焊接结构疲劳强度
动载焊接结构设计Ⅲ(疲劳强度寿命计算)
****动载焊接结构的设计1、 焊接结构疲劳强度设计的一般原则设计过程可分为以下三个步骤：⑴ 考虑实用性，进行功能设计 根据结构未来的工作情况，合理地提出结构的承载能力、强度、刚度、耐蚀度、使用寿命等比较具体的要求。
考虑安全性，这些要求不能太低；考虑经济性，这些要求也不能过高。
⑵ 进行方案设计 根据上述要求，选择确定结构材料、结构构造形式、传动形式、自动化程度、控制方式、生产制造工艺等综合设计方案，它们互相联系，又互相制约；⑶ 进行具体的施工图设计 绘图前，进行必要的计算，以便确定结构的重要尺寸。
我们要讲的是如何合理选择动载焊接结构、焊接接头的结构形式和怎样进行必要的计算。
设计动载焊接结构必须特别强调两点：① “动载”，对应力集中非常敏感；②焊接接头属于刚性连接形式，对应力集中也比较敏感。
而且“焊接结构”难免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力集中现象。
因此，设计动载焊接结构时，必须注意以下几点：⑴ 承受拉伸、弯曲、扭转的构件，截面面积变化时，尽量保持平顺、圆滑的过渡，尽量防止或减小构件截面刚度突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集中。
⑵ 对接、角接、丁字、十字接头等，均应优先采用对接焊缝，少用角焊缝； ⑶ 单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾处，既有偏心弯矩的作用，又有严重的应力集中，承受疲劳载荷的能力很低，必须尽量避免采用这种接头形式；⑷ 承受疲劳载荷的角焊缝（未焊透的对焊缝，也看作角焊缝），危险点在应力集中比较严重的焊缝根部或焊趾处。
应采用如下措施：① 开坡口，加大熔深，减小焊缝根部的应力集中；② 将焊趾处加工成圆滑过渡的形状，减小焊趾的应力集中；⑸ 处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其它严重的应力集中处（如裂纹），应设置缓和槽、孔，以便降低应力集中的影响。
总之，应采取一切措施，排除或减小应力集中的影响。
2、疲劳强度的许用应力设计法我国钢结构标准，原设计规范基本金属及连接的疲劳计算中，采用疲劳许用应力。
高速动车组钢制焊接结构疲劳强度的研究方法对比分析
高速动车组钢制焊接结构疲劳强度的研究方法对比分析摘要：伴随我国经济的快速增长，推动了铁路运输的发展步伐，列车承载结构使用日益趋于多样化。
在物质生活提高的当今社会，人们对于铁路交通运输安全性要求越来越高，虽然动车组的出现在很大程度上满足了人们需求，但是对于动力转向架焊接架构载荷提出了较高的要求。
基于此本文重点针对高速动车组钢制焊接结构疲劳强度中的名义应力法、热点应力法、缺口应力法、等效结构应力法进行了对比分析，主要从原理、优劣点进行了阐述，希望为工程设计人员合理评估高速动车组钢制焊接结构疲劳强度提供依据。
关键词：高速动车组；钢制焊接结构；疲劳强度；研究方法引言目前我国机车车辆各关键承载部件的疲劳强度的评估主要是参照European Rail Research Institute B12/RPl7报告给出的方法和Goodman曲线进行评定。
在高速动车组钢制焊接结构的强度评估中，被参考较多的是日本的JIS E 4207标准，但是该标准中的疲劳容许应力的测试条件不够明确，其数值的适用性也有待检验，导致工程技术人员在进行钢制焊接结构的强度评估时无法很好的把握。
鉴于此，该文针对高速动车组钢制焊接结构疲劳强度评估中的疲劳容许应力展开分析验证，以期为减少焊缝的打磨工作量，需要得到准确的实际接头的疲劳性能，对比打磨与非打磨焊缝的差异，为降本增效提供数据支撑。
1高速动车组钢制焊接结构疲劳强度名义应力法原理及优缺点1.1原理名义应力法是根据应力和应力集中系数，以结构的名义应力为实验和寿命估算的基础，结合材料的S-N曲线，按线性累积损伤理论估算结构疲劳寿命。
名义应力是忽略焊接接头的局部应力增长效应，而在所研究的截面中计算出来的应力由于复杂的几何效应，焊接接头无明确定义名义应力，且结构的不连续性与分类构件细节没有可比性。
这种计算方法适用于焊趾的评估。
名义应力的计算：材料力学的梁理论计算公式：式中： -广义名义应力； -因为宏观几何不连续进而导致的应力集中因数； -因为焊接接头错位导致的应力集中因数，此因数由轴向的错位和角度偏差共同决定，分别记为和，按公式（1）计算，即可得到。
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。
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。
焊接接头和结构的疲劳强度
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σr。
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=σrw /σr(对于σ⊥或σ∥) γ=τrw/τr(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。
(仅供参考)焊点疲劳强度研讨
焊点疲劳强度研讨一．疲劳强度电子元器件的焊点必须能经受长时间的微小振动和电路发散的热量。
随着电子产品元器件安装密度的增加，电路的发热量增加，经常会发生焊接处的电气特性劣化，机械强度下降或出现断裂等现象。
材料在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。
疲劳是一种低应力破坏。
二．提高疲劳强度性能的方法2．1提高焊点的可靠性提高焊点可靠性的最好方法有三个：提高焊点合金的耐用性；减少元件与PCB之间热膨胀系数（CTE）的失配；尽可能按照实际的柔软性来生产元件，向焊点提供更大的应变；2．1．1提高焊点合金的耐用性2．1．1．1选择合适的焊膏2．1．1 润湿性能对于焊料来说，能否与基板形成较好的浸润，是能否顺利地完成焊接的关键。
如果一种合金不能浸润基板材料，则会因浸润不良而在界面上产生空隙，易使应力集中而在焊接处发生开裂。
焊料的润湿性主要的指标浸润角和铺展率。
从现象上看，任何物体都有减少其自身表面能的倾向。
因此液体尽量收缩成圆球状，固体则把其接触的液体铺展开来覆盖其表面。
如果液体滴在固体表面，则会形成图一所示的情况。
图二和图三分别表示浸润不良和良好的现象。
θ为浸润角，显然浸润角越小，液态焊料越容易铺展，表示焊料对基板的润湿性能越好。
a. 当θ<900，称为润湿，B角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面展开；b. 当θ>90时称为不润湿，B角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，越容易收缩成接近圆球的形状;c. 当θ=00或180“时，则分别称为完全润湿和完全不润湿。
通常电子工业焊接时要求焊料的润湿角θ<200。
影响焊料润湿性能主要有:焊料和基板的材料组分、焊接温度、金属表面氧化物、环境介质、基板表面状况等。
IPC－SPVC用润湿力天平来测量并用润湿时间以及最大润湿力来表示的方法评估了不同组成的 SAC 合金的润湿性，结果发现其中（零交时间与最大润湿力）并无差异，见图4。
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
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。
焊接结构的疲劳
交变载荷：载荷大小和方向 随时间发生周期变化的载 荷。
疲劳断裂：零件在交变载荷 下经过长时间工作而发生 断裂的现象成为疲劳断裂。
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
第五级图111咬边在不同位置载荷作用下对疲劳强度的影响第五级图111未焊透在不同位置载荷作用下对疲劳强度的影响不同材料具有不同的缺口敏感性同样尺寸的缺陷对不同材料焊接结构的疲劳强度影响并不相同未焊透对五种材料疲劳强度的影响见下图由图中可以看出随着未焊透的增加疲劳强度迅速下降并且以1cr18ni9ti奥氏体不锈钢的下降幅度为最大尽管这种材料在静载和一第五级图111未焊透百分比对疲劳强度的影响1机械化氩弧焊3机械化氩弧焊4机械化氩弧焊5低碳钢埋弧焊零件的表面缺陷如裂纹刀痕等对其强度影响不大但疲劳极限有显著影材料表面状态mpa1mpa45钢正火光滑656280有刀痕65414540cr淬火200回火光滑1947780有刀痕1922300问答题焊接结构中在接头部位由于具有不同的应力集中将对接头的疲劳极限产生程度不同的不利影响
m 0
火车轴（弯曲） 齿轮齿根 曲轴（扭转） （弯曲）
球轴承
连连杆杆
缸盖螺钉
（压缩） （（小小拉拉大大压压）） （大拉小拉）
二、疲劳断裂概念
2.疲劳破坏的概念 钢材在连续反复荷载作用下，其应力虽
然没有达到抗拉强度，甚至还低于屈服强 度时，也可能发生突然破坏，这种现象称 为疲劳破坏。钢材在疲劳破坏之前，没有 明显的变形，是一种突然发生的脆性断裂， 所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性 破坏。
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。
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，由于疲劳而失效的金属结构约占结构的90%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、σmix、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。
变动载荷是指载荷的大小、方向或大小和方向都随时间发生周期性变化（或无规则变化）的一类载荷。
变动载荷的变化是如此的不同，那么该怎样来描述它的特性呢？除了无规则的变动载荷外，变动载荷的特性可用下列几个参量表示：σmax：应力循环内的最大应力σmin：应力循环内的最小应力σm =（σmax + σmin）/2：平均应力σa =（σmax－σmin）/2：应力幅值r =σmix /σmax：应力循环特征系数，r的变化范围是－∞～+1下面介绍几种典型的具有特殊循环特性的变动载荷：1、对称交变载荷应力波形如图，由图可见：这种变动载荷的σmin =－σmax应力循环特征系数r =－1 。
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§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹断口分析图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳强度表示法
在静强度计算中，所用材料的强度指标是屈服 极限σS和强度极限σb，静载强度计算的出发点是 名义应力(或称基本应力)，而疲劳强度计算中， 所用材料的强度指标是疲劳极限σr，计算的出发 点是是局部应力(或称峰值应力)。
由于该公式中有材料的KIC值，对于高韧性材 料无法测得KIC的该公式不适用。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(华格表达式 )
da
dN
C
max 1 r m
n
m、n、C―与材料和介质有关的常数 当m=1时与帕瑞斯表达式完全一致
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算)
载荷种类图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
σmax―σm表示的疲劳图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
σmax-σmin表示的疲劳图
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展研究中应用(裂纹亚临界扩展)
裂纹受到一个低于σc但有足够大的循环应力时，则 初始裂纹会由起始尺寸a0逐渐扩展到临界尺寸ac，这 一过程称为疲劳裂纹的亚临界扩展。
1. 低 周 高 应 变 疲 劳 ： 作 用 的 应 力 超 过 弹 性 范 围 ， 疲劳循环次数小于104~105
2. 高周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服极 限，疲劳破坏的应力循环次数大于04~105
§5-1 疲劳破坏及影响因素
应力应变循环图(小载荷)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
应力应变循环图(大载荷)
第五章 成型结构疲劳强度
§5-1 疲劳破坏及影响因素 §5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的
应用 §5-3 焊接接头疲劳强度计算 §5-4 影响疲劳强度的因素及提高疲劳强
度的措施
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳断裂分类
按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲 劳
按应力大小和应力循环次数分为
2. 脉动载荷：σmin=0 r=0 疲劳强度用σ0表示
3. 拉伸变载荷；0<r<1 疲劳强度用σr表示
σmax―循环最大应力；σmin―循环最小应力； σm=σmin+σmax/2 (平均应力)； σa=σmin-σmax/2 (应力振幅)； r=σmin/σmax (应力循环特性系数)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
可以分为两种类型来研究裂纹的亚临界扩展：裂纹 在裂纹尖端弹性区的扩展和裂纹在塑性区的扩展。在 前一种情况，裂纹长度远远超过裂纹尖端塑性区的尺 寸，承受低载荷、高循环、低裂纹扩展速率的属于该 情况；当裂纹尺寸远小于塑性区尺寸，并承受高载荷、 低循环、高裂纹扩展速率属于后者情况。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展研究中应用(裂纹扩展速率)
对低频疲劳裂纹扩展速率公式进行积分，就 可以求得在低频疲劳条件下的裂纹扩展寿命：
N ac da
a0 B m
a0―初始裂纹尺寸；ac―临界裂纹尺寸 NC―从初始裂纹a0扩展临界裂纹尺寸ac寿命
对于无限大板中心贯穿裂纹 a
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算)
考虑在大范围屈服条件下
帕瑞斯表达式不足：没有考虑平均应力对 da/dN影响；没有考虑当裂纹尖端应力强度因 子趋近于其临界值KIC时，裂纹加速扩展效应。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(福曼修正表达式)
da
Байду номын сангаас
C n
dN 1 rK IC
C、n―常数； KIC―材料的断裂韧性
r― 循 环 特 性 ， r=σmin/σmax= Kmin /Kmax ； ΔK―应力强度因子幅度(ΔK=Kmax-Kmin)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹形成过程
1. 疲劳形核：疲劳裂纹首先在应力最高、强度最 弱的基体上形成。
2. 扩展阶段：初始裂纹在交变载荷作用下，当裂 纹尖端处在拉伸应力场时，由于裂纹尖端极大 的应力集中，使该处晶粒发生滑移，裂纹张开， 尖端向前延伸
3. 瞬时断裂阶段：当疲劳裂纹扩展到材料的强度 极限时，疲劳裂纹达到临界裂纹尺寸而产生瞬 时断裂。
8a s E
ln
sec
2
s
代入裂纹扩展寿命式得：当m≠1时，
N
1
BDm m
1
1 a0
m1
1 acr
m1
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
疲劳设计方法分类
1． 许用应力设计法：把各种构件和接头试验疲劳强度 除以特殊安全系数作为许用应力(疲劳极限、非破坏概率 95％的2×106次疲劳强度等)，使设计载荷引起应力最 大值不超过其许用应力，从而确定构件断面尺寸设计方 法。
当外加应力强度因子幅度达到临界值ΔKth后，裂 纹扩展速率急剧上升，此线段几乎与纵坐标平行；
此后，da/dN与ΔK成指数关系变化，断口平直，与拉 应力成900，穿晶断裂，疲劳辉纹明显；继续增加ΔK 出现斜率转折点I，过此点斜率n2斜率，出现切变斜 断口，为解理断裂和疲劳断裂的混合型；继续增加
ΔK接近材料的KIC时，到了材料的第Ⅱ转折点，过此 点后，斜率增加，点Ⅱ是裂纹扩展加速转变点，此 区内断口全为切变断口。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(裂纹扩展速率示意图)
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(da/dN-ΔK 对数坐标关系)
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(帕瑞斯表达式 )
da dN Cn
ΔK―应力强度因子幅度(ΔK=Kmax-Kmin)
c、n―由试验确定的材料、环境、频率和循 环特形等的函数
§5-1 疲劳破坏及影响因素
滑移产生挤入挤出示意图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹扩展模型
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹断口特征
疲劳断口可分成三个区域
1. 疲劳裂纹源：肉眼可见晶粒的粗滑移。 2. 疲劳裂纹扩展区：宏观有条带和贝壳状花纹，
每一条辉纹代表一次应力(应变)循环及裂纹逐 次向前推进的位置。对于高强钢来说，很难辨 认明显的疲劳条纹
将破坏应力与加载循环次数N绘成如图5-7所 示的曲线，曲线上对应的某一循环次数N的破坏 应力即为该循环次数条件下的疲劳强度，曲线的 水平渐近线代表疲劳极限。
§5-1 疲劳破坏及影响因素
加载次数与疲劳强度关系图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
载荷种类
1. 对称交变载荷：σmin=-σmax r=-1 疲劳强度 用σ-1表示