国内外规范中铝合金焊缝形式对强度及疲劳的影响分析＊

同济大学机械与能源工程学院 上海 201804

0 引言

铝合金是工业中应用最广泛的有色金属结构材料，世界年产量仅次于钢，在现代工程技术中有举足轻重的地位。相比于钢材，铝合金强度不低，且密度小，质量轻，冲击韧性良好，加工性能良好，可根据需要进行挤压成型，耐腐蚀性强，基本不需要进行特别维护，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、桥梁等领域。在起重机械领域上，铝合金主要运用在一些轻小型设备，如电动葫芦，小型铝合金龙门架，悬臂吊和吊篮等，在某些特殊大型设备如登船栈桥等也开始有重要应用。图1为外伸距达46 m的可伸缩式铝合金登船栈桥[1]。

图1 46 m可伸缩式登船栈桥

从设计轻量化考虑，桁架结构相比箱型结构要轻约20%左右，特别是对于大跨度的结构而言，桁架结构在轻量化方面的优势较为明显，同时由于风力系数小所受风载会相对较小。但对于桁架结构而言，桁架之间的焊接接头需要处理得当。工程机械中大量数据表明，焊接结构的强度疲劳破坏往往是从焊接接头处产生，尤其是经常处于满载工作状态的起重机设备，对此需要着重设计结构的焊接接头。铝合金化学活性较强，焊接时不易熔合，结构焊接过程中，必须考虑由热影响区软化作用带来的不利影响[2]。同时不同焊缝形式下的焊接热影响区带来的不利影响也不尽相同。国内外规范都对各焊缝形式的焊缝高度及焊缝有效面积，对应的热影响区带来的强度减弱计算，以及相应的疲劳强度计算方法都进行了详细的描述，但各国规范，主要以我国现行GB50429—2007《铝合金设计规范》（以下简称GB50429）[3]，EN 1999－1－2007《欧洲铝合金规范》（以下简称 EN1999）[4，5]和ADM 2015《美国铝合金规范》（以下简称ADM2015）[6]为例，它们虽有相似之处但不尽相同。其中GB50429对EN1999，英规和ADM2015均有一定参考，并结合相关试验结果而来。

本文基于国内外主要的铝合金设计规范，针对典型焊缝的设计计算进行分析比较，从焊缝形式出发，针对焊缝及热影响区的计算包括强度折减、疲劳强度分析，说明不同规范对于铝合金结构焊缝形式设计计算的要点和区别，并以铝合金栈桥的设计为例进行说明。

1 焊缝形式

焊缝将两个焊件连接形成整体，根据焊接金属的形状和焊件的相互位置的不同，可将焊缝分为对接焊缝，角焊缝，塞焊缝和电铆焊。对接焊缝常用于板件与板件或板件与型材之间的拼接；角焊缝常用于搭接连接；塞焊缝和电铆焊应用较少，其主要为了减少焊缝长度。

由于对接焊缝和角焊缝最为常见，三种规范中对其描述也更为详细，此外塞焊缝和电铆焊在ADM2015中也进行了简单阐述。故本文主要针对对接焊缝和角焊缝进行展开。

1.1 对接焊缝

对接焊缝是指在焊件的坡口面间或一焊件的坡口面与另一焊件端面间焊接形成的焊缝，其中焊缝截面常加工成各种形状的坡口，如V形、U形、X形等，故又称为坡口焊缝。以V形焊缝为例，如图2所示。有焊缝面积AW=LWSW，Sw为对接焊缝的有效厚度，一般为对接焊缝平行于构件厚度方向的最小距离；Lw为焊缝的有效长度，对于拉压应力或剪应力，其为垂直于应力方向上的焊缝长度。

图2 对接焊缝

在GB50429中规定对于不采用引弧板时，取焊缝有效长度为Lw,eff=Lw-2Sw。

1.2 角焊缝

角焊缝是指沿两直交或斜交构件的交线所焊接的焊缝。根据焊缝的截面形状，焊缝可以有凹面，平面及凸面。

以直角焊缝为例，如3图所示。有效焊缝面积Aw=Lw,eff·Sw,eff，Sw为角焊缝的直角边高度，即焊脚尺寸，而Sw,eff为构件交线即焊脚交点到焊缝斜面的垂直距离，一般也是整个焊缝截面的最小高度，Lw为焊缝长度，对于拉压应力或剪应力，其为垂直于应力方向上的焊缝长度；Lw,eff为焊缝的有效长度。

图3 角焊缝

在GB50429中，一般对于直角角焊缝，取Sw,eff=0.7Sw，Lw,eff=Lw-2Sw。在EN1999中，对于Lw≥100Sw,eff时，有效焊缝长度的取值会进行缩减，Lw,eff=Lw（1.2-0.2Lw/100a）。

而在ADM2015中规定，当Lw≥4Sw时，Sw,eff=Lw,eff/4，且需满足40≤Lw,eff≤100Sw。

三种规范中主要讨论的是直角角焊缝，对于斜角角焊缝的计算由于缺乏相关的实验数据和统计资料并未列出。

由于构件受力一般为垂直或平行于构件表面，而角焊缝的有效面为斜向于构件表面，相对于角焊缝，其受力形式会相对的更加复杂。

2 强度计算

2.1 焊接热影响区

焊接热影响区HAZ（Heat Affected Zone）是指在焊接热循环作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生明显的组织和性能变化的区域。焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三个部分组成，焊接时要保证焊接接头的质量，就必须使焊缝和热影响区的组织与性能同时都达到要求。对于一般焊接结构而言，主要考虑热影响区的硬化、脆化、韧化、软化，以及综合的力学性能、耐蚀性能和疲劳性能等，这要根据焊接结构的具体使用要求来决定。

焊接热影响区的软化作用表现为冷作强化或热处理强化的金属或合金在焊接热影响区出现的不同程度的失强现象，其中最典型的为调质高强钢或热处理的强化合金如铝合金，在热影响区内都会存在强度减小的现象。前者钢结构的焊接热影响区宽度相对于铝合金较小，根据焊接方式等不同其取值也不同，一般采用电弧焊宽度为5～10 mm，气焊宽度为25～30 mm[7，8]。后者铝合金结构对焊接热影响的软化作用更为敏感，位于焊接热影响区母材的力学性能会发生显著地弱化。因此，对铝合金焊缝及铝合金构件的承载力计算时，必须考虑焊接热影响区引起的连接处力学性能的弱化。

在GB50429和EN1999中，对于考虑焊接热影响区因素的焊接铝合金结构，对于焊缝局部分析，一般其静强度计算采用对抗拉强度σb和屈服强度σs折减，而对于整体结构计算而言，其构件热影响区处对强度不进行折减，但需要对截面进行折减；而在ADM2015中对构件承载力计算也需要对截面进行折减，但对于焊接金属计算并未直接对其强度进行折减，而是对应地直接列出了焊缝金属与构件材料的最小许用抗拉强度和抗剪强度，两者的计算皆可直接利用计算强度与其进行比较。对于有效截面的计算均采用了有效厚度法，将在热影响区内的构件厚度乘以相应的折减系数达到厚度上的折减，从而对截面进行折减，此时构件的强度设计值不进行折减，而对应的强度计算值会由于截面的折减而增大，进而将两者进行比较。

三种规范对于焊接金属和构件材料的强度计算大同小异，在对于不同金属材料折减系数ρhaz和热影响区宽度bhaz会略有不同，最终会体现在不同焊接形式的强度折减和截面折减。图4为不同焊接接头形式下的热影响区范围bhaz。

图4 不同焊接接头形式下的热影响区范围bhaz

GB50429中指出对于熔化极惰性气体电弧焊（MIG焊）和钨极惰性气体保护电弧焊（TIG焊）连接的5系冷加工合金和6系热处理合金，热影响区范围计算应按照表1规定。

表1 GB50429—2007焊接热影响区宽度

表1中，t为焊接件平均厚度。T1<60℃时，a=1；60℃

而EN1999规定对于MIG焊接的3、5系列冷加工合金和6、7系列铝合金其对应的热影响区范围如表2所示。而由于TIG焊接能量相对更高其焊接热影响区也会对应增大，如t<6时，bhaz=30 mm。

表2 EN 1999-1-1—2007焊接热影响区范围

表2中，T1<60℃时，a=1；60℃

而对于ADM2015，其与GB50429和EN1999不同的是将任意型号铝合金的热影响区范围均取为25 mm。

对于热折减系数，其表现为折减后的热影响区的抗拉强度fu.haz和屈服强度fo.haz，即强度设计值，将其与强度计算值进行个比较，其计算为

几种常见的铝合金材料热影响区折减系数如表3所示，其中GB50429中对于抗拉强度和屈服强度都取相同值，ADM2015中并未展现出具体折减系数的大小，其根据焊接热影响区下材料的最小抗拉强度和屈服强度与对应名义强度比值而得。

表3 部分铝合金材料热影响区折减系数

2.2 焊缝连接强度计算

铝合金结构焊接连接设计时，应计算焊缝的强度以及邻近焊缝的铝合金构件点热影响区的强度，且焊缝的强度设计值宜大于铝合金构件热影响区的强度设计值。三种规范中对于焊缝金属的计算主要讨论了对接焊缝和直角角焊缝，其他接头如T形接头可由其进行衍生。

2.2.1 对接焊缝强度

对接焊缝受载情况如图5所示，对于对接焊缝而言

图5 对接焊缝受载情况

正应力作用时

剪应力作用时

组合作用时，正应力和剪应力需要分别验算，同时需要进行组合验算

2.2.2 角焊缝强度

如图6所示，对于直角角焊缝而言，阴影部分为焊缝有效截面，F为平行于板件的拉力。

在图6中，σ⊥为垂直于焊缝有效截面的正应力，σ//为平行于焊缝有效截面的正应力，τ⊥为有效截面上垂直于焊缝长度方向的剪应力，τ//为有效截面上平行于焊缝长度方向的剪应力。

图6 对接焊缝受载情况

对于GB1999和EN50429，强度计算公式实质同钢结构一致，计算公式为

此外，在GB50429中，焊缝在受通过焊缝形心的载荷时，如图7为T形双边角焊缝受载情况，分别为正面角焊缝和侧面角焊缝。

图7 T形双边角焊缝受载情况

受拉压力，剪力和综合作用可分别计算为

对于上述情况，在EN1999中对于T形双边角焊缝只需对受拉压和受剪分别计算即可，且对应的βf1=1/0.7，βf2=1/0.85。

而对于ADM2015，角焊缝下不论接头形式如何，只需计算对应的剪应力即可，计算公式同对接焊缝τ=F/Lw,effSw,eff≤ Fsuw/nu。

2.3 构件焊接热影区强度

由于热影响区的软化作用影响，在热影响区宽度bhaz范围内的焊接结构件也需要进行校核计算。在三种规范中，对于考虑焊接热影响区因素的焊接铝合金结构构件的承载力计算，都需要对截面进行折减，有效截面的计算采用有效厚度法，即在热影响区范围内的构件厚度需要乘以相应的折减系数，即teff=ρu.hazt或teff=ρo.hazt。

对于轴心拉压力，受力垂直于焊缝热影响区的临界失效面，有

对于焊缝受剪切力

而对于轴心拉压与剪力组合情况

式中：σhaz和τhaz分别为垂直和平行于焊缝长度方向的计算正应力与剪应力，由对应方向上的载荷除以构件折减后的有效面积计算所得；fu,haz和fv,haz分别为构件材料焊接热影响区的抗拉压强度和抗剪强度设计值。

对于GB50429，fu,haz和fv,haz皆可根据对应材料查表可得，且n=1。

对于ADM2015，其计算与焊缝强度计算相同，fu,haz和fv,haz均查表可得，n=1.95。

3 疲劳强度

铝合金虽然质量轻，强度高，加工性能良好，但铝合金相比常规Q235，Q355等普通结构钢韧性较差，容易出现应力集中和裂纹，产生裂纹后容易进入快速断裂区域从而发生危险，抗疲劳特性较差，故对铝合金疲劳强度需要严格控制，以保证结构安全。

一般情况下，零件或构件受交变载荷的反复作用下，会在其局部位置产生疲劳裂纹并扩展，最终断裂产生疲劳破坏。构件受交变疲劳载荷作用下引起的应力也称为交变应力，其循环应力随时间周期变化，一个周期应力变化过程为一个应力循环，其特点用最大应力σmax，最小应力σmin和周期T来描述。而在疲劳载荷中一般引入应力幅σa和应力范围。

其反映了交变应力在一个应力循环中的变化大小程度，为动载分量，是金属构件发生疲劳破坏的根本原因。

当受不对称循环交变载荷时，除了动载分量还有静载分量，这种不对称可用应力比R表示，静载分量用平均应力σm表示。

对于给定的循环应力水平，一般需要知道应力幅σa和应力比R，或最大应力σmax和平均应力σm。

一般情况下，材料所受循环应力幅越小，到发生疲劳断裂所经历的应力循环次数越长，S-N曲线就是材料所承受应力幅水平与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数的关系曲线。三种规范中的S-N曲线在无缺口标准试样的实验结果，实际零部件的形状，尺寸，表面状态，载荷情况等都会对疲劳强度产生一定影响。如受不对称循环载荷时，虽然产生疲劳破坏的根本原因为动应力分量即应力幅，但静应力分量即平均应力也会有一定影响。如图8所示，为EN1999中规定的铝合金疲劳曲线log△σ- logN，标准中给出的相关曲线数据为在高拉伸应力（即平均应力水平较高）试验下的相关疲劳强度数据，包括△σc、△m1，对于低拉伸应力和压缩应力，可根据应力比大小对其进行适当调整，其寿命可相对加长，故本节中计算相对更加保守。

图8 铝合金疲劳曲线(log△σ- logN)

图中:△σD为等幅疲劳极限，一般定义在ND=5 106处，当N > ND时，需要考虑高周疲劳应力带来的影响，而当N < ND时，由于裂纹扩展等特性也需要考虑其低周疲劳影响，其斜率会相对更大；△σc为在NC=2 106

当105≤N≤5 106时，有

当5106≤N≤108时，有

式中：Ni为计算应力范围△σi下疲劳之前所能达到的应力循环次数，γFf和γMf分别为载荷和材料不确定性的分项系数，一般γMf=1.0，γFf根据受力情况进行选取。m1和m2分别为上图中直线斜率的倒数，且一般m2=m1+2。故当求得计算应力范围△σi后可计算出对应的预测应力循环次数，再将其与许用次数进行比较可校核其疲劳强度，另外也可利用许用次数求对应的许用应力范围进而和实际计算应力范围进行比较。

GB50429中并未对铝合金疲劳进行阐述，一般是根据欧洲规范或者利用钢结构规范[9，10]对铝合金疲劳强度进行计算。

而ADM2015中仅介绍了N在105≤N≤5 106内下的疲劳强度的计算。且对于等幅载荷作用下，需满足

式中：Sra为计算应力范围，Srd为许用应力范围，N为疲劳破坏载荷循环次数，Cf和 m为常数，查表可得，不同焊接形式下取值不同。对于变幅载荷作用，需要将其转化为等效应力范围进行计算。

4 铝合金登船栈桥算例

以某铝合金可伸缩式登船栈桥为例，如图9所示为利用SAP2000建立的该栈桥的固定桁架和伸缩桁架模型，其中不同颜色表示不同截面的桁架。该栈桥桁架材料为Al 6082 T6，焊缝材料为Al 5083 H321，均采用MIG焊且退火温度为常温。

图9 铝合金登船栈桥模型

4.1 对接焊缝

如图10所示，以铝合金桁架之间的对接焊缝连接为例，分析各国规范对该处焊缝和热影响区的强度及疲劳，此处铝合金桁架节点根据较为恶劣工况下模型计算得对应的正拉力为141 589 N。

图10 桁架对接焊缝连接及截面形式

其中右侧截面为两个正方形箱形截面两侧上下对接焊缝连接组合而成，阴影部分为对接焊缝截面，采用全熔透形式，焊缝厚度为12 mm，由于焊缝采用闭合方形，故计算焊缝面积可直接使用阴影部分面积进行计算。表4中的强度设计值已经考虑了对应的分项系数，疲劳计算校核为许用应力循环次数在5 106下为标准进行校核。

表4 该处铝合金对接焊缝计算

本例中焊缝和构件的强度设计值为受拉压时的设计值，焊缝长度由于偏短各国规范并未进行折减，且有效焊缝厚度均相等，导致焊缝的计算强度是一致的。而对于构件的热影响区强度，由于热折减的厚度不同会导致折减面积不同从而热影响区计算强度会有所差别，其中热影响区厚度GB50429最大，ADM2015最小，而热影响区强度设计值则GB50429最小，而ADM2015最大，可见GB50429铝合金设计相比于EN1999和ADM2015会相对保守。而疲劳校核由于GB50429一般参考EN1999或依照钢结构设计规范进行求取故未单独列出，此外EN1999和ADM2015的疲劳应力范围设计值相差不大，而计算应力范围由于对应的相关系数不同会有一定差距。经过计算，可见该处铝合金对接焊缝的强度及疲劳满足设计要求。

4.2 角焊缝

如图11所示，以栈桥根部下端焊接耳板Part II水平角焊缝为例，其焊接形式为直角角焊缝，焊角高度为20 mm，焊缝受水平力F1=2 425 904 N，此时焊缝主要受剪力。

图11 桁架根部耳板角焊缝连接

其中对应的焊缝强度和疲劳计算如表5所示，对应的强度设计值为受剪设计值，由于该处本身就是对桁架截面部分的加强，故不需另外校核焊接热影响区，主要考虑焊缝的强度和疲劳计算。

表5 耳板铝合金角焊缝计算

5 结语

本文以各国规范中对对接焊缝和角焊缝的结构形式进行展开，并依次介绍了相应的焊缝和热影响区的强度和疲劳计算，并最后以铝合金可伸缩登船栈桥为例，利用三种规范对两种焊缝进行计算校核。

在各国铝合金规范中，GB50429主要从EN1999中参考而来，对接焊缝和角焊缝的计算，构件的热影响区截面折减及强度计算等参考计算公式基本一致，仅表现在相关系数的差别，且相应的热影响区厚度、应力分项系数等相比于EN1999更大。而ADM2015中采用的焊缝计算公式相对单一，并未考虑复杂焊接形式如T形焊缝等及复合受力下的计算，此外其使用相同的焊缝热影响区宽度，而并未考虑各种材料和热处理方式带来的影响，但与此同时其分项系数会相对偏大使得强度设计值会相对更大。