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。
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。
焊接钢结构疲劳破坏的机理及原因分析
管理及其他M anagement and other 焊接钢结构疲劳破坏的机理及原因分析俞 骏摘要：随着经济的迅速发展，社会各个领域也得到进一步发展。
设备制造领域的发展速度也愈加飞速，此二者之间呈现着相互促进的态势，由此一来也就为设备制造业的发展创造出了较为优质的环境。
在现阶段的发展中，焊接工艺技术已开始频繁的运用于工程项目的建造中，要提高工程施工产品质量，要非常重视优化钢构焊接工艺技术，深刻认识焊接工艺的必要性，以提高工程焊缝品质和整体水平，为建筑行业的发展拓宽了发展空间。
关键词：焊接；钢结构；细节疲劳；裂纹成因；解决对策1 钢结构焊接变形的种类和起因钢结构件焊接变形，一般是由多种因素造成的，造成变形的相关因素归纳总结如下，焊接变形主要分为三种：延伸变形，扭曲变形和焊缝变形。
其中延伸变形是由材料的温度变化引起材料热膨胀系数变化导致的。
扭曲变形是由焊接时的方法和顺序不同，引起材料局部的结构承载能力变化所产生的。
另外，整体结构中的焊缝位置的选择不当，也会导致焊缝的处的受力形式和大小改变，从而形成焊缝变形。
1.1 材料和温度不同的钢材有不同的温度和不同的热胀与冷缩系数。
因此焊接加热时对温度也有较高的要求。
温度有高有低，特别是在高温或即将达到金属的温度时。
它们的热膨胀效应是完全不同的。
这种差异的影响也称为变形。
就算是同一类金属材料，当温度升高时，焊缝和周围区域也会延伸，从而引起变形。
在焊接的过程中，焊接部分的温度变化会十分剧烈，选用不同的焊材和母材都会对焊接效果形成一定的影响，其中主要是由材料的热学性能和力学性能差异性所导致的，每一种材料都有其独特的热学性能，这就意味着不同材料的热传导系数不一样，在同样的温度变化条件下，热传导性能大的材料，往往会产生比较小的变形。
在不同材料的力学性能研究中，热膨胀系数对材料焊接的影响尤为重要，材料的形变会随着系数的降低而显著减少。
在不断的焊接升温过程中，就算是同种材料的屈服极限和弹性模量也会产生变化，一般而言，材料的弹性模量的减小会导致材料形变的加剧，另外，较高的屈服极限可能会使得焊接结构处收到较大的内力影响，加剧了材料损坏的风险性。
焊接结构疲劳失效的产生原因与预防措施
焊接结构疲劳失效的产生原因与预防措施
赵子豪， 刘德刚
（ 南车青岛四方机车车辆股份有限公司 高速列车系统集成国家工程实验室（ 南方） ， 山东 青岛 266111） 摘要：随着焊接结构的广泛应用， 焊接结构的疲劳失效问题越来越受到关注。研究焊接结构疲劳失效的产生原因以及预 防措施具有重要意义。本文介绍了应力集中、 焊接残余应力、 焊接缺陷和金相组织发生改变等引起焊接结构疲劳失效的 常见原因， 阐述了针对各种原因的预防焊接结构疲劳失效的若干措施， 以提高焊接结构的抗疲劳破坏能力。 关键词： 焊接结构 疲劳失效 应力集中 残余应力 中图分类号：TG405 文献标识码：A 文章编号：1002 － 6886（2012）01 － 0064 － 04
焊接结构接头的焊缝区域一般存在着诸如裂纹、 夹 渣、 气孔、 咬边和弧坑等焊接缺陷， 这些焊接缺陷是焊接结 构的固有特性。这些焊接缺陷对接头的静力性能的影响 一般不十分明显， 但是对焊接结构的疲劳性能影响却十分 显著。 1） 裂纹最有可能引起脆性断裂， 就位置而言， 表面裂 能够大幅 纹是最有害的。裂纹还是最严重的应力集中源， 度降低焊接结构或接头在交变载荷下的疲劳强度。焊接 焊缝间隙较大、 母材边缘杂质过多、 焊接电流过 过程中，
［ 8 ］ 激起构件的共振 ， 引起金属材料内部晶体错 合热到很高温度达到熔点。 从熔点到常温， 焊缝金属内部的金相组织会发生变化。由 焊缝金属冷却下来要发生体积的 于各种组织的比容不同， 变化， 这种体积的变化同样也会受到周围组织变化的约 从而会使金属的内部组织产生应力， 应力的存在会影 束， 响焊接结构的疲劳强度。
［ 2 ］ 截面的整体变形也都会使焊接结构出现应力集中现象 。
1） 母材在生产制造或加工过程中， 例如铸造、 锻造、 轧 制、 浇注、 挤压、 热处理、 淬火等工艺均会产生一定的残余 应力。这些残余应力会对焊接过程中的应力演变产生一 定作用， 进而会影响焊接结构的应力分布和应力水平。 2） 材料在焊接热循环中发生的各种类型的冶金相变 对焊接残余应力有着很大影响， 大部分材料在焊缝区的残 余应力为拉应力， 而由于发生了相变， 影响了焊接过程中 塑性应变的积累， 最后可能导致焊缝区出现残余压应力。 3） 若给焊件增加约束， 在焊接加热过程中， 焊缝金属 的热膨胀受到限制， 并且在冷却过程中的收缩也受到限 制， 进而影响了焊接过程热应力的演变过程， 最终影响到 焊接残余应力的大小及分布。 4） 焊接顺序对焊接残余应力和变形的影响较大。焊 接顺序的不同会使焊接残余应力的峰值也是不同的。 5） 焊接结构焊接以后通过适当的方法， 如焊后锤击、 滚压、 逐点挤压、 机械拉伸、 振动时效、 温差拉伸、 爆炸等方 法都可以降低其焊接残余应力。
焊接接头的疲劳寿命预测与优化方法研究
焊接接头的疲劳寿命预测与优化方法研究引言：焊接接头是工程结构中常见的连接方式，它的质量直接影响到结构的安全性和可靠性。
在实际应用中，焊接接头常常会受到疲劳载荷的作用，长期受力容易导致疲劳破坏。
因此，对焊接接头的疲劳寿命进行预测和优化是非常重要的。
一、焊接接头疲劳寿命的预测方法1.1 经验公式法经验公式法是一种简单而常用的焊接接头疲劳寿命预测方法。
它基于试验数据和经验公式，通过对焊接接头的几何形状、材料性能和载荷条件进行分析，得出疲劳寿命的预测结果。
然而，由于经验公式法没有考虑到焊接接头的细节和复杂性，预测结果的准确性有限。
1.2 数值模拟法数值模拟法是一种基于有限元分析的焊接接头疲劳寿命预测方法。
它通过建立焊接接头的有限元模型，考虑材料的非线性、接触和热力耦合等因素，模拟焊接接头在疲劳载荷下的行为，并预测其疲劳寿命。
数值模拟法可以提供较为准确的疲劳寿命预测结果，但需要大量的计算资源和较长的计算时间。
二、焊接接头疲劳寿命的优化方法2.1 材料优化焊接接头的材料选择对其疲劳寿命有着重要影响。
优选高强度、韧性和抗疲劳性能良好的材料，可以提高焊接接头的疲劳寿命。
此外，采用表面处理、热处理等方法，可以进一步改善焊接接头的材料性能。
2.2 结构优化焊接接头的结构设计对其疲劳寿命同样至关重要。
通过减小焊接接头的应力集中区域、改善焊缝形状、增加半径过渡等措施，可以降低焊接接头的应力集中程度，提高其疲劳寿命。
此外，合理设计支撑结构和增加补强件等方法也可以有效提高焊接接头的疲劳寿命。
2.3 工艺优化焊接接头的工艺参数对其疲劳寿命有着重要影响。
通过优化焊接接头的焊接工艺参数，如焊接电流、焊接速度、焊接温度等，可以改善焊接接头的疲劳寿命。
此外，采用预热、后热处理等工艺措施，也可以提高焊接接头的疲劳寿命。
三、焊接接头疲劳寿命预测与优化方法的应用案例以某桥梁焊接接头的疲劳寿命预测与优化为例，通过数值模拟法建立焊接接头的有限元模型，考虑接头的几何形状、材料性能和载荷条件等因素，预测焊接接头的疲劳寿命。
影响焊接结构疲劳强度的因素清单
影响焊接结构疲劳强度的因素清单目录1.焊接结构的疲劳断裂: (1)2.焊接缺陷引起的应力集中： (2)3.按疲劳破坏的原因分为： (2)3.1.疲劳破坏的原因划分 (2)3.2.材料强度对接头疲劳强度的影响： (2)3.3.焊接缺陷其它因素对接头疲劳强度的影响： (3)3.4.疲劳破坏及影响因素（疲劳裂纹形成过程）： (3)3.5.疲劳断口可分成三个区域： (3)3.6.焊接接头疲劳强度计算（疲劳设计方法分类）： (3)3.7.静载强度对焊接结构疲劳强度的影响 (3)4.应力集中对疲劳强度的影响 (4)4.1.接头类型的影响 (4)4.2.焊缝形状的影响 (5)4.3.焊接缺陷的影响 (6)5.焊接残余应力对疲劳强度的影响 (7)1.焊接结构的疲劳断裂：•疲劳断裂是指机件在变动载荷下经过较长时间运行发生的失效现象•疲劳断裂呈低应力脆性断裂性质①断裂发生在较低的应力下，其最大循环应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度；②断裂部位无宏观塑性变形；③断裂呈突发性，没有预先征兆；④疲劳断裂在交变应力作用下经过数百次，甚至几百万次循环才发生。
•疲劳断裂呈损伤积累过程①金属材料内部组织首先在局部区域发生变化并受到损伤；②损伤逐渐积累，并到一定程度后发生疲劳断裂；③疲劳断裂三个阶段：疲劳裂纹的形成、扩展、断裂。
•疲劳断裂是焊接钢结构失效的一种主要形式，在焊接结构断裂事故中，疲劳失效约占90%。
如：船舶及海洋工程结构、铁路及公路钢桥以及高速客车转向架等。
2.焊接缺陷引起的应力集中：・焊接缺陷一一应力集中源，对接头疲劳强度的影响程度取决于缺陷的种类、方向和位置。
•缺陷种类：平面状缺陷（如裂纹、未熔合等）体积型缺陷（如气孔、夹渣等）⑴裂纹：如热裂纹、冷裂纹，是严重的应力集中源，大幅度降低结构及接头的疲劳强度。
如裂纹面积约为试件横截面积的10%时，在交变载荷作用下，接头2X106循环寿命的疲劳强度下降了55%~65%.⑵未焊透：◎未焊透并非都是缺陷，有些结构要求接头局部焊透；◎未焊透缺陷：①表面缺陷（单面焊缝）；②内部缺陷（双面焊缝）；◎未焊透缺陷对疲劳强度的影响不如裂纹严重。
焊接对钢结构疲劳的影响及预防措施
焊接对钢结构疲劳的影响及预防措施焊接对钢结构疲劳的影响及预防措施自从20世纪初涂药焊条发明至今100年来，焊接已经成为应用最广泛的工艺方法，很难找出另一种发展如此之快，并在应用规模和多样化方面能与焊接相比的工艺，以至于当代许多最重要的技术问题必须采用焊接才能解决，例如造船、铁路、汽车、航空、航天、桥梁、锅炉、大型厂房和高层建筑等都离不开焊接技术的支持。
目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的50%以上，工业发达国家的这一比例已经接近70%。
然而焊接结构经常发生断裂事故，其中80%为疲劳失效。
在我国，焊接结构因疲劳问题而失效的工程事例也不断出现。
例如，90年代末，高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂，以及水轮机叶片根部的疲劳断裂等，都给国家和企业造成了巨大的经济损失。
所谓疲劳是指在循环应力和应变作用下，在一处和几处产生局部永久性积累损伤，经一定的循环次数后产生的裂纹或突然发生断裂的过程。
疲劳断裂是金属结构断裂的主要形式之一。
大量的统计资料表明，工程结构失效约80%以上是由疲劳引起的。
钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。
疲劳破坏的主要影响因素是应力幅、循环次数和应力集中。
一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。
对于钢结构.实际上只有后两个阶段，因为结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹的作用疲劳破坏的起始点多数在构件的表面。
对非焊接构件，表面上的刻痕、轧钢皮的凹凸、轧钢缺陷和分层以及焰割边不平整，冲孔壁上的裂纹，都是裂源可能出现的地方。
对焊接构件，最经常的裂源出现在焊缝趾处，那里常有焊渣侵入。
有些焊接构件疲劳破坏起源于焊缝内部缺陷，如气孔、欠焊、夹渣等。
一、影响焊接疲劳强度的主要因素1．应力集中对疲劳强度的影响影响焊接结构几何不连续性的因素，都将影响应力集中和疲劳强度。
(1)焊接结构的几何形状结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中。
焊接结构的疲劳
3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。
r min 1 max
m 0
0 r 0
max
m
max 2
r min 0
m
min 2
0
r0
mm 0
0 r 1
＜0
max max
＜0
＞0
min
=0
= max
min
=1
min
图2 常幅应力循环的谱
(a)完全对称循环
(b)脉冲循环
(c)不完全对称循环
(d)不完全对称循环
图3 变幅应力循环的谱
反复荷载引起的应力循环形式有同号应 力循环和异号应力循环两种类型。
循环中绝对值最小的峰值应力与绝对值 最大的峰值之比称为应力循环特征值，当 为拉应力时，或取正号；当为压应力时， 或取负号。
2、热疲劳。工作过程中，受反复加热和冷 却的元件，在反复加热和冷却的交变温度 下，元件内部产生较大的热应力，由于热 应力反复作用而产生的破坏称为热疲劳。
例如，某电厂水冷壁下的集箱（15钢）在 长期运行中受热不均匀经受较大的交变热 应力，致使集箱产生热疲劳破坏。
1、基本概念 在循环热应力和热应变作用下，产生的
此外，脆断受温度的影响特别显著，随着温 度的降低，脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度 却受温度的影响比较小。
一、疲劳断裂示例
1、疲劳断裂的示例：
疲劳事故最早发生在 19 世纪初期。疲劳一般 从应力集中开始，而焊接结构的疲劳又往往是从 焊接接头处产生，下图 是几个典型的焊接结构疲 劳断裂事例。
在桥壳失效原因分析中的应用ANSYS
在桥壳失效原因分析中的应用ANSYS-WORKBENCH辽宁曙光汽车集团股份有限公司开发的65型驱动桥桥壳在顺利完成台架强度、刚度试验后，在进行疲劳耐久性试验时发现个别桥壳在桥管与半轴套管焊接处出现局部早期开裂现象，导致疲劳寿命无法满足要求，而且存在同一批次的几根试验桥寿命差距很大的问题。
为此，该公司利用ANSYS-WORKBENCH软件进行相关结构分析，并结合其他检测手段，找出了原因。
辽宁曙光汽车集团股份有限公司研制生产的65型驱动桥，是为国内主机厂配套的主要车桥产品，在研制之初台架试验时，发现同一批次的产品疲劳寿命相差很大，有近一半样件不能满足疲劳寿命要求，出现早期断裂现象。
为找到失效原因，在对失效样桥断口进行分析后，初步判断可能是由于焊接质量不高，导致局部缺陷而影响了整桥寿命。
为验证这一初步分析结论，并为后续装车实验、产品定型和批量生产工艺改进提供理论指导，我们利用ANSYS-WORKBENCH软件中的接触功能对该桥的不同焊接质量进行了有限元模拟分析。
国内外汽车驱动桥桥壳分析的研究和发展概况汽车的驱动桥位于传动系的末端，其基本功能是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左、右驱动车轮，并使左、右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架或车厢之间的铅垂力、纵向力和横向力。
在一般的汽车结构中，驱动桥包括桥壳、差速器、驱动车轮的传动装置及主减速器等部件。
驱动桥桥壳是汽车上的重要零部件之一，而非断开式驱动桥的桥壳又同时起着支承汽车荷重的作用，并将载荷传给车轮。
在汽车行使过程中，桥壳承受着复杂的载荷作用，作用驱动车轮上的牵引力、制动力、侧向力和垂向力也是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上。
因此桥壳既是承载件又是主要的传力件，同时它又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置（如半轴）的外壳，设计时必须考虑在动载荷下桥壳有足够的强度和刚度。
对于驱动桥桥壳这样几何形状与组成、加工工艺与工序等都比较复杂的机械零部件，由于受载后的应力分布，疲劳性能一般不太容易通过标准试件的试验得到，理论计算也难以把各种工艺条件等都反映在其分析模型中。