T-CWAN 0130-2025 焊接接头疲劳试验方法

ICS25.160.40CCSJ33团体标准Fatiguetestmethodforweldedjoints2025-03-19发布中国焊接协会发布T/CWAN0130—2025前言 2规范性引用文件 3术语和定义 4试样制备及加工 25试验设备 26试验方法 27试验报告 38数据处理方法 3附录A（资料性）不同受力形式的试样图纸 6附录B（资料性）焊接变形程序修正 附录C（资料性）板厚＞25mm的结果修正 附录D（资料性）试验报告模板 附录E（资料性）不同应力种类的转化计算 附录F（资料性）焊接接头P_S_N曲线的绘制 参考文献 22T/CWAN0130—2025本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国焊接协会提出并归口。本文件起草单位：江苏徐工工程机械研究院有限公司、华中科技大学、中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司、重庆科技大学、洛阳船舶材料研究所（中国船舶集团有限公司第七二五研究所）、南昌航空大学、天津市特种设备监督检验技术研究院、北部湾大学、中船双瑞（洛阳）特种装备股份有限公司、重庆三峡学院、中石化洛阳工程有限公司、合肥工业大学。本文件主要起草人：徐甄真、耿韶宁、彭根琛、黄瑞生、孟政宇、蒋平、张立辉、尹立孟、廖志谦、吴妍、韦晨、陈玉华、邹吉鹏、吕逸凡、武鹏博、马一鸣、马青军、雷小伟、冯志强、李德雨、王金富、胡伟民、曹浩、杨玉强、郑敏、刘大双、冯伟、方乃文。1T/CWAN0130—2025本文件适用于钢的电弧对接接头及角接接头的疲劳试验。本文件适用于绘制现有焊接水平下的S-N曲线及不同因素的对比试验。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB2656焊缝金属和焊接接头的疲劳试验法GB/T3323.1焊缝无损检测射线检测第1部分：X和伽玛射线的胶片技术GB/T13816GB/T15248GB/T19418焊接接头脉动拉伸疲劳试验方法金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法钢的弧焊接头缺陷质量分级指南GB/T19869.1钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验JB/T7716焊接接头四点弯曲疲劳试验方法3术语和定义四点弯曲four-pointbending是指其支撑为简支支撑，实现双向压力的受载方式。3.2三点弯曲three-pointbending是指其支撑为简支支撑，实现单向压力的受载方式。3.3脉动拉伸应力fluctuatingtensilestress指最小应力为零，或者最小应力很小，不发生脱位的拉伸交变应力。3.4条件疲劳极限conditionalfatiguelimit指能承受某一特定循环次数下不发生破坏的最大应力。3.52T/CWAN0130—2025S(应力)-N(循环数)曲线图S(stress)-N(numberofcycles)curve以应力为纵轴，以应力循环次数为横轴所描绘的曲线，称为S-N曲线。3.6P-S-N曲线图P-S-Ngraph不同统计概率下的S(应力)-N(循环数)曲线图。4试样制备及加工4.1试样可在焊接结构中直接截取。试样截取时，应留有足够试样加工余量，采用冷加工的方法进行试样截取。4.2如不能在实际结构中截取试样，可以焊接模拟试板。模拟试板的原材料（包括材料牌号、材料厚度、母材热处理状态等）、焊接结构形式、焊接工艺（包括焊接坡口、焊接道数和焊接工艺参数等）、焊前和焊后处理及焊接质量应与实际结构保持一致。模拟试板的尺寸参考实际结构和标准GB/T19869.1。4.3焊缝应保持原有焊态，焊接接头应按照标准GB/T19418进行检测，不得有表面裂纹、表面气孔、弧坑和夹渣等缺陷。4.4常见的疲劳试样图纸及受载方式见附录A所示。推荐采用十字接头进行试验。4.5试样焊接过程中角变形应＜5°,或者按产品的技术要求。如不满足现有条件应按照附录B对试验结果进行修正。4.6试样在焊接过程中应避免产生错边，或者满足GB/T19418规定。4.7焊接接头射线探伤应参照GB/T3323.1进行。4.8对于横向角焊缝连接和对接焊缝连接，焊接试样的板厚超过25mm时，按照附录C对应力幅采用板厚修正系数进行修正。4.9如果用于不同因素的对比试验，则不受4.7的约束。4.10焊接试样保留焊缝余高，或者按照其它参考标准执行。4.11机械加工的刀痕应该顺受力方向。4.12焊道中心应同试样中垂线重合。4.13推荐采用线切割形式进行试样加工。5试验设备5.1允许使用能够实现焊接试样疲劳的任何试验设备。5.2允许自行制作加载装置，但是要保证加载装置具有足够的强度和刚度。5.3要有合适的试样加紧装置。夹具能保证试样的对中。5.4试验前试验设备需要经过校验，或者在检定周期内。动载示波波动应小于或者等于3%。6试验方法3T/CWAN0130—20256.1一般要求6.1.1试验时首先对试样反复施加载荷，此时施加应力应处于试验应力的应力范围内。试样达到试验应力之前的循环次数不应超过试样疲劳寿命的1%。6.1.2试验时，试样在试验中不应松动，施加应力要迅速调到试验应力，试验应力误差不能超过±2%。6.1.3建议应力比R宜为0.1。6.1.4试验过程不应中断。6.1.5装夹要对称，对接试样装卡位置应与焊缝中心对称。6.1.6加载器同试样的中垂线应该重合。6.1.7试验过程中，应上、下午各测试一次焊接试样表面的温度，防止发生热疲劳。6.2用于绘制S-N曲线的试验6.2.1在50%的失效概率、不同应力水平下进行疲劳试验。假定疲劳寿命对数变量遵循正态分布，并且是应力的函数。6.2.2宜采用5个及以上等间距的应力，每个应力水平测试不少于6个试样。6.2.3对于高周疲劳试验，应力水平通常选取疲劳寿命介于3个量级之间，例如：从5×104到1×106周6.3用于对比测试的试验在50%的失效概率、不同应力水平下进行疲劳试验，每个应力水平测试不少于3个试样。7试验报告试验报告一般应包括以下内容，报告的格式见附录D所示。a)材料的牌号和标准号、生产厂、炉批、规格、化学成分、热处理工艺及常规力学性能。b)取样部位、试样形状、尺寸和表面状态。c)试验设备的型号。d)试验条件，包括试验温度及控制方法、环境介质、循环频率或循环应变速率、波形、应力比或应变比、控制方式。e)焊接试样用的pWPS及无损探伤测试结果。f)试验过程中不符合本标准的任何情况。g)试验结果。1)应力范围。2)到达失效的循环次数以及确定失效的标准。3)裂纹的出现位置及开裂方向。4)试验日期、试验者和校对者。8数据处理方法4T/CWAN0130—20258.1S-N曲线的绘制S-N曲线中S为应力，N为循环次数。不同应力种类的转化计算见附录E，S-N曲线的绘制过程如下。8.1.1采用双对数坐标绘制S-N曲线，纵轴为应力，横轴为循环数。8.1.2绘制一条完整的S-N曲线，应力最少要取5级，每级有效试验点不少于6个。8.1.3记录试验应力等级的数量、不同试验应力等级下的焊接试样数量、不同试验应力等级下各焊接试样的疲劳寿命值等原始试验数据。8.1.4在S-N双对数坐标图中，各级应力试验点均值的连线即为S-N曲线，或采用线性回归及其他分析方法拟合S-N曲线。8.1.5S-N曲线呈水平线时，水平线所对应的应力为疲劳极限。水平线所对应应力的试样数应不少于2个。疲劳极限附近相邻两个应力的比值应在1.05~1.20之间。8.1.6条件循环数为1×105，5×105，2×106，1×107，或特殊要求时，可按下列方法确定条件疲劳极限。a)根据要求的条件，在S-N曲线中查找。b)采用“逼近法”确定条件疲劳极限。经过同样应力试验的五个试样，在特定的条件循环数后，均未断裂；在比该应力略大的应力下有试样断裂时，则把这个无断裂试样的应力称为该循环数的条件疲劳极限。若要求保证条件疲劳极限在某一值时，用这个应力对五个试样进行试验，任何一个试样都没有断裂即可。c)在条件循环数附近的应力级别均有2个以上试样的试验结果时，可根据以下方法之一确定条件疲劳极限。1)找到一个半数以上试样没有破坏的应力级别，比这个应力略低的应力也有半数以上的试样没有破坏，这个略低的应力即为条件疲劳极限。2）找到一个试样不破坏的应力级别，取该应力级别与相邻应力级别应力的平均值。在比该平均值略低的应力下，试样不破坏，该平均值即为条件疲劳极限。3）对于重要结构件，可根据具体情况确定各个应力级别的试样数，采用统计方法求得条件疲劳极限。8.2P-S-N曲线的绘制P-S-N曲线的绘制步骤如下，详细的绘制过程见附录F。8.2.1采用双对数坐标绘制P-S-N曲线，纵轴为应力，横轴为循环数。8.2.2一般先绘制可靠度P为0.5时的S-N曲线，然后再绘制可靠度P为其他值时的S-N曲线，最终形成一系列的S-N曲线，统称为P-S-N曲线。8.2.3记录试验应力等级的数量，不同试验应力等级下的焊接试样数量、不同试验应力等级下各焊接试样的疲劳寿命值等原始试验数据。按下列方法进行数据处理。a)计算不同试验应力等级下的对数疲劳寿命x=lgN。-b)计算对应的对数疲劳寿命平均值x和标准差s。5T/CWAN0130—2025c)分析有无异常试样。若有，将异常数据剔除。d)分析不同试验应力等级下的数据点是否足够。若不够，需补充试样。e)检验对数疲劳寿命xji是否满足正态分布，即分析各试验应力等级下的标准正态偏量up与对数疲劳寿命x之间是否呈线性关系。若满足线性关系，则计算指定可靠度P在不同试验应力等级下的概率对数疲劳寿命。f)判断指定可靠度P下，概率对数疲劳寿命与对数应力是否呈线性关系。若满足线性关系，则采用线性拟合的方法计算出该可靠度P对应的截距a及斜率b。g)根据截距a和斜率b，绘制可靠度P对应的P-S-N曲线。6T/CWAN0130—2025附录A（资料性）不同受力形式的试样图纸根据实际焊接结构、疲劳试验设备和夹具等要求来确定疲劳试样的类型及尺寸。疲劳试样在材料、焊接工艺、焊缝几何形状、尺寸、制造质量和加载方式等方面应与实际结构尽可能相似。图A.1~图A.7为疲劳试样的一般建议尺寸。A.1对接接头拉伸疲劳试样图A.1对接接头拉伸疲劳试样（F为加载力）表A.1对接接头拉伸疲劳试样推荐尺寸（单位：mm）名称符号尺寸试样厚度t通常为焊接接头处的母材厚度试样总长度Lt适合于所使用的试验设备，确保夹持部位不打滑焊缝宽度Ls焊缝的最大宽度平行段长度Lc≥6t+Ls平行段宽度W0推荐≥6t，至少≥3t夹持端宽度Wt≥W0+12过渡圆弧半径R≥25A.2十字接头拉伸疲劳试样表A.2十字接头拉伸疲劳试样推荐尺寸（单位：mm）名称符号尺寸试样厚度通常为焊接接头处的母材厚度试样宽度试样总长度WLt推荐≥6t1，至少≥3t1≥300+t2试板非夹持端半长度L1≥2t1试样高度H5t17T/CWAN0130—2025图A.2十字接头拉伸疲劳试样（F为加载力）A.3T形接头拉伸疲劳试样图A.3T形接头拉伸疲劳疲劳试样（F为加载力）表A.3T形接头拉伸疲劳试样推荐尺寸（单位：mm）名称符号尺寸试样厚度通常为焊接接头处的母材厚度试样宽度W≥3t2试样总长度Lt≥8t1焊缝熔合线到辊筒中心的距离Lf≥3t1筋板高度H≥3t2+Ls8T/CWAN0130—2025A.4对接接头三、四点弯曲疲劳试样(a)三点弯曲(b)四点弯曲图A.4对接接头弯曲疲劳试样表A.4对接接头弯曲疲劳试样推荐尺寸（单位：mm）名称符号尺寸试样厚度t通常为焊接接头处的母材厚度试样宽度W2t试样总长度Lt≥8t焊缝熔合线到辊筒中心的距离Lf≥3tA.5T形接头弯曲疲劳试样一表A.5T形接头弯曲疲劳试样一推荐尺寸（单位：mm）名称符号尺寸试样厚度通常为焊接接头处的母材厚度试样宽度试样总长度WLt2t1≥8t1焊缝熔合线到辊筒中心的距离Lf≥3t1筋板高度H≥2t19T/CWAN0130—2025图A.5T形接头弯曲疲劳试样一A.6T形接头弯曲疲劳试样二图A.6T形接头弯曲疲劳试样二表A.6T形接头弯曲疲劳试样二推荐尺寸（单位：mm）名称符号尺寸试样厚度通常为焊接接头处的母材厚度试样宽度W2t1试样总长度Lt≥8t1焊缝熔合线到加载位置的距离Lf≥3t2筋板高度H≥2t1T/CWAN0130—2025A.7T形接头弯曲疲劳试样三图A.7T形接头弯曲疲劳试样三表A.7T形接头弯曲疲劳试样三推荐尺寸（单位：mm）名称符号尺寸试样厚度通常为焊接接头处的母材厚度试样宽度W≥2t1试样总长度Lt≥8t1焊缝熔合线到固定位置的距离Lf≥3t1筋板高度H≥2t1T/CWAN0130—2025附录B焊接变形修正由于焊接变形、焊件截面尺寸变化和焊接组装困难都会导致焊接接头存在错边，使得被焊部件出现不对中或角变形，进一步引起施加轴向载荷时载荷出现偏心。这种载荷的偏心会引起附加弯矩，从而影响疲劳性能。可采用千分表或其他工具测量错边和角变形α引起的轴向偏心e，如图B.1和公式(B.1)和(B.2)所示。图B.1轴向偏心测量示意图(B.2)测量偏心后，可计算以膜应力分量σm表征的二次弯曲应力σs，计算公式见表B.1。表B.1偏心引起的二次弯曲应力σs的计算公式类型示意图二次弯曲应力σs备注轴向偏心---其中，λ是拘束因子。对于无拘束对接和十字接头，λ=6。a)承载板焊缝表面附近，即发生潜在疲劳破坏的焊趾处；b)对远端载荷，假设l1=l2；c)根据试验，n=1.5λ。T/CWAN0130—2025角变形l1≥l2，α单位为弧度。两端固定：两端铰接：其中：a)承载板焊缝表面附近，即发生潜在疲劳破坏的焊趾处；b)对远端载荷，假设l1=l2；c)在拉伸载荷下，括号中的双曲正切tanh修正后可减少角变形影响。(l1+l2)/t＜10时，可忽略。(l1+l2)/t＞100时，与端部固定方式无关。十字接头角焊缝的轴向偏心=承载板的焊缝根部，即发生潜在疲劳破坏的焊缝根部。除非使用表B.1中的非线性双曲正切修正Δσs/Δσm=σs/σm，否则试验中应取施加应力的最大值和最小值来计算Δσs。修正后的最终应力幅为Δσcor=Δσm+Δσs。也可通过对焊接接头附近实际应力的测定来进行修正，如电阻应变片法。此时，修正的应力幅Δσcor由公式(B.3)给出。(B.3)式中：Δσm——施加的名义轴向应力或膜应力；ΔεB和ΔεF——试样背面和正面测得的应变。T/CWAN0130—2025（资料性）板厚＞25mm的结果修正对于板厚大于25mm的构件和连接，主要是横向角焊缝和对接焊缝等横向传力焊缝。板厚增加导致焊趾位置的应力集中和应力梯度产生变化，疲劳强度随着板厚增加有一定程度的降低，因此需要对应力幅采用板厚修正系数进行修正。采用有效缺口应力法或断裂力学法进行疲劳评价时，可不进行板厚修正。板厚修正系数γt的计算如下：式中：γt——板厚修正系数；tef——有效板厚，单位为mm；n——板厚修正指数。有效板厚与试样的厚度和焊缝尺寸有关。当L/t＜2时，tef=t；当L/t≥2时，tef取0.5L和t中较大的值。L的尺寸如图C.1所示。(a)对接接头(b)T形接头(c)角焊缝(d)开坡口熔透十字接头图C.1不同试样的有效板厚T/CWAN0130—2025式（C.1）中的n为板厚修正指数，与焊接接头类型有关，板厚修正指数n的取值见表C.1。表C.1板厚修正指数的推荐值接头类型状态板厚修正指数n十字接头，横向T形接头，带横向附件的板，纵向加强件端部焊态0.3十字接头，横向T形接头，带横向附件的板，纵向加强件端部焊趾打磨0.2横向对接接头焊态0.2去余高的对接接头，母材，纵向焊缝或板边缘的附件任何状态0.1T/CWAN0130—2025附录D（资料性）试验报告模板推荐的试验报告模板如表D.1所示。表D.1试验报告试验名称：试验温度：℃试验日期：试验人：母材焊接条件钢种：化学成/%焊接方法：焊接位置：标准牌号：焊接材料种类：直径、牌号：板厚：Mn：坡口形式：力学性能拉伸强度：MPaP：焊接电流：A焊接电压：V屈服强度：MPa焊接速度：mm/min运条法：延伸率：%其他：预热温度：℃后热温度：℃硬度：表面处理：表面加工：其他：焊接区硬度：其他：试验设备试样断面尺寸和焊道外观种类：试验号厚度/mm宽度/mm焊道外观形状容量：1频率：2其他：3……载荷/N最大载荷：最小载荷：应力/MPa最大应力：最小应力：全振幅：断裂时循环数：断裂时断口情况：备注：S-N曲线图：疲劳极限（或条件疲劳极限）/MPa：T/CWAN0130—2025（资料性）不同应力种类的转化计算不同受力形式下，对接接头、角焊缝、T形接头和十字接头的应力计算见表E.1。表E.1不同受力形式试样的应力计算接头形式简图载荷类型计算公式备注全熔透对接接头拉压δ≤δ1，δ和δ1为板厚。M=FL，M为力矩，F为加载力，L为力臂。平面内弯曲平面外弯曲部分熔透对接接头拉压对V形坡口：α≥60°时，a=sα<60°时，a=0.75sa=s；Ix=al(δ-a)2a为焊缝计算厚度；l为焊缝长度；ymax为焊缝计算截面距x轴的最大距离。弯曲开坡口熔透T形接头或十字接头拉压a为焊缝计算厚度。角焊缝和非全熔透T形接头或十字接头中a的取值见表E.2。平面内弯曲平面外弯曲角焊缝和非全熔透T形接头或十字接头拉压平面内弯曲平面外弯曲T/CWAN0130—2025表E.2焊缝计算厚度a接头形式焊缝横截面简图焊缝计算厚度备注角焊缝a≈0.7KK为焊脚尺寸，p为熔深a≈0.7Ka由内切三角形确定a=KcosθK≤8mm时，a=KK＞8mm时，a=0.7(K+p)一般p=3mm非全熔透T形接头或十字接头a=P/sinθPθK=45°时P＞K的情况a=(P+K)sinθKθK=45°时P＜K的情况疲劳试验中，根据生产设计要求和试验设备条件，确定应力比R。已知应力比R、最低应力σmin、最高应力σmax、应力幅σa和平均应力σm中任意两项，根据公式(E.1)~(E.3)，可计算出其他值。结合表E.1，即可计算出疲劳试验所需的平均负荷和交变负荷。(E.2)T/CWAN0130—2025(E.3)式中：σmin——最低应力；σmax——最高应力。应力水平的高低取决于试件破坏循环数的多少。高应力水平之间的间隔较大，低应力水平之间的间隔较小。最高应力水平可通过预实验确定，通常第一个试样的最高应力σmax可取0.6σb，σb为抗拉强度，然后根据实验结果对后续试样的应力水平进行增减。T/CWAN0130—2025（资料性）焊接接头P_S_N曲线的绘制焊接接头P-S-N曲线的详细绘制步骤如下：a)整理不同试验应力等级下各试样的疲劳寿命，按公式(F.1)计算不同试验应力等级下的对数疲劳寿命。xji=lgNji(F.1)式中：xji——试验应力等级j下第i个试样的对数疲劳寿命；Nji——试验应力等级j下第i个试样的疲劳寿命值。b)按公式(F.2)和(F.3)计算不同试验应力等级下对数疲劳寿命的均值和标准差。(F.2) 式中：xj——试验应力等级j下所有试样的对数疲劳寿命平均值；nj——试验应力等级j下的试样数量；sxj——试验应力等级j下对数疲劳寿命的标准差。c)根据公式(F.4)判断试验数据点是否异常。若公式(F.4)成立，则保留该数据点，否则应舍弃。(F.4)式中：zmin——起码值。zmin的取值见表F.1。表F.1起码值zminnjzminnjzminnjzmin42.2052.00202.2462.04252.3372.07302.3982.10402.5092.15502.58d)按公式(F.5)判断各试验应力等级下的试样数量nj是否足够。若公式(F.5)成立，则试样数量满足要求。若不成立，则试样数量不满足要求，应增加试样数量。增加试样数量后，再用公式(F.5)检验试样数量是否符合要求，如此循环，直至试样数量符合要求为止。T/CWAN0130—2025(F.5)式中：δmax——误差限度，一般取5%；tyj——t分布值，根据显著度和试样个数查表可得；up——可靠度等级P下的标准正态偏量，查表可得；j——标准离差修正系数，j的取值见表F.2。表F.2标准离差修正系数nj56789jnj2030405060je)检验对数疲劳寿命xji是否服从正态分布，即检验在可靠度P下，标准正态偏量up与对数疲劳寿命xji是否呈线性关系。首先，根据可靠度P的等级，计算标准正态偏量up。其次，根据公式(F.6)计算标准正态偏量up和对数疲劳寿命xji的相关系数rj。若|rj|＞rmin，则对数疲劳寿命xji满足正态分布。否则，不满足正态分布，终止计算，可增加试样数量再进行检验。相关系数最小值rmin的取值见表F.3。表F.3相关系数检验表nj-2rminnj-2rminnj-2rminnj-2rmin10.9970.553210.413350.32520.9500.532220.404400.30430.8780.514230.396450.28840.8110.497240.388500.27350.7540.482250.381600.25060.7070.468260.374700.23270.6660.456270.3670.21780.6320.444280