焊接结构疲劳强度

****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。

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。

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。

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。