焊接结构疲劳性能

提高焊接接头疲劳性能的研究进展简介技术中心李加良0引言在纪念中国机械工程学会焊接学会成立四十周年和中国焊接协会成立十五周年时，学会和协会秘书处编写了一本纪念文集反映我国焊接技术各个研究方向的发展轨迹及焊接技术在各个行业的应用现状，笔者感到天津大学材料学与工程学院霍立兴等人的论文：“提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术”一文对我厂这种主要从事焊接结构件的生产企业有一定指导意义，因此缩编了此文以飨我厂读者。

自从焊接结构得到广泛应用以来，发现主要承受动载荷的焊接结构，在远没有达到其设计寿命时就出现断裂破坏现象，其中90%为疲劳失效。

近年来，各国科技工作者在这方面的研究已经取得了较大的成绩，但是焊接结构疲劳断裂事故仍不断发生，且随着焊接结构的广泛应用有所增加。

例如，九十年代末，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较大的经济损失。

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则与结构形式；④焊接结构日益广泛，而在设计和造过程中认为盲目追求结构的低成本、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的发展趋势，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影响焊接结构疲劳强度的主要因素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。

焊接力学与焊接结构基础【原创版】目录一、焊接力学概述二、焊接结构的基本概念三、焊接结构的力学性能四、焊接结构的疲劳性能五、焊接结构的缺陷及其影响六、焊接结构的设计原则与方法正文一、焊接力学概述焊接力学是研究焊接过程中力学现象的学科，它主要研究焊接接头的形成机理、力学性能以及焊接结构在使用过程中的受力分析。

焊接力学不仅关注焊接过程中金属的塑性变形，还涉及焊接结构的强度、刚度和稳定性等性能。

二、焊接结构的基本概念焊接结构是由焊接件通过焊接方法连接而成的结构。

焊接结构具有许多优点，如重量轻、生产成本低、结构简单等，因此在许多行业中得到了广泛应用。

焊接结构的类型有很多，如梁、柱、桁架等，其形式也有所不同，如有焊缝、无焊缝等。

三、焊接结构的力学性能焊接结构的力学性能主要取决于焊接质量、焊接材料和母材的性能。

焊接质量好的结构具有较高的强度、刚度和疲劳性能。

焊接材料和母材的性能对焊接结构的力学性能也有很大影响，如强度、硬度、韧性等。

四、焊接结构的疲劳性能焊接结构的疲劳性能是指在交变载荷作用下，焊接结构能承受一定次数的循环加载而不破坏的能力。

焊接结构的疲劳性能受到很多因素的影响，如焊接质量、焊接结构形式、载荷类型等。

为了提高焊接结构的疲劳性能，需要采取一定的设计措施和工艺方法。

五、焊接结构的缺陷及其影响焊接结构在焊接过程中可能会产生一些缺陷，如焊缝裂纹、气孔、夹杂等。

这些缺陷会对焊接结构的力学性能产生不良影响，如降低强度、刚度，加剧疲劳损伤等。

因此，在焊接过程中要尽量减少缺陷的产生，以保证焊接结构的使用性能。

六、焊接结构的设计原则与方法焊接结构的设计原则主要包括以下几点：保证结构的强度、刚度和稳定性；尽量简化结构形式，降低生产成本；考虑焊接变形和残余应力的影响；遵循材料力学和焊接力学的基本规律。

焊接结构的设计方法主要包括经验法、解析法和数值法等。

经验法是根据实际工程经验进行设计的方法，适用于简单的焊接结构；解析法是通过力学方程求解焊接结构问题的方法，适用于复杂的焊接结构；数值法是利用计算机模拟焊接结构的力学性能，可以更精确地预测焊接结构的性能。

焊接工艺中的焊缝形貌与力学性能分析焊接是一种常见的金属加工方法，通过加热和加压使金属材料连接在一起。

焊缝是焊接后形成的接头，其形貌和力学性能对焊接质量有着重要的影响。

本文将对焊接工艺中的焊缝形貌与力学性能进行分析。

一、焊缝形貌分析焊缝形貌是指焊接后焊缝的外观形态及其组织特征。

焊缝形貌的好坏直接反映了焊接工艺的合理性和焊接接头的质量。

以下是焊缝形貌的主要观察指标。

1.焊缝外观焊缝外观主要包括焊缝宽度、焊缝凹凸度、焊缝表面质量等指标。

焊缝宽度应符合设计要求，不能过宽或过窄。

焊缝凹凸度应均匀，不能存在明显的凸起或凹陷。

焊缝表面应光滑、光亮，并且不能有裂纹、气孔等缺陷。

2.焊缝组织结构焊缝组织结构是指焊接过程中金属材料的晶粒生长状态和相组成。

焊缝组织结构的好坏与焊接材料的选择、焊接工艺参数的控制密切相关。

理想的焊缝组织应该具有细小均匀的晶粒和致密的结构，以提高焊接接头的强度和韧性。

3.焊缝形状焊缝形状是指焊缝截面的形状和形貌。

常见的焊缝形状有直角焊缝、V型焊缝、X型焊缝等。

选择合适的焊缝形状可以提高焊缝的强度和疲劳寿命。

二、力学性能分析焊缝的力学性能是指焊接接头在受力情况下的承载能力和变形能力。

焊缝的力学性能直接影响焊接件的使用寿命和安全性能。

以下是焊缝力学性能的主要评估指标。

1.拉伸强度焊缝的拉伸强度是指焊接接头在拉伸载荷下的最大承载能力。

高强度的焊缝具有较好的抗拉性能，能够保证焊接接头在受力情况下不易发生断裂。

2.抗剪强度焊缝的抗剪强度是指焊接接头在剪切载荷下的最大承载能力。

焊缝的抗剪强度对于焊接接头的剪切稳定性和耐疲劳性能具有重要影响。

3.韧性焊缝的韧性是指焊接接头在受到外力作用下的变形能力。

良好的焊缝韧性可以减缓焊接接头的断裂速度，提高焊接接头的断裂韧性和疲劳寿命。

4.疲劳寿命焊缝的疲劳寿命是指焊接接头在循环载荷作用下能够承受的次数。

焊缝的疲劳寿命直接决定了焊接接头的使用寿命和可靠性。

综上所述，焊接工艺中的焊缝形貌与力学性能对焊接质量具有重要意义。

第三章焊接结构强度的基本理论焊接结构在使用中，除结构强度不够时会导致破坏外，还有其他形式的破坏，如疲劳破坏、脆性断裂等，这些破坏也是焊接结构常见破坏形式。

本章主要介绍焊接结构疲劳破坏、脆性断裂产生的原因，以及提高疲劳强度和防止脆性断裂的主要措施。

第一节焊接结构的疲劳破坏一、疲劳的定义疲劳定义为由重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展而产生的结构部件的损伤，疲劳极限是指试样受“无数次”应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。

在承受重复载荷结构的应力集中部位，当部件所受的公称应力低于弹性极限时，就可能产生疲劳裂纹，由于疲劳裂纹发展的最后阶段——失稳扩展（断裂）是突然发生的，没有预兆，没有明显的塑性变形，难以采取预防措施，所以疲劳裂纹对结构的安全性有很大危胁。

焊接结构在交变应力或应变作用下，也会由于裂纹引发（或）扩展而发生疲劳破坏。

疲劳破坏一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳破坏又往往从焊接接头处产生。

二、影响焊接接头疲劳性能的因素焊接结构的疲劳强度,在很大程度上决定于构件中的应力集中情况,不合理的接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷(如未焊透、咬边等)是产生应力集中的主要原因。

除此之外，焊接结构自身的一些特点，如接头性能的不均匀性，焊接残余应力等，都对焊接结构疲劳强度有影响。

1．应力集中和表面状态的影响结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中，金属材料表面的缺口和内部的缺陷也可造成应力集中。

焊接接头本身就是一个几何不连续体，不同的接头形式和不同的焊缝形状，就有不同程度的应力集中，其中具有角焊缝的接头应力集中较为严重。

构件上缺口愈尖锐，应力集中愈严重（即应力集中系数K愈大），疲劳强度降低也愈大。

不同材料或同一材料因组织和强度不同，缺口的敏感性（或缺口效应）是不相同的。

高强度钢较低强度钢对缺口敏感，即在具有同样的缺口情况下，高强度钢的疲劳强度比低强度钢降低很多。

焊接接头中，承载焊缝的缺口效应比非承载焊缝强烈，而承载焊缝中又以垂直于焊缝轴线方向的载荷对缺口最敏感。

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。

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。

焊接接头的疲劳性能研究及寿命预测方法引言焊接接头是工程结构中常见的连接方式，其疲劳性能对于结构的安全性和可靠性至关重要。

因此，对焊接接头的疲劳性能进行研究和寿命预测具有重要的理论和实际意义。

一、焊接接头的疲劳性能研究1. 疲劳破坏机理焊接接头在工作过程中，由于受到载荷的作用，会产生应力集中现象，从而导致接头发生疲劳破坏。

疲劳破坏主要包括裂纹的形成、扩展和最终断裂。

2. 影响疲劳性能的因素焊接接头的疲劳性能受到多种因素的影响，包括焊接工艺、焊缝形状、焊接材料、应力水平等。

其中，焊接工艺是影响疲劳性能的重要因素之一，包括焊接温度、焊接速度、焊接电流等。

3. 疲劳试验方法为了研究焊接接头的疲劳性能，通常采用疲劳试验方法。

疲劳试验可以通过施加不同的载荷和循环次数，模拟真实工作条件下的应力变化，从而评估焊接接头的疲劳寿命。

二、焊接接头寿命预测方法1. 经验法经验法是一种简化的寿命预测方法，通过根据已有的试验数据建立经验公式，来预测焊接接头的疲劳寿命。

这种方法的优点是简单易行，但是由于其基于试验数据的经验总结，其适用范围较窄。

2. 统计学方法统计学方法是通过对大量的试验数据进行统计分析，建立疲劳寿命的概率分布模型，从而预测焊接接头的寿命。

这种方法考虑了试验数据的分布特征，能够提供较为准确的寿命预测结果。

3. 数值模拟方法数值模拟方法是利用计算机软件对焊接接头进行有限元分析，通过模拟实际工作条件下的应力分布和变化规律，来预测焊接接头的疲劳寿命。

这种方法具有较高的精度和灵活性，但是需要大量的计算资源和较长的计算时间。

结论焊接接头的疲劳性能研究及寿命预测方法是一个复杂而重要的课题。

通过对焊接接头的疲劳破坏机理的研究，可以更好地理解焊接接头的疲劳性能。

同时，选择合适的寿命预测方法，可以为焊接接头的设计和使用提供科学依据，提高结构的安全性和可靠性。

未来，还需要进一步深入研究焊接接头的疲劳性能，开发更准确、高效的寿命预测方法，以满足不断发展的工程需求。