焊接接头和结构的疲劳强
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%
改善焊接结构疲劳强度的工艺方法
前苏联Makorov对高强钢(抗拉强度σb=1080MPa)横向对接焊缝的交变载荷的疲劳强度试验表明，在 焊态条件下2×106循环次数时疲劳强度为±150MPa，如果对焊缝进行机械加工处理，除去余高，则 疲劳强度提高到±275MPa，这已与基本金属的疲劳强度相当。但如果对焊趾处进行局部磨削加工， 其疲劳强度为±245MPa，它是机加工效果的83%，与焊态相比，疲劳强度提高65%，当然不论是采 用机加工方法，还是磨削方法，如果不能仔细按要求进行，以便保证加工效果，疲劳强度的提高是 有限的。
02 调整残余应力场产生 压缩应力的方法
1) 预过载法 假如在含有应力集中的试样上施加拉伸载荷，直到在缺口处发生屈服，并伴有一定的拉伸塑性变形，卸载 后，载缺口及其附近发生拉伸塑性变形处将产生压缩应力，而在试样其它截面部位将有与其相平衡的低于 屈服点的拉伸应力产生。受此处理的试样，在其随后的疲劳试验中，其应力范围将与原始未施加预过载的 试样不同，即显著变小，因此它可以提高焊接接头的疲劳强度。研究结果表明，大型焊接结构(如桥梁、压 力容器等)投入运行前需进行一定的预过载试验，这对提高疲劳性能是有利的。
4) 特种焊条方法 本方法是研制了一种新型的焊条，它的液态金属和液态熔渣具有较高的溶湿能力，可以改善焊缝的 过渡半径，减小焊趾角度，降低焊趾处的应力集中程度，从而提高焊接接头的疲劳强度。与TIG熔 修的缺点相类似，它对焊接位置具有较强的选择性，特别适合于平焊位置和平角焊，而对于立焊、 横焊和仰焊，它的优越性就显著降低了。
1) 锤击法 锤击法是冷加工方法，其作用是在接头焊趾处表面造成压缩应力。因此，本方法的有效性与在焊 趾表面产生的塑性变形有关；同时锤击还可以减少存在的缺口尖锐度，因而减少了应力集中，这 也是大幅度提高接头疲劳强度的原因。国际焊接学会推荐的气锤压力应为5~6Pa。锤头顶部应为 8~12mm直径的实体材料，推荐采用4次冲击以保证锤击深度达0.6mm。国际焊接学会最近的工作 表明，对于非承载T形接头，锤击后其2×106循环下接头疲劳强度提高54%。
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。
焊接接头的应力集中及其对疲劳强度的影响
Ｉ
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（ 十字承载接 头 ｂ） 图 １ 焊缝 型式 及尺寸
１ 理论应力集 中系数计算
１ １ 焊 缝的型 式、 尺寸 及焊接 工艺参 数 对焊 接接 头和 十字 接头 的焊 缝形 状和 几 何尺寸 参数表 示分别如 图 １ａ 、图 １ｂ） 示 。 （） （ 所 除十字接 头焊缝为半 自动氩弧焊 外 ， 其余 对接接头均 采用手工钨极 氩弧焊 ， 具体焊接 工 艺 参数如 表 ｌ所 示 。 １ ２ 焊缝几何 尺寸 的测量方法及测 量结果 ． 焊 缝 几 何 尺 寸 的 测量 是 在 图 ２ 所 示 的 轴 向 疲劳 试 样 的两 个 侧 面 上 进 行 的 。 同 一 种 焊 接接 头型 式 的 同一 种加 强 高 的疲 劳试 样 是 从 同一 块 试 板 取 样 经 机 加 工 制 成 的 。 这 样 就保 证 了 同一 种 焊 接 型 式 的 同一 种加 强 高 焊缝 的 几何 尺 ． 从 同 一 条焊 缝 的 不 ｊ 是
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焊 接结构 的焊 缝部位 ， 由于存在加 强高使 截面 几何 尺寸 在该 处发生 突变 而产 生应 力集 中。应 力集 中的存 在使焊 接结 构 的疲劳 强度
ｋ ＝ ｛ ＋ ｆ（ 【 ） １ Ｃ ａ ／ （ ） １ １ ｇ（ 一 ｝ （ ）１ ９） 计 算 焊 接 接头 的 应 力 集 中系 数 。
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。
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结构是许多工程领域中常见的构造方式，但在实际使用过程中，焊接结构的疲劳强度往往是一个重要的问题。
下面将介绍一些改善焊接结构疲劳强度的工艺方法。
1. 合理的焊接接头设计：在焊接结构设计阶段，需要考虑到应力集中的问题。
合理的焊接接头设计可以减少应力集中的情况，并提高焊接结构的疲劳强度。
可以采用较大圆角和梯形焊缝等来减少应力集中。
2. 选择合适的焊接材料：为了提高焊接结构的疲劳强度，需要选择具有较高疲劳寿命的焊接材料。
一般来说，高强度低合金钢等材料具有较好的疲劳强度。
此外，还可以考虑采用具有良好韧性和抗应力腐蚀性能的不锈钢等材料来提高焊接结构的疲劳强度。
3. 控制焊接过程中的热输入：焊接过程中的热输入对于焊接接头的疲劳强度有着重要的影响。
过高的热输入会导致焊接接头的硬化和应力集中，从而降低焊接结构的疲劳强度。
因此，需要合理控制焊接过程中的焊接电流、焊接速度和预热温度等参数，以降低热输入，提高焊接结构的疲劳强度。
4. 适当的焊接后处理：焊接后处理可以进一步改善焊接结构的疲劳强度。
常用的焊接后处理方法包括时效处理、表面处理和应力消除等。
时效处理可以使焊接材料的晶体结构重新排列，提高焊接结构的组织稳定性和疲劳寿命。
表面处理可以消除焊接接头的表面缺陷，减少裂纹的产生。
应力消除可以通过热处理或冷却处理来消除焊接接头中的残余应力，减少应力集中，提高疲劳强度。
总之，通过合理的焊接接头设计、选择合适的焊接材料、控制焊接过程中的热输入和适当的焊接后处理，可以有效改善焊接结构的疲劳强度。
这些工艺方法的应用将提高焊接结构的使用寿命和安全性。
同时，需要根据具体的焊接结构和工艺要求，结合实际情况进行技术和经济的综合考虑，以实现最佳的改善效果。
当涉及到改善焊接结构的疲劳强度时，以下是一些额外的工艺方法和措施，可以进一步提高焊接接头的质量和耐久性。
5. 质量管理和监控：焊接过程中的质量管理和监控是确保焊接接头质量的重要环节。
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。
焊接结构疲劳强度相关知识
焊接结构疲劳强度相关知识焊接结构的疲劳强度是指在循环载荷作用下，焊接接头在无限次载荷循环中不会发生破坏的能力。
焊接结构的疲劳强度是较为复杂和重要的一种力学性能，对于确保焊接接头在长期使用中不发生破坏具有重要意义。
下面将介绍与焊接结构疲劳强度相关的各方面知识。
焊接接头的疲劳破坏模式主要有断裂疲劳和表面疲劳。
断裂疲劳是指焊接接头在循环载荷作用下，由于应力集中和裂纹发展所致的破坏。
表面疲劳是指焊接接头表面由于循环载荷的作用而出现的镀层剥落、锈蚀和微小裂纹等破坏形式。
为了保证焊接结构的疲劳强度，需要对焊接接头的设计、工艺、材料选择和检测等方面进行综合考虑。
焊缝设计对焊接结构的疲劳强度具有重要影响。
焊接接头的几何形状和尺寸对疲劳强度的影响很大。
一般来说，焊缝的几何形状应尽量避免应力集中，并应尽量减小焊缝尺寸和长度，以提高疲劳强度。
此外，焊缝的连续性和密度也对疲劳强度具有影响，焊缝的连续性和密度越高，疲劳强度越好。
焊接工艺对焊接结构的疲劳强度具有重要影响。
焊接工艺参数的选择和控制可以影响焊缝的质量和性能，从而影响焊接结构的疲劳强度。
焊接工艺参数主要包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接时间和焊接温度等。
合理选择和控制这些参数可以避免焊接接头出现瑕疵和裂纹等缺陷，提高焊接接头的疲劳强度。
焊接材料对焊接结构的疲劳强度具有重要影响。
焊接材料的物理、化学和力学性能会直接影响焊接接头的性能和疲劳强度。
焊接材料应具有良好的疲劳性能，具有较高的强度和韧性，并且能够适应焊接过程中的热变形和应力集中等问题。
一般来说，焊接材料应与母材具有相似的力学性能，以提高焊接接头的疲劳强度。
焊接接头的疲劳检测对焊接结构的疲劳强度评估和维护具有重要意义。
常用的焊接接头疲劳检测方法包括传统的力学性能试验和现代的无损检测技术。
力学性能试验主要通过加载焊接接头并测量其应力应变关系来评估其疲劳强度，但这种方法需要实际加载焊接接头，成本较高。
无损检测技术主要包括超声波检测、磁粉检测、涡流检测和X射线检测等，可以通过对焊接接头进行非破坏性检测来评估其疲劳强度。
影响焊接结构疲劳强度的工艺因素
影响焊接结构疲劳强度的工艺因素焊接结构的疲劳强度是指其抵抗在循环加载下产生的疲劳裂纹和破裂的能力。
影响焊接结构疲劳强度的工艺因素主要包括焊缝形状、焊接温度、焊接变形和焊接质量等。
首先，焊缝形状是影响焊接结构疲劳强度的重要因素之一、焊缝形状决定了焊接件的应力分布，进而影响了其疲劳强度。
对于相同的焊接接头，不同的焊缝形状会导致不同的应力集中情况。
例如，边缘间距较大的焊角会导致应力集中于焊缝的临近区域，从而降低焊接结构的疲劳强度。
因此，通过合理设计焊缝形状，可以提高焊接结构的疲劳强度。
其次，焊接温度也对焊接结构疲劳强度有着重要影响。
焊接过程中，焊缝和母材受到高温作用，会引起材料的热变形和相变等。
过高的焊接温度会导致过度热影响区的扩展，使焊接结构的组织和性能发生变化，从而降低其疲劳强度。
因此，控制焊接温度，尽量避免高温对焊接结构的不良影响，可以提高焊接结构的疲劳强度。
焊接变形也是影响焊接结构疲劳强度的关键因素之一、焊接过程中，由于热应力和冷却收缩等因素，焊接结构往往会发生变形。
焊接变形会导致焊缝的应力集中，从而降低焊接结构的疲劳强度。
通过合理设计焊接结构和采用适当的焊接顺序，可以减小焊接变形，提高焊接结构的疲劳强度。
最后，焊接质量也对焊接结构疲劳强度有重要影响。
焊接质量的好坏直接影响焊接接头的强度和疲劳寿命。
焊接缺陷如气孔、夹杂物、裂纹等都会降低焊接结构的疲劳强度。
因此，在焊接过程中，需要采取合适的焊接工艺和控制焊接参数，确保焊接质量，提高焊接结构的疲劳强度。
总之，焊接结构的疲劳强度受到多个工艺因素的影响，包括焊缝形状、焊接温度、焊接变形和焊接质量等。
通过合理控制这些工艺因素，可以提高焊接结构的疲劳强度，确保焊接接头的可靠性和使用寿命。
焊接工艺对钢结构构件疲劳性能的影响
焊接工艺对钢结构构件疲劳性能的影响第一章：引言随着钢结构在建筑、桥梁等领域的广泛应用，对其疲劳性能的要求也越来越高。
而焊接工艺作为钢结构制作中不可或缺的一环，对疲劳性能的影响愈来愈受到关注。
本文将围绕焊接工艺对钢结构构件疲劳性能的影响展开讨论，并从实验室和现场两个角度探究焊接工艺对疲劳性能的影响因素以及相关的分析方法。
第二章：焊接工艺对钢结构构件疲劳性能的影响因素2.1 焊接接头形式焊接接头形式是焊接工艺的核心，其形状、尺寸等参数会直接影响焊接接头的强度和疲劳性能。
常见的焊接接头形式包括对接接头、角接接头、搭接接头、T型接头等。
2.2 焊缝形态焊缝形态是决定焊接接头强度的一个重要因素，直接影响着焊缝中的应力分布和裂纹的扩展方向。
目前常见的焊缝形态包括直缝焊缝、环缝焊缝、搭接焊缝等。
2.3 焊接顺序焊接顺序是焊接过程中对于构件整体受力特性及疲劳性能影响较大的一个因素。
正确的焊接顺序有利于提高构件的整体疲劳性能，而错误的焊接顺序则会导致构件的疲劳寿命降低。
2.4 焊接后处理焊接后处理措施主要涉及热处理、喷丸除锈、涂装等，能够对焊接接头的疲劳性能产生重要影响。
热处理能够消除焊接过程中产生的应力，提高构件的整体韧性和疲劳性能；喷丸除锈技术对构件的表面质量有明显的改善，从而有利于提高其疲劳性能。
第三章：焊接工艺对钢结构构件疲劳性能的分析方法3.1 应力范围法应力范围法是目前较为常用的一种疲劳寿命评定方法，其基本原理是通过测量构件内部的应力范围，来评估其疲劳寿命。
该方法的优点为简单易行，但缺点是其评估结果可能与实际寿命存在偏差。
3.2 序列寿命法序列寿命法是一种针对多载荷状态下构件进行疲劳寿命评估的方法。
其基本原理是构建多个不同载荷的加载序列，并结合构件的实际应力情况进行疲劳寿命评估。
该方法能够对构件的多种载荷情况下的疲劳性能进行评估。
3.3 冲击强度试验法冲击强度试验法是评估钢结构构件疲劳性能的一种较为直接的方法，其主要过程是通过对构件进行冲击试验，根据试验结果来评估构件的疲劳性能。
影响焊接结构疲劳强的工艺因素
影响焊接结构疲劳强的工艺因素焊接结构的疲劳强度是指在循环载荷作用下，焊接结构具有一定的耐久能力。
焊接结构的疲劳强度受到许多工艺因素的影响，下面将详细介绍其中几个重要的工艺因素。
1.焊接材料的选择：材料的疲劳强度是影响焊接结构疲劳强度的决定性因素之一、焊接填充材料和母材的选择应考虑到其抗拉强度、塑性韧性、抗疲劳裂纹扩展性能等指标。
通常情况下，焊接结构中的焊缝区域的疲劳强度较低，因为焊缝区域由于焊接过程中的热变形和固化过程，使得焊接材料的微观组织发生不均匀变化，形成了处于一个相对较弱区域。
2.焊接工艺参数：焊接工艺参数的选择对焊接结构疲劳强度也有很大影响。
焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接温度等工艺参数的调整，可以调节焊接热量的输入和分布，从而改变焊接结构的组织和性能，进而影响焊接结构的疲劳强度。
通常来说，采用较小的焊接电流、较高的焊接电压、适当的焊接速度和温度等参数，可以有效减少焊接结构中的焊缝和热影响区域的疲劳强度。
3.焊接缺陷的控制：焊接过程中的缺陷对焊接结构的疲劳强度产生很大的影响。
焊接缺陷包括气孔、夹杂、未熔合、未焊透、裂纹等。
这些缺陷会导致焊接接头的局部应力集中，在循环载荷作用下，易于发生疲劳裂纹的产生和扩展。
因此，在焊接结构中应通过控制焊接工艺、严格执行操作规范等方法，尽可能减少焊接缺陷的产生，以提高焊接结构的疲劳强度。
4.焊接残余应力的影响：焊接过程中会产生很高的温度梯度和应力梯度，导致焊接结构中产生残余应力。
这些残余应力会影响焊接结构的疲劳强度。
残余应力会使焊接接头内部应力场变得复杂，并进一步影响应力集中的位置和大小。
残余应力一方面会加剧焊接接头的局部应力集中，使其更易于发生疲劳裂纹的产生和扩展；另一方面，残余应力会改变焊接结构的形状和尺寸，从而改变焊接结构的应力分布，进一步影响焊接结构的疲劳强度。
综上所述，焊接结构的疲劳强度受到材料选择、焊接工艺参数、焊接缺陷的控制和残余应力的影响。
焊接工程师课程-IWE-3-3.12-13疲劳设计
σ
加工
σ
加工 未加工
r 1 -1
未加工
r 1
-1
0
0
对接-加工影响： 加工VS未加工
09第23期国际焊接工程师班 09第23期国际焊接工程师班 编稿上海交通大学陈立功
十字接头开坡口焊透-加工影响： 加工VS未加工
IWEIWE-3/3.3 12-13接头和结构疲劳强度 12-13接头和结构疲劳强度 12
09第23期国际焊接工程师班 09第23期国际焊接工程师班 编稿上海交通大学陈立功 IWEIWE-3/3.3 12-13接头和结构疲劳强度 12-13接头和结构疲劳强度 3
σ
σa
σmax
σm σmin 0 t
2.2应力循环的基本类型 2.2应力循环的基本类型 σmax、σmin、 σm、 σmax、σmin、 r、σm、σa (1)静态拉、压载荷： (1)静态拉、压载荷： 静态拉 σa=0,r=1, σmax=σmin=σm (2)拉伸变载荷: (2)拉伸变载荷: 拉伸变载荷 0<r<1,0<σmin<σmax (3)脉动载荷： (3)脉动载荷： 脉动载荷 r=0,σmin=0 (4)对称载荷: (4)对称载荷: 对称载荷 σmin＝ r=σmin＝σmax, r=-1 (5)随机变载荷： (5)随机变载荷： 随机变载荷 幅值、循环特征等呈随机变化的疲劳载荷。 幅值、循环特征等呈随机变化的疲劳载荷。
疲劳断裂 疲劳 不敏感 需几十～ 需几十～几百万次 需较长或很长时间 “张开－闭合”循环 张开－闭合” 张开 张开－扩展， 张开－扩展， 闭合－硬化、锐化 闭合－硬化、 带有幅射线的贝壳纹 疲劳辉纹
2
2 疲劳强度的基本概念 2.1 疲劳应力循环应力的五个基本参数 σmax、σmin、 σm、 σmax、σmin、 r、σm、σa (1)最大主应力: (1)最大主应力: 最大主应力 σmax＝σm＋σa＝ σmin/r σmax＝σm＋σa＝ (2)最小主应力: (2)最小主应力: 最小主应力 σmin＝σm＋σa＝ σmin σmin＝σm＋σa＝ r·σmin (3)应力循环特征系数: (3)应力循环特征系数: 应力循环特征系数 r=σmin/σmax=(σmσm＋ r=σmin/σmax=(σm-σa)/( σm＋σa); -1≤ r ≤1 (4)平均应力: (4)平均应力: 平均应力 σm=(σmax+σmin)/2=σmax·(1+r)/2 σm=(σmax+σmin)/2=σmax (1+r)/2 (5)应力幅值: (5)应力幅值: 应力幅值 σa=(σmax-σmin)/2=σmin (1 (1σa=(σmax-σmin)/2=σmin·(1-r)/2
焊接钢结构的疲劳强度
焊接钢结构的疲劳强度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担较大的负载重量，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，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。
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。
造成上述结果的原因是由于在接头焊趾部位沿溶合线存在有类似咬边的熔渣楔块缺陷。
该尖锐缺陷是疲劳裂纹开始的地方，相当于疲劳裂纹形成阶段，因而接头在一定应力幅值下的疲劳寿命，主要由疲劳裂纹的扩展阶段决定。
这些缺陷的出现使得所有钢材的相同类型焊接接头具有同样的疲劳强度，而与母材及焊接材料的静强度关系不大。
1、接头类型的影响焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、T 形接头和搭接接头，在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。
对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也将高于其他接头形式。
但实验表明，对接接头的疲劳强度在很大范围内变化，这是因为有一系列因素影响对接接头的疲劳性能的缘故。
如试样的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊条类型、焊接位置、焊缝形状、焊后的焊缝加工、焊后的热处理等均会对其发生影响。
具有永久型垫板的对接接头由于垫板处形成严重的应力集中，降低了接头的疲劳强度。
这种接头的疲劳裂纹均从焊缝和垫板的接合处产生，而并不是在焊趾处产生，其疲劳强度—般与不带垫板的最不佳外形的对接接头的疲劳强度相等。
十字接头或T 形接头在焊接结构中得到了广泛的应用。
在这种承力接头中，由于在焊缝向基本金属过渡处具有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高，因此十字或T 形接头的疲劳强度要低于对接接头。
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裂纹的扩展
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
在循环载荷作用下，微观裂纹稳定扩展成为大小 与构件宏观尺寸（如板厚）相当的临界宏观裂纹 的过程。
这一过程在总寿命中占主要部分。
裂纹失稳断裂
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
当应力幅低于某值时，应力循环无数次也不会发生 疲劳破坏，此时的应力幅称为材料的“疲劳极限”。
应力比为r时，疲劳极限——σr
如：r=-1，疲劳极限写作σ-1
对称交变载荷（对称循环应力）
疲劳曲线
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
循环载荷试验
试验时用一光滑（或带缺口）试件或实际构件， 使其受周期性重复（通常为正弦型）的恒幅载荷 （拉伸、压缩、弯曲、扭转）作用，直至出现裂纹 或完全断裂。
❖ 通常为明暗交替的有规则的相互平行的条纹。一般
每一条条纹代表一次载荷循环。疲劳条纹的间距在 0.1~0.4μm之间。
❖ 面心立方金属的疲劳条纹清晰明显，体心立方金属
和密排六方结构金属的疲劳条纹不太明显。
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
疲劳辉纹和贝壳状条纹的区别
❖ 辉纹是一次应力循环中裂纹尖端塑性钝化形成的痕
低周疲劳
材料在接近或超过其屈服点的循环应力作用下， 经低于105次塑性应变循环而产生的疲劳。受应变 幅控制，又称“应变疲劳”。
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
4、疲劳寿命和疲劳极限
变动载荷
变动载荷是指载荷大小、方向、波形、频率和应力 幅随时间发生周期性或无规则变化的一类载荷。
变动载荷或应力循环特性主要用下列参量表示：
根据结构形式而定。
对于承力构件，可以定义为扣除裂纹面积的净截 面已不能再承受所受应力时为断裂阶段。
对于压力容器，则把出线泄露时定义为断裂阶段 的开始。
2、疲劳断裂的特征
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
一般把断口分成三个区，分别与疲劳裂纹的形成、 扩展和瞬时断裂三个阶段相对应。
疲劳裂纹源区 疲劳裂纹扩展区 瞬时断裂区
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
1、应力集中的影响
焊接接头中：设计、接头形式和各种缺陷（如未焊 透、咬边等）是产生应力集中的主要原因，也是降低结 构动载强度的主要因素。
所以确定合理的结构形式，选择适当的焊接接头， 采用良好的焊接工艺是提高焊接结构动载强度的有效措 施。
疲劳破坏的基本特征和类型
影响焊接结构疲劳强度的因素
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
1、疲劳断裂的过程
疲劳断裂一般由三个阶段组成：
裂纹的形成（萌生） 裂纹的扩展 失稳断裂
三个阶段之间没有严格界限，因此定义带有一 定的随意性。
裂纹的形成
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
裂纹萌生初期：包括位错在滑移面内的运动、在 晶粒内伴随位错运动出现滑移带和滑移带上材料 形成微观分离。
瞬时破断区
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
❖ 又称“最终破断区”。是疲劳裂纹扩展到临界尺寸
后的快速破断。
❖ 与静载拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同，
有时仅有剪切唇无放射区。
❖ 对于脆性材料，瞬时破断区为结晶状脆性断口。
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
疲劳断口的微观形貌特征
❖ 微观特征为疲劳条纹，又称疲劳辉纹。
疲劳寿命
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
通常的焊接接头疲劳试验中，一般不测量疲劳裂纹 的萌生寿命Ni，仅记录破坏寿命Nf。
疲劳破坏寿命包括裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命两 部分，即Nf=Ni+Np。
工程上将裂纹深度定义为0.25mm（表面裂纹长度 约 为 1.5~2.5mm ） 来 定 义 Ni ， 此 时 Ni 相 当 于 Nf 的 50%~60%以上。
根据试件在裂纹萌生或完全断裂时所受的应力 循环次数N与载荷幅或应力幅做出疲劳曲线，即S-N 循 环 基 数 N0 ： 两 直 线交点的横坐标
条 件 疲 劳 强 度 ： 指 定 N0 （ 一 般 为 107 或 更 高 ） 下 的 中值疲劳强度；
若 为 N （ 小 于 107 ） 次 应力循环，对应于斜直线上 的最大应力或应力幅，称为 N次循环的中值疲劳强度。
迹，相邻的贝纹线间可能有成千上万条辉纹。
❖ 有时宏观断口上看不到贝壳纹，但电镜下仍可看到
疲劳辉纹。
❖ 面心立方金属的疲劳条纹清晰明显，体心立方金属
和密排六方结构金属的疲劳条纹不太明显。
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
3、疲劳破坏的基本类型
高周疲劳
材料在低于屈服点的循环应力作用下，经105以上 循环次数而发生的疲劳。受应力幅控制，又称 “应力疲劳”。
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
疲劳裂纹源区
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
❖ 一般很小，宏观上难以分辨疲劳裂纹源区的断面特
征。
❖ 疲劳裂纹源一般总发生在表面，但若构件内部存在
缺陷，也可在构件内部发生。
❖ 疲劳源数目有时不止一个，有两个甚至更多。对于
低周疲劳，断口上常有几个位于不同位置的疲劳源。
第五章
焊接接头和结构的疲劳强度
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
§1 疲劳的基本知识 §2 提高焊接接头疲劳强度的措施 §3 焊接结构的断裂分析
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
§1 疲劳的基本知识
疲劳：在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生 局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生的裂纹 或突然发生完全断裂的过程。
疲劳裂纹扩展区
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
❖ 宏观形貌常呈现为贝壳状或海滩波纹状条纹，而且
条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进呈弧形 线条，并且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。
❖ 恒应力或恒应变实验时，断口一般无此特征，此时
疲劳断口光滑呈细晶状。
❖ 疲劳台阶：一些薄板件，其断口上有明显的疲劳台
阶。
σmax、σmin σm、σa r
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
σmax— 变 动 载 荷 或 应 力 循 环 内的最大应力； σmin— 变 动 载 荷 或 应 力 循 环 内的最小应力； σm—平均应力； σa—应力振幅或应力半幅； r —应力循环特性系数或应 力循环对称系数。
疲劳极限
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度