角焊缝对疲劳强度有何影响？疲劳强度减弱系数该怎么取值？

焊缝对结构抗疲劳性能的影响原因

1. 焊接中形成的咬边、错边以及内部的气孔、夹渣、未焊透等缺陷会造成应力集中，导致局部区域的应力水平提高，使容器承受循环载荷的能力下降；

2. 对于角焊缝区域存在着显著的局部结构不连续，应力集中情况会更加明显；

3. 焊缝表面成形不规则，又未加工或打磨，形成应力集中，也会使结构的抗疲劳性能降低；

4. 焊缝热影响区的存在导致材料本身的疲劳强度有所降低。

因此在评估焊缝连接部位的抗疲劳性能时，需要基于以上几种原因进行针对性的分析并在设计时采取相应的结构优化、制造和检验措施。

疲劳强度减弱系数的说明

对于焊接缺陷和局部结构的不连续处待考察结构的疲劳强度减弱程度可以用疲劳强度减弱系数来表征和评定。JB4732标准中规定对于疲劳分析的角焊缝疲劳强度减弱系数取4.0，在此情况下必须考虑容器与附件间的温度差以及由内压或外压引起的容器的膨胀或收缩。这一规定明确指出，角焊缝对容器疲劳强度的影响是非常大的。但需注意的是，并不是对所有角焊缝疲劳强度减弱系数都娶4.0，这一规定是针对无法进行表面加工和无损检测的角焊缝而言的。疲劳强度减弱受结构设计、焊接质量、焊缝表面加工质量、局部应力集中程度、焊接结构的材料等因素综合影响，因而疲劳强度减弱系数需要根据对设备提出的不同的制造、检验要求有针对性的选取，切不能一律选取4.0来评定，否则会造成尤其保守的结果。

有限元实例考证

某承受交变内压的立式容器内径为1300mm，正常操作压力为0~5.6Mpa的循环载荷，操作温度为100℃，容器使用4个带垫板的耳座支撑，要结构尺寸如下图所示： 

耳座垫板与筒体之间采用角焊缝，周边满焊，焊脚高度等于垫板的厚度。假设焊缝表面平滑且不存在焊接缺陷，在耳座垫板的转角处采用圆弧过渡，为了贴近实际情况假设垫板与筒体之间存在一定的间隙，在交变载荷作用下对耳座与筒体连接部位的角焊缝利用有限元软件（1/4模型）进行应力分析计算。

算例1：内压作用下耳座垫板与筒体之间采用开内坡口的角焊缝。内、外焊脚高均为20mm，分析模型应力云图如下所示： 

从计算结果可发现最大总应力点出现在垫板与壳体连接焊缝的焊趾处，当容器加压到5.6Mpa时，最大总应力点在耳座垫板的4个转角附近，总应力强度为253Mpa。

算例2：内压作用下耳座垫板与筒体之间采用周边角焊缝，垫板厚度20mm，分析模型应力云图如下所示： 

从计算结果可发现最大总应力点出现在垫板与壳体连接焊缝的筒体外壁处，当容器加压到5.6Mpa时最大总应力点在耳座垫板的4个转角附近，总应力强度为260Mpa，最大总应力位置如下图所示： 

算例3：内压作用下耳座垫板与筒体之间采用周边角焊缝，垫板厚度为33mm，分析模型应力云图如下所示：

从计算结果可发现最大总应力点出现在垫板与壳体连接焊缝的焊趾处，当容器加压到5.6Mpa时，最大总应力点在耳座垫板的4个转角附近，总应力强度为，268.2Mpa。

在远离耳座的筒体上不存在应力集中情况，最大总应力点出现在筒体的内壁，在设计压力下的环向总体薄膜应力为168.3Mpa。从算例1、算例2、和算例3可知在角焊缝连接处总应力强度的波动幅度明显超过正常的筒体，由此说明对于本台压力较高的容器，角焊缝这种局部结构不连续结构对容器疲劳强度的影响很大，当容器承受较高的循环载荷时必须考虑角焊缝造成的应力集中，此时是需要对焊缝部位进行疲劳强度评定。

局部的应力集中程度

压力较高时，由压力引起的应力集中区域的峰值应力很高，在循环载荷作用下容易成为裂纹萌生与扩展的根源，容器上局部区域的应力集中程度可以用理论应力集中系数kt来表征，kt＝局部区域最大弹性应力/平均应力，对于脆性材料在循环载荷作用下应力集中区域结构的疲劳强度比无应力集中时会降低kt倍，即和疲劳强度减弱系数kf几乎相当，但对于塑性材料在局部的高应力区会进入屈服导致应力的重分布，应力集中对疲劳强度产生的影响不同于弹性状态，由应力集中导致的疲劳强度的降低比预期的要轻一些，即应力集中系数会大于疲劳强度减弱系数kt。在算例1和算例2中通过有限元分析得到的元件应力值均是指弹性名义应力值可以简便的得到某点应力集中系数kt，但对角焊缝而言此应力集中系数应乘以相应的影响系数才能作为疲劳强度减弱系数kf。

在算例1当中应力最为集中的区域的总应力强度的波动幅度为253Mpa，与筒体正常部位的最大环向总体薄膜应力168.3Mpa，相比比值即可视为疲劳强度减弱系数kf＝1.5，三个个算例最大应力值与环向总体薄膜应力的比值如下所示： 

通过上述有限元分析可初步判断仅由角焊缝这种局部结构不连续因素引起的应力集中造成的疲劳强度减弱系数就可以达到1.5左右，其中未计及焊缝质量等因素影响。若能在保证角焊缝焊接质量的前提下用有限元分析可以更准确的得到接头处的仅有结构不连续造成应力集中系数，再乘以一个由焊缝质量等引起相应的影响系数，进而得到疲劳强度减弱系数。但这个影响系数是与焊缝质量等因素是相关的，如果提出的各种技术要求能严格保证焊缝质量且其它各种因素影响很小，在与理论计算模型相接近的时候，那么这个影响系数可能会很小，这样的话应力集中系数乘以一个很小的影响系数后可能远达不到4.0，此时如果按4.0取值进行评定，那么评定结果就会很保守。

外部附件刚度对应力集中程度的影响

在内压、温度作用下容器壳体会向外发生径向膨胀，焊接在壳体上的外部附件如耳座垫板、保温支撑圈、平台预焊件等会对壳体的膨胀形成约束，附件的刚性越强对膨胀的约束越大应力集中系数越高，对比算例1和算例3耳座垫板的厚度由20mm增加为33mm，但是结构上的最大应力值由253Mpa增加到268.2Mpa，不降反升，体现了垫板刚度对应力集中程度的影响，所以作为设计人员切忌一切以增加厚度来想当然的认为会降低应力的设计原则，对于很多设计工况、结构下，并不是增加厚度就可以降低应力值的，相反由于刚度约束的增大会造成局部应力值更大。

无损检测对于疲劳强度减弱系数的影响

焊接接头的焊接质量如何需要靠无损检测来保证，对于承受循环载荷的压力容器需要对焊缝提出更为严格的检测要求并采取针对性的检测方法。在ASME标准中对于承受循环载荷的容器规定了角焊缝的疲劳强度减弱系数与无损检测焊缝加工情况之间的对应关系，这为工程设计提供了很具体的计算依据 。如下所示： 

由上表可知，ASME中规定的疲劳强度减弱系数在不同的无损检测要求下可选取相应的值，其中取4.0的时候是指未对焊缝做任何限定，且未经受任何检验的情况，此时焊缝质量难以保证，故疲劳减弱系数取的比较大，而现在我们做的大部分疲劳设备都提出了很高的无损检测要求来保证焊缝质量，在结构和制造上面也会提出很多降低应力集中的措施，因而这时候还按4.0来取值进行评定的话，未免就过于保守了。

角焊缝连接处裂纹扩展方向

在循环载荷作用下，角焊缝连接处必然存在高应力区并容易产生细微裂纹。若裂纹的尖端存在高度的应力集中，裂纹就会逐渐扩展，构件的截面会不断削弱。因为裂纹尖端的金属组织处于三维应力状态，不会像单向应力状态那样容易出现塑性变形，所以随着载荷循环次数的增加，当裂纹扩展到一定程度后在偶然的超载瞬间构件在弱的截面就会发生猝然断裂，这就是构件产生疲劳失效的简单机理，那么这里就会产生一个问题：高应力区的裂纹将向哪个方向扩展？比如外部附件与容器壳体的连接角焊缝，若微裂纹向外部附件的方向扩展，即在多次的循环载荷作用下外部附件会率先发生断裂，那么这种失效造成的后果比较轻；如果微裂纹沿着壳体截面向容器本体方向扩展则容器会率先发生破裂这种失效造成的后果将是非常严重的，因此预判微裂纹的可能扩展路径也是压力容器疲劳分析的重要环节。根据疲劳破坏的机理由材料的疲劳曲线可知，应力水平高的部位的允许循环次数低，所以应力水平高的路径比应力水平低的路径更加容易发生断裂，因此可以根据应力水平的高低来判定断裂的路径，这是一种可直观根据计算结果进行初步判断的工程方法。

综合上述分析可知：

1. 角焊缝的存在对于压力容器抗疲劳破坏的能力具有重要影响，在设计中需要根据设备设计和操作条件、结构等因素具体进行分析，并判定是否必须对角焊缝进行疲劳强度评定。

2. 角焊缝引起的应力集中、焊接质量表面加工质量及无损检测水平对连接结构的疲劳强度减弱系数具有决定性作用，这些因素是提高结构疲劳寿命的主要着眼点，在设计过程中需提出相关技术要求最大程度的降低这些因素的影响。

3. 外部附件通过角焊缝与承压壳体连接时，附件的刚度对应力集中系数、疲劳强度减弱系数也有一定影响，并不是元件厚度越厚越好，也需根据具体的情况进行分析，否则可能会出现应力不降反升的结果。

4. JB4732附录对角焊缝的疲劳强度减弱系数取为4.0的规定是针对不能进行表面加工又不能进行无损检测的角焊缝所规定的，对能保证焊缝的成形表面质量并经相应的无损检测之后疲劳强度减弱系数可以适当减低，可参照ASME规定选取。

5. 用有限元分析得到的角焊缝的应力集中系数不能直接作为疲劳强度减弱系数，必须结合角焊缝的表面加工情况、无损检测程度等因素乘以适当的影响系数才能作为角焊缝的疲劳强度减弱系数，这个我们其实根本无法判断影响因素是多少，所以还是需参照ASME的规定选取。