典 型 结 结 对
的连 接角 焊缝 焊 趾 处 。２ ０世 纪 ７ ８ ０～ ０年 代 ， 界 上 世 有 多座钢 板梁桥 均 出现 了此类 疲 劳 裂 纹 （ １ ， 图 ） 比较
典 型 的 有 美 国 的 Ｙ ｌ ｗ Ｍｉ ｏ ｄ 桥 ， 大 利 亚 的 ｅｌ ｌ Ｐ ｎ ｏ ｌ 澳
Ｋ ｎ ’ 桥¨ ， ｉｇ ｓ 以及我 国 的京包铁路 上 的关 沙河 桥等 。
端部 有无 横 向焊 缝 ， 是改变 盖板端 部 的几何形 状 ， 还 盖 板端 部细 节处 的疲 劳强 度 均很 低 。大量 实 例 和试
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。
焊接结构疲劳性能
③应力集中达到一定程度高强钢≈低碳钢
4.2.5金属疲劳的分类
按载荷工况 工作环境
按研究对象
按失效周次
按受力状态
按载荷特征
材料疲劳
高周疲劳
单轴疲劳
恒幅疲劳
常规疲劳 高低温疲劳
பைடு நூலகம்
结构疲劳
低周疲劳
多轴疲劳
变幅疲劳
热疲劳 随机疲劳 热-机械疲劳 腐蚀疲劳 接触疲劳
材料疲劳：主要研究材料的失效机理，化学成分、微观组织、 环境和工况等对疲劳强度的影响，研究疲劳断口的宏观和微观 形貌等。 结构疲劳：以部件、接头以致整个结构为研究对象，研究它们 的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法， 形状、尺寸和工艺因素的影响以及提高疲劳强度的方。 高周疲劳：材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经 104~105以上循环产生的失效。(弹簧、传动轴等)
飞机疲劳事故
2010年11月29日，阿根廷 举行飞机表演现场，金属 疲劳造成机翼断裂，如图 中左机翼。
疲劳断裂安全隐患
铁道部大举召回动车原因：轮 对发现裂纹 轮对是机车与钢轨相接触 的部分，由左右两个车轮压装 在同一根车轴上组成，其作用 是保证机车车辆在钢轨上的运 行和转向，承受来自机车车辆 的全部静、动载荷，把它传递 给钢轨，并将因线路不平顺产 生的载荷传递给机车车辆各零 部件，使容易发生机械疲劳， 存在安全隐患。
焊接结构疲劳性能
4.1.1 焊接结构疲劳断裂事故多发的原因
①承受动载的焊接结构越来越多，承受的载荷越来越大 ，而焊接结构并没有严格按照疲劳设计规范进行设计； ②虽然焊接接头静载承受能力一般与母材相当，但承受 疲劳载荷能力与母材相比较差，没有引起设计者、制造 者、使用者的足够认识。
焊接钢桥结构细节疲劳裂纹原因及对策分析
受 的交变 载荷 增大 等等 。下 面将具 体分 析一 下焊接 钢桥新 型结 连接 ； ２ ） 纵 肋与横梁的连接 ； ３ ） 纵 肋 的现场 连接。在实 际设计 与 构形式下疲 劳 问题 的影 响 因素 ， 以及疲 劳 易发 生 的典 型敏 感 部 建构 中要着重 突出这几个方 面。
位， 最 后将 归 纳 出预 防疲 劳 破 坏 的几 点 对 策 。
损伤 。影 响钢桥疲 劳 的因素 按照 内因 与外 因的逻辑 分类 可 以归 论 预测 ， 具体介绍一下针对疲劳问题需要着重注意的几点问题 ： 结如下 ： 内因主要有 钢桥 应力 的集 中程度 和所用 钢 的材质 ， 外 因 １ ） 焊接方式 优先选 择对接焊 缝 ， 尽 量避免 使用角 焊缝 ， 因为 主要有应 力幅值和循环次数。断裂力学 中研究表 明 ， 焊 缝 的焊趾 前者裂纹发 生与发展 的可 能性均小 于后 者 ， 安 全 系数 较 高 ， 而对 以及焊接处 缺 口所受 应力 以及裂 纹应 力强度 三者 共 同决定 钢桥 于 承受 反 复 应 力 的部 位 建 议 采 用 连 续 焊 接 ， 根 据 一 系 列 的试 验 和
论 上 也 是 相 通 的 。 断 裂 力 学 中 明确 指 出 ： 焊 接 接 头 的 最 大 缺 口应 件 来替 代焊 接接 头 ， 焊接 接头 发生 疲 劳问题 的可 能性 是 比较 大 力 以及应 力强度因子共同决定疲劳强度 。 的 。５ ） 名 义 应 力 可 以在 焊 接 处 理 之 后 酌 情 采 用 ， 对 于 部 分 构 造 细
段 和裂纹扩展阶段 ， 钢桥疲 劳的决定 因素是不 同的。在裂纹 萌生 该 变化 极 易 加 大 因几 何形 状 变 化 而 产 生 的应 力 ， 增 大 应 力 的 后 果 阶段 ， 焊缝 的焊趾 以及焊接处 缺 口的应力状 态是此 阶段 钢桥 疲劳 将会直 接导 致裂 纹 的产生 和发展 ， 在 焊接时应 着重 注意这 一点 ，
焊接结构的疲劳断裂
劳极限”，
钢材旳疲劳强度与抗拉强度之间旳关系: σ-1 = (0.45～0.55)σb 条件疲劳极限：
钢材旳循环次数一般取 N = 107 有色金属旳循环次数一般取 N = 108
陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低； 金属材料－疲劳强度较高； 纤维增强复合材料－很好旳抗疲劳性能。
四、疲劳断裂旳类型
最大应力 σmax 最小应力 σmin 幅应力 σa 平均应力 σm 应力比 r
a
max
min 2
m
max
min 2
r min max
1、变动载荷 大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。
变化分为周期性，无规则性。相相应旳应力，称为变动
应力。
2、循环应力 循环应力旳波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波
等。
（1）循环应力旳描叙 平均应力 σm=1/2（σmax+σmin） 应力幅 σa=1/2（σmax-σmin） 应力比 γ=σmin/σmax （2）循环应力旳种类（See Fig 5－2/P108）
对称交变；脉动；波动；不对称交变应力。
反复作用旳荷载值不随时间变化，则 在全部应力循环内旳应力幅将保持常量， 称为常幅疲劳。
疲劳断裂是损伤旳积累，它旳早期现象 是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微 裂纹伴随应力循环次数旳增长而逐渐扩展， 直至余下旳未裂开旳截面积不足以承受外 荷载时，零件就忽然断裂。
疲劳断口旳特征
疲劳断口
疲劳源
（a）
图8-8 疲劳断口
（b）
（a）疲劳断口宏观形貌 （b）疲劳条纹旳微观图象
1、疲劳源 裂纹旳萌生地；裂纹处于亚稳扩展过程中。 因为应力交变，断面摩擦而光亮。 加工硬化。 随应力状态及其大小旳不同，可有一种或几种疲劳源。
焊接结构疲劳断裂因素分析及应对措施
的余高只能提高焊缝的静载强度，但对于承受动载荷尤
其是交变载荷 的构件是 十分不利的 ，因为其疲劳强度显
构的不连续性、焊接残余应力及焊接缺陷的影响，在交
变载荷的作用下 ，可能导致 疲劳破坏 ，从 而影响整车 的
可靠性。
一
著下降。对承受动载荷的焊缝， 一般规定焊缝余高不超
过 ２ ５ ｍ。 ．ｒ ａ
工程机械焊接结构多数在交变载 荷下工作 ，统计 资
口效应越大 ， 疲劳强度降低。很多人错误 的认 为焊后余 高越大 ，焊缝 的强度就越高 ，这种观点十 分错 误。焊后
料表明 ， 属结 构 由疲劳 所 引起 的破 坏 占断 裂事 故 的 金 ９ ％。车架等工作装置经过一段 时间后 ，由于受焊接 结 ０
用表面加工的方法机械加工电弧重熔焊道整形减小其几何不连续程度可降低构件中的应力集以提高疲劳强度使表面光滑消除一些近表面缺气孔气孔为体积缺陷疲劳强度下降主要是由于气孔减少了截面积尺寸它们之间有一定的线性关但是一些研究表明当采用机加工方法加工试样表使气孔处于表面上或刚好位于表面下方时气孔的不利影响加大它将作为应力集中源起作用而成为劳裂纹的起裂点
的变化 ，对焊 接结 构 的疲 劳强 度将 产 生十 分 明显 的影
裂纹等）和体积型缺陷 （ 气孔、夹渣等） ，它们的影响
程度 是不 同的，同时焊接缺陷对接头疲劳强度 的影响与 缺陷的种类 、方向和位置有关 。
（）裂纹 焊接中的裂纹，如冷 、 １ 热裂纹，除伴有
脆性 的组 织结构外 ，是严重的应力集 中源 ， 大幅度降 可 低结构或接头 的疲劳强度。尤其是表面裂纹对 焊接疲劳
接头形式 。十字接头或 Ｔ形接头在焊接结构 中得 到了广
ｌ
２ 焊接缺陷的影响 ．
焊接结构疲劳失效的原因及改善工艺措施总结
焊接结构疲劳失效的原因及改善工艺措施总结1焊接结构疲劳失效的原因焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：①客观上讲，焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材，而承受交变动载荷时，其承受能力却远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。
这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；②早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头；③工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准那么与结构形式；④焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低本钱、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大；⑤焊接结构有往高速重载方向开展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。
2焊接结构疲劳失效的要素2.1静载强度对焊接结构疲劳强度的影响在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承当较大的负载重量，因为相同重量的结构可以具有极大的承载能力；或是同样的承载能力可以减轻自身的重量。
所以高强钢应运而生，也具有较高的疲劳强度，基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高。
但是对于焊接结构来说，情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系，也就是说只要焊接接头的细节一样，高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的，具有同样的S-N曲线，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头型式。
Maddox研究了屈服点在386-636MPa之间的碳锦钢和用6种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况，结果说明：材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不大。
在设计承受交变载荷的焊接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足工程需要是没有意义的。
焊接工程中的断裂分析方法教程
焊接工程中的断裂分析方法教程焊接是制造和建筑行业中常用的连接方法，但在实际应用中，焊接接头的断裂问题时有发生。
为了解决这些问题，我们需要进行断裂分析，以确定断裂的原因和采取相应的措施。
本文将介绍焊接工程中常用的断裂分析方法，以帮助读者在实践中更好地解决断裂问题。
1. 磨片法磨片法是一种常用的断裂分析方法，它适用于对焊接接头进行显微镜观察。
首先，将焊接接头切割成薄片，然后进行研磨和腐蚀处理，使其显微结构清晰可见。
通过观察磨片下的组织结构，我们可以确定断裂的类型，例如金属间断裂、晶粒断裂或沿晶断裂。
此外，还可以通过特定的染色方法来鉴别不同的金相组织，以进一步了解断裂的原因。
2. 断口形貌观察法断口形貌观察法是通过观察焊接接头的断口形貌来判断断裂的原因。
根据断口的外观特征，可以判断断裂是由拉伸、剪切、腐蚀或疲劳引起的。
例如，拉伸断口通常呈现出拉伸韧裂的锥状外观，而剪切断口则呈现出平滑的剪切面。
在观察断裂时，我们要注意形貌特征的变化，并结合材料性能和使用条件来分析问题的根源。
3. 化学成分分析法化学成分分析法可以帮助我们了解焊接材料本身的质量和组成。
通过对焊接接头的化学成分进行分析，我们可以确定焊缝中是否存在组织非均匀或杂质过多的问题。
该方法通常使用光学光谱分析仪或电子探针进行，可以得出详细的元素含量和分布情况。
通过对比焊接材料的化学成分和标准要求，我们可以判断焊接质量是否合格，并确定问题的根源。
4. 数字图像处理法数字图像处理法是近年来发展起来的一种断裂分析方法。
它利用计算机技术对焊接接头的显微图像进行处理和分析，从而提取出有用的信息。
例如，可以通过图像处理技术测量焊缝的尺寸、形状和缺陷分布情况。
此外，还可以利用图像比对技术来检测焊接接头的变形和裂纹，以及确定焊接质量是否合格。
数字图像处理法具有高效、准确和自动化的特点，广泛应用于断裂分析领域。
5. 应力分析方法应力分析方法是一种通过测量和计算焊接接头的应力分布情况来判断断裂原因的方法。
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焊接容易疲劳断裂分析
悬臂梁焊接件从底部断裂，从外观看，断裂位于底板的中间位置，靠近焊缝，断口呈纤维状，暗灰色，没有塑性变形，属于脆性断裂。
初步分析
1、从零件结构看，断裂位置位于零件的几何受力中心，此处受到的力矩最大，容易产生开裂。
2、断裂位置靠近焊缝，属于过热区（宽度约1～3mm）；焊接时，它的温度在固相线至1100℃之间，该区域内奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，塑性和韧度明显下降，容易产生开裂。
3、零件在使用过程中，长期受到变化的外力作用，容易产生疲劳断裂。
<1>疲劳断裂是指金属件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂。
<2>疲劳断裂起源于引起应力集中的微裂纹，并沿特定的晶面扩展、劈开，最终形成宏观上的裂纹。
这些特定的晶面称为解理面。
<3>Q235属于金属，微观上，晶胞与晶胞之间都会有，间距较大、键结合较弱而易于开裂的低指数面（解理面）。
<4>当外力作用下，晶粒内的位错沿滑移面运动，滑移面不平行时，在交叉位置会形成位错塞积，造成应力集中，如不能通过其他方式松弛，就会在易于开裂的低指数面形成初裂纹。
<5>初裂纹很容易在晶粒内部扩展至晶界，造成晶界附近产生很大的应力集中，使相邻晶粒形成新的裂纹源。
<6>当应力足够大的时候，裂纹突破晶界的阻碍，迅速扩展，形成宏观上的金属裂纹。
<7>当合金（Q235也属于合金，铁碳合金）沿晶界析出连续或不连续的脆性相时，或者是当偏析或杂质弱化晶界时，裂纹可能沿晶界扩展，造成沿晶界断裂。
<8>疲劳断裂，断裂前既无宏观塑性变形，又没有其他征兆，并且一断裂后，裂纹扩展迅速，造成整体断裂或很大的裂口。