上半月出版Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术
焊接角度对焊接结构疲劳性能的影响
郭宁生1，徐胜利2，王辉2，刘军
713102；3. 西北工业大学工程力学系，陕西西安710072）
摘
要：采用有限元法研究平焊焊接的焊接角度对焊接结构连接件应力分布的影响，进而采用名义应力法分
3
（1. 西北工业大学科技处，陕西西安710072；2. 中船重工第十二研究所应力控制与失效分析研究室, 陕西兴平
析其对结构疲劳性能的影响。结果发现，采用平焊工艺时，焊接角越大，应力集中越严重，焊接件的疲劳性能越差。焊接件疲劳寿命与焊接角之间呈现出指数衰减关系。
关键词：焊接结构；焊接角；应力集中；疲劳性能中图分类号：TG405
文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2009)23-0163-03
Effect of Welding Angle on Fatigue Performance of Welded Structure
GUO Ningsheng 1，XU Shengli 2，WANG Hui 2，LIU Jun 3
(1. Dept. of Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China ；2. No.12Research Institute of CSIC, Stress Control and Failure Analysis Research Center, Xingping 713102, China ；3. Dept. of Engineering Mechanics, Northwestern Polytechnical University, Xi ′an 713102, China )
Abstract ：The effect of welding angle on the stress distribution of the welding zone was analyzed. The fatigue life of the weld structure was determined by normal stress approach. The results show that a bigger welding angle induces a more severe stress concentration, which reduce greatly the fatigue life of the welded structure. The fatigue life of the welding structure exhibits an exponential decay function of the welding angle.
Key words ：welded structure ；welding angle ；stress concentration; fatigue performance
随着国民经济的发展，焊接技术的进步极为迅速，它已越来越广泛地应用于各个工业领域。采用焊接结构与铆接结构相比，能简化结构的构造细节，节约材料，提高生产效率，改善工人工作条件。因此，目前船舶、机车、车辆、桥梁、锅炉等工业产品，以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程、大型厂房、高层建筑等重要结构，无一不采用焊接结构。这些重要结构的安全直接影响着工农业生产、人民生命财产安全和改革开放的正常进行。所以提高这些结构的设计、制造质量，保证起安全可靠使用是大家极为关心的问题[1]。
疲劳失效是焊接结构的一种典型失效方式，如何优化设计、减轻或消除结构的疲劳断裂危害，提高或延长焊接结构的疲劳寿命，是人们关注的问题[2-5]。人们从不同角度研究了焊接区细节处理
收稿日期：2009-09-22
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50775183，50805118）作者简介：郭宁生(1973-) ，男，陕西岐山人，讲师，硕士，研究方向：
工程力学；电话：029-88430815；
对焊接结构疲劳性能的影响，如张光胜等人[3]研究了焊接残余应力对疲劳性能的影响，张忠文等人[4]研究了焊接接头性能对疲劳性能的影响，韩丽青等人[5]研究了热等静压对爆炸焊接接头组织性能的影响。本文采用有限元法研究平焊焊接的焊接角度对焊接结构连接件应力分布的影响，进而采用名义应力法分析其对结构疲劳性能的影响。
1有限元分析
采用商用软件ABAQUS [6]对采用平焊工艺的
1.1结构形式
焊接结构进行有限元分析。焊接结构连接部件的形式如图1(a)所示。该结构由两部分组成，分别为圆筒结构和环绕圆筒的焊接区。其中，圆筒筒壁厚为
10mm ，横截面外径为140mm ，长度为400mm 。图1(b)为焊接区模型图, 位于圆筒的中部；焊接为平
焊，焊接角度a 定义如图1(c)所示，焊缝区的宽度为5mm 。为了研究焊接角度对焊接区应力分布的影响，本文依次取焊接角a =15°、35°、55°和75°。
1.2材料参数
圆筒材料为铝合金6082，其力学参数分别
E-mail:[email protected]
《热加工工艺》2009年第38卷第23期163
金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2009年12月
为：弹性模量E=70GPa, 泊松比v=0.3。焊接区材料为焊丝LT1，其弹性模量E=49GPa ，泊松比
v =0.3。1.3网格划分
采用六面体单元对模型进行有限元网格划分。同时对孔周、焊接区等应力集中部位进行网格细化，有限元网格见图2。
焊接区网格细化
(a)α=15°(b)α=30°
(c)α=55°(d)α=75°
图3
Fig.3
焊接区最大M i s e s 应力量/M P a
不同焊接角下焊接区的Mises 应力云图（MPa ）
Mise stress contours of welding zone with
different welding angles
[***********]17010
20
30
50
焊接角/(°) 40
60
70
80
Fig.2
图2有限元网格
Finite element mesh
1.4载荷和边界条件
圆筒底端完全固定，另一端为自由端。在自由端横截面上施加均布拉伸载荷150MPa 。
2结果及分析
焊接角度位置如图1(c)所示，依次选取
图4
α=15°、35°、55°和75°。不同焊接角度下焊接区的Mises 应力云图如图3所示。可以看出，随着焊接
角度增大，焊接区应力呈现递增趋势。图4给出了焊接角度和焊接区最大Mises 应力关系曲线。可见，焊接区最大应力随焊接角度的增大而增大。
Fig.4
焊接角度和焊接区最大Mises 应力关系曲线
Welding angle vs max Mises stress of the
welding
zone
N=Ci
△σeqv =
△σ
2
eqv
-(△σeqv ) th
2
-2th
(1)
3疲劳寿命预估
一般认为应力集中系数对疲劳寿命影响很大。郑修麟[7]给出的较完善的疲劳裂纹起始寿命表达式，可以分析不同存活率下的疲劳寿命。所给公式如下：
姨
K ·t △S=姨K ·t S max (2)是用当量应
式中：C i 为始裂抗力系数，是与拉伸性能有关的材料常数；△σeqv 是当量应力幅，(△σeqv )
力幅表示的始裂门槛值，是与拉伸性能和疲劳极限有关的材料常数；n 为应变硬化指数；△S 为名义应力幅范围；R 为应力比；K t 为理论应力集中系数，
164Hot Working Technology 2009, Vol.38,No.23
上半月出版
在这里用上面的计算公式得到；S max 是最大名义应力幅值，当R=-1时S max 为最大名义应力峰值。
对于铝合金，2/(1+n)=1.78[8]；因试验件数量有限，取(△σeqv ) th =20MPa （焊接区屈服应力的1/3）；由试验确定C i =1.22×1012。
根据以上分析，得到不同焊接角度下的结构在S max =150MPa 、应力比R=-1下的疲劳寿命如表
Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术
4结论
本文通过有限元分析并结合名义应力法，研究
了平焊工艺下的焊接角对焊接件疲劳寿命的影响。研究发现，对于平焊工艺，焊接角越小，焊接区应力集中程度越小，焊接件疲劳寿命越高。焊接件疲劳寿命与焊接角之间呈现出指数衰减函数关系。
致谢：感谢西北工业大学工程力学系魏晓明老师及闫五柱博士生和康建雄硕士生在试验和数据处理方面给予的帮助。参考文献：
[1][2][3][4][5][6][7]
D ．拉达伊（德）．焊接结构疲劳强度[M]．北京：机械工业出版社，1994．
陈传尧．疲劳与断裂[M]．武汉:华中科技大学出版社,
1所示。可看到，随着焊接角度的增大，焊接区应
力集中系数增大，疲劳寿命减少。
表1
不同焊接角度下疲劳寿命
疲劳寿命（循环周次）
Tab.1
焊接角/（°）
Fatigue life with different welding angles
应力集中系数
153055751.141.181.201.[***********]1536
图5给出了疲劳寿命随焊接角的变化图。可见，疲劳寿命随焊接角的增加而减小，且可以良好地符合指数衰减函数。
14500疲劳寿命（
循环
周次）
2002．
张光胜，汪洪峰，方慧敏, 等．大型结构件焊接变形特征分析[J]．先进制造工艺技术, 2008，25（4）：30-32．
张忠文，李新梅，魏玉忠, 等．HR3C 钢焊接接头的组织和性能研究[J]．金属铸锻焊技术，2008，37（23）：5-9．韩丽青，林国标，王自东, 等．热等静压对钛不锈钢焊接接头组织性能的影响[J]．焊接学报2008，29（11）：41-44．庄茁, 张帆, 岑松, 等．ABAQUS 非线性有限元分析与实例[M]．北京:科学出版社, 2005．
[***********][1**********]0
10
20
Y=17027*exp(-×/5.66)+3140*exp·(-×/54.87)+10736
ZHENG Xiulin ．A further study on fatigue crack initiation life mechanical model for fatigue crack Initiation[J]．Inter-national Journal of Fatigue, 1986, 9(1):17-21．
30
50焊接角/(°)
40607080
[8]魏建锋, 郑修麟, 吕宝桐．LY12CZ 铝合金切口件的P-S-N 曲线表达式及寿命估算[J]．机械工程材料, 1997, 21(1):
Fig.5
图5焊接角对疲劳寿命的影响
Effect of welding angle on fatigue life
7-9．
（上接第162页）太快，在焊缝中形成了脆性相。确定焊接温度的主要依据首先是中间层的熔点, 焊接温度应高于中间层的熔点。温度是决定原子扩散速度的主要因素，对中间层的流动性和润湿性有重要影响。一般来说，在不损害母材的前提下，温度越高连接性能越好，但过高温度会引起晶粒长大。观察图2（c ）焊缝附近母材组织可以看到，其晶粒明显大于图2（a ）和图2(b)。过高的焊接温度将导致合金元素的烧损以及中间层与母材过分地相互作用而导致溶蚀、晶间渗入等，使接头强度降低[3]。
[2]
10Cr9Mo1VNb 钢TLP 接头的强度与焊接温
度呈抛物线关系，过低的焊接温度不利于中间层的扩散，但当焊接温度过高时会生成大量的脆性相，同时接头组织粗大，力学性能下降。参考文献：
[1]
王艳芳，李京龙．瞬间液相扩散焊过程中的接触熔化与等温凝固模型[J]．焊接，2006，（7）：7-11．
张贵锋，张建勋，王士元，等．瞬时液相扩散焊与钎焊主要特点之异同[J]．焊接学报，2002，23（12）92-96．
[3]陈思杰，井晓天，李辛庚．20钢管的瞬时液相扩散工艺研究
3结论
《热加工工艺》2009年第38卷第23期
[J]．热加工工艺，2003,32(6)：37-38．
165
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焊接角度对焊接结构疲劳性能的影响
郭宁生1，徐胜利2，王辉2，刘军
713102；3. 西北工业大学工程力学系，陕西西安710072）
摘
要：采用有限元法研究平焊焊接的焊接角度对焊接结构连接件应力分布的影响，进而采用名义应力法分
3
（1. 西北工业大学科技处，陕西西安710072；2. 中船重工第十二研究所应力控制与失效分析研究室, 陕西兴平
析其对结构疲劳性能的影响。结果发现，采用平焊工艺时，焊接角越大，应力集中越严重，焊接件的疲劳性能越差。焊接件疲劳寿命与焊接角之间呈现出指数衰减关系。
关键词：焊接结构；焊接角；应力集中；疲劳性能中图分类号：TG405
文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2009)23-0163-03
Effect of Welding Angle on Fatigue Performance of Welded Structure
GUO Ningsheng 1，XU Shengli 2，WANG Hui 2，LIU Jun 3
(1. Dept. of Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China ；2. No.12Research Institute of CSIC, Stress Control and Failure Analysis Research Center, Xingping 713102, China ；3. Dept. of Engineering Mechanics, Northwestern Polytechnical University, Xi ′an 713102, China )
Abstract ：The effect of welding angle on the stress distribution of the welding zone was analyzed. The fatigue life of the weld structure was determined by normal stress approach. The results show that a bigger welding angle induces a more severe stress concentration, which reduce greatly the fatigue life of the welded structure. The fatigue life of the welding structure exhibits an exponential decay function of the welding angle.
Key words ：welded structure ；welding angle ；stress concentration; fatigue performance
随着国民经济的发展，焊接技术的进步极为迅速，它已越来越广泛地应用于各个工业领域。采用焊接结构与铆接结构相比，能简化结构的构造细节，节约材料，提高生产效率，改善工人工作条件。因此，目前船舶、机车、车辆、桥梁、锅炉等工业产品，以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程、大型厂房、高层建筑等重要结构，无一不采用焊接结构。这些重要结构的安全直接影响着工农业生产、人民生命财产安全和改革开放的正常进行。所以提高这些结构的设计、制造质量，保证起安全可靠使用是大家极为关心的问题[1]。
疲劳失效是焊接结构的一种典型失效方式，如何优化设计、减轻或消除结构的疲劳断裂危害，提高或延长焊接结构的疲劳寿命，是人们关注的问题[2-5]。人们从不同角度研究了焊接区细节处理
收稿日期：2009-09-22
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50775183，50805118）作者简介：郭宁生(1973-) ，男，陕西岐山人，讲师，硕士，研究方向：
工程力学；电话：029-88430815；
对焊接结构疲劳性能的影响，如张光胜等人[3]研究了焊接残余应力对疲劳性能的影响，张忠文等人[4]研究了焊接接头性能对疲劳性能的影响，韩丽青等人[5]研究了热等静压对爆炸焊接接头组织性能的影响。本文采用有限元法研究平焊焊接的焊接角度对焊接结构连接件应力分布的影响，进而采用名义应力法分析其对结构疲劳性能的影响。
1有限元分析
采用商用软件ABAQUS [6]对采用平焊工艺的
1.1结构形式
焊接结构进行有限元分析。焊接结构连接部件的形式如图1(a)所示。该结构由两部分组成，分别为圆筒结构和环绕圆筒的焊接区。其中，圆筒筒壁厚为
10mm ，横截面外径为140mm ，长度为400mm 。图1(b)为焊接区模型图, 位于圆筒的中部；焊接为平
焊，焊接角度a 定义如图1(c)所示，焊缝区的宽度为5mm 。为了研究焊接角度对焊接区应力分布的影响，本文依次取焊接角a =15°、35°、55°和75°。
1.2材料参数
圆筒材料为铝合金6082，其力学参数分别
E-mail:[email protected]
《热加工工艺》2009年第38卷第23期163
金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2009年12月
为：弹性模量E=70GPa, 泊松比v=0.3。焊接区材料为焊丝LT1，其弹性模量E=49GPa ，泊松比
v =0.3。1.3网格划分
采用六面体单元对模型进行有限元网格划分。同时对孔周、焊接区等应力集中部位进行网格细化，有限元网格见图2。
焊接区网格细化
(a)α=15°(b)α=30°
(c)α=55°(d)α=75°
图3
Fig.3
焊接区最大M i s e s 应力量/M P a
不同焊接角下焊接区的Mises 应力云图（MPa ）
Mise stress contours of welding zone with
different welding angles
[***********]17010
20
30
50
焊接角/(°) 40
60
70
80
Fig.2
图2有限元网格
Finite element mesh
1.4载荷和边界条件
圆筒底端完全固定，另一端为自由端。在自由端横截面上施加均布拉伸载荷150MPa 。
2结果及分析
焊接角度位置如图1(c)所示，依次选取
图4
α=15°、35°、55°和75°。不同焊接角度下焊接区的Mises 应力云图如图3所示。可以看出，随着焊接
角度增大，焊接区应力呈现递增趋势。图4给出了焊接角度和焊接区最大Mises 应力关系曲线。可见，焊接区最大应力随焊接角度的增大而增大。
Fig.4
焊接角度和焊接区最大Mises 应力关系曲线
Welding angle vs max Mises stress of the
welding
zone
N=Ci
△σeqv =
△σ
2
eqv
-(△σeqv ) th
2
-2th
(1)
3疲劳寿命预估
一般认为应力集中系数对疲劳寿命影响很大。郑修麟[7]给出的较完善的疲劳裂纹起始寿命表达式，可以分析不同存活率下的疲劳寿命。所给公式如下：
姨
K ·t △S=姨K ·t S max (2)是用当量应
式中：C i 为始裂抗力系数，是与拉伸性能有关的材料常数；△σeqv 是当量应力幅，(△σeqv )
力幅表示的始裂门槛值，是与拉伸性能和疲劳极限有关的材料常数；n 为应变硬化指数；△S 为名义应力幅范围；R 为应力比；K t 为理论应力集中系数，
164Hot Working Technology 2009, Vol.38,No.23
上半月出版
在这里用上面的计算公式得到；S max 是最大名义应力幅值，当R=-1时S max 为最大名义应力峰值。
对于铝合金，2/(1+n)=1.78[8]；因试验件数量有限，取(△σeqv ) th =20MPa （焊接区屈服应力的1/3）；由试验确定C i =1.22×1012。
根据以上分析，得到不同焊接角度下的结构在S max =150MPa 、应力比R=-1下的疲劳寿命如表
Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术
4结论
本文通过有限元分析并结合名义应力法，研究
了平焊工艺下的焊接角对焊接件疲劳寿命的影响。研究发现，对于平焊工艺，焊接角越小，焊接区应力集中程度越小，焊接件疲劳寿命越高。焊接件疲劳寿命与焊接角之间呈现出指数衰减函数关系。
致谢：感谢西北工业大学工程力学系魏晓明老师及闫五柱博士生和康建雄硕士生在试验和数据处理方面给予的帮助。参考文献：
[1][2][3][4][5][6][7]
D ．拉达伊（德）．焊接结构疲劳强度[M]．北京：机械工业出版社，1994．
陈传尧．疲劳与断裂[M]．武汉:华中科技大学出版社,
1所示。可看到，随着焊接角度的增大，焊接区应
力集中系数增大，疲劳寿命减少。
表1
不同焊接角度下疲劳寿命
疲劳寿命（循环周次）
Tab.1
焊接角/（°）
Fatigue life with different welding angles
应力集中系数
153055751.141.181.201.[***********]1536
图5给出了疲劳寿命随焊接角的变化图。可见，疲劳寿命随焊接角的增加而减小，且可以良好地符合指数衰减函数。
14500疲劳寿命（
循环
周次）
2002．
张光胜，汪洪峰，方慧敏, 等．大型结构件焊接变形特征分析[J]．先进制造工艺技术, 2008，25（4）：30-32．
张忠文，李新梅，魏玉忠, 等．HR3C 钢焊接接头的组织和性能研究[J]．金属铸锻焊技术，2008，37（23）：5-9．韩丽青，林国标，王自东, 等．热等静压对钛不锈钢焊接接头组织性能的影响[J]．焊接学报2008，29（11）：41-44．庄茁, 张帆, 岑松, 等．ABAQUS 非线性有限元分析与实例[M]．北京:科学出版社, 2005．
[***********][1**********]0
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20
Y=17027*exp(-×/5.66)+3140*exp·(-×/54.87)+10736
ZHENG Xiulin ．A further study on fatigue crack initiation life mechanical model for fatigue crack Initiation[J]．Inter-national Journal of Fatigue, 1986, 9(1):17-21．
30
50焊接角/(°)
40607080
[8]魏建锋, 郑修麟, 吕宝桐．LY12CZ 铝合金切口件的P-S-N 曲线表达式及寿命估算[J]．机械工程材料, 1997, 21(1):
Fig.5
图5焊接角对疲劳寿命的影响
Effect of welding angle on fatigue life
7-9．
（上接第162页）太快，在焊缝中形成了脆性相。确定焊接温度的主要依据首先是中间层的熔点, 焊接温度应高于中间层的熔点。温度是决定原子扩散速度的主要因素，对中间层的流动性和润湿性有重要影响。一般来说，在不损害母材的前提下，温度越高连接性能越好，但过高温度会引起晶粒长大。观察图2（c ）焊缝附近母材组织可以看到，其晶粒明显大于图2（a ）和图2(b)。过高的焊接温度将导致合金元素的烧损以及中间层与母材过分地相互作用而导致溶蚀、晶间渗入等，使接头强度降低[3]。
[2]
10Cr9Mo1VNb 钢TLP 接头的强度与焊接温
度呈抛物线关系，过低的焊接温度不利于中间层的扩散，但当焊接温度过高时会生成大量的脆性相，同时接头组织粗大，力学性能下降。参考文献：
[1]
王艳芳，李京龙．瞬间液相扩散焊过程中的接触熔化与等温凝固模型[J]．焊接，2006，（7）：7-11．
张贵锋，张建勋，王士元，等．瞬时液相扩散焊与钎焊主要特点之异同[J]．焊接学报，2002，23（12）92-96．
[3]陈思杰，井晓天，李辛庚．20钢管的瞬时液相扩散工艺研究
3结论
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[J]．热加工工艺，2003,32(6)：37-38．
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