焊接结构的疲劳强度知识
焊接结构疲劳失效的原因主要包括以下几个方面:
①?客观地说，焊接接头的静载荷承载能力一般不低于母材；但在交变动载荷作用下，其承载能力远低于母材，且与焊接接头类型和焊接结构形式密切相关。这是导致一些结构由于焊接接头疲劳而过早失效的主要因素。
②?早期的焊接结构设计主要是基于静载荷强度设计，没有考虑疲劳设计，或者焊接结构的疲劳设计规范不完善，以至于出现了很多现在设计不合理的焊接接头。
③?工程设计人员和技术人员对焊接结构的抗疲劳特性认识不足，设计的焊接结构往往照搬其他金属结构的疲劳设计准则和结构形式；
④?焊接结构越来越广泛，在设计制造过程中，人们盲目追求结构的低成本和轻量化，导致焊接结构的设计负荷越来越大。？
⑤?焊接结构趋向于向高速重载方向发展，对焊接结构的动态承载能力要求越来越高，而焊接结构疲劳强度的科研水平相对滞后。
2影响焊接结构疲劳强度的主要因素
2.1静载荷强度对焊接结构疲劳强度的影响
在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有更高的比强度，即能以更轻的自重承受更大的荷载重量，因为同样重量的结构可以有很大的承载能力；或者同样的承载能力可以减轻自身重量。因此，高强度钢应运而生，它还具有较高的疲劳强度。母材的疲劳强度总是随着静载荷强度的增加而增加。
但对于焊接结构来说，情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳强度与母材的静强度、焊缝金属的静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度的匹配关系不大，也就是说，只要焊接接头的细节相同，高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的，具有相同的S-N曲线，适用于对接接头、角接接头、焊接梁等各种接头类型。Maddox研究了屈服点在386—636MPa和636MPa之间的碳锰钢以及六种焊条焊接的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展。结果表明，材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定的影响，但影响不显著。在设计承受交变载荷的焊接结构时，试图通过选择更高强度的钢种来满足工程需要是没有意义的。只有当应力比大于+0.5且静强度条件起主要作用时，才应采用高强度钢作为焊接接头的母材。
产生上述结果的原因是接头焊趾处沿熔合线存在类似咬边的渣楔缺陷，厚度为0.075mm-0.5mm，尖端半径小于0.015 mm，尖锐缺陷是疲劳裂纹开始的地方，相当于疲劳裂纹形成阶段，因此接头在一定应力幅下的疲劳寿命主要由疲劳裂纹扩展阶段决定。这些缺陷的出现，使得同类型钢材的所有焊接接头的疲劳强度都是一样的，与母材和焊接材料的静强度关系不大。
2.2疲劳强度上的应力集中
2.2.1连接器类型的影响
焊接接头的主要形式有对接接头、十字接头、丁字接头和搭接接头，由于传力线受到干扰，接头处会产生应力集中。
对接接头的力线干涉小，因此应力集中系数小，其疲劳强度会高于其他接头形式。然而，试验表明，由于有一系列因素影响对接接头的疲劳性能，对接接头的疲劳强度变化范围很大。如试样尺寸、坡口形式、焊接方法、焊条类型、焊接位置、焊缝形状、焊后焊缝处理、焊后热处理等都会对其产生影响。由于垫板处应力集中严重，永久垫板对接接头的疲劳强度降低。这种接头的疲劳裂纹都产生在焊缝与垫板的连接处，而不是焊趾处，其疲劳强度一般与形状最差的无垫板对接接头相当。
十字接头或T型接头已广泛应用于焊接结构中。在这种承压接头中，由于焊缝与母材过渡处的截面变化明显，应力集中系数高于对接接头，因此十字接头或T型接头的疲劳强度低于对接接头。对于无坡口角焊缝连接的接头和部分熔透焊缝的坡口接头，当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂可能发生在两个薄弱环节，即母材与焊趾或焊缝的连接处。对于带坡口熔透的十字接头，断裂通常只发生在焊趾处，而不是焊缝处。焊缝不承受工作应力的T型接头和十字接头的疲劳强度主要取决于焊缝和主承压板连接处的应力集中。t型接头的疲劳强度较高，而十字接头的疲劳强度较低。提高T型接头或十字接头疲劳强度的根本措施是坡口焊接，并对焊缝过渡进行处理使其平滑。通过这一改进措施，可以大大提高疲劳强度。
搭接接头的疲劳强度很低，这是由于力线严重扭曲造成的。用所谓的“加强型”盖板进行对接是极不合理的。由于应力集中增加，使用盖板后，原本具有高疲劳强度的对接接头被大大削弱。对于承载盖板接头，疲劳裂纹可能出现在母材或焊缝中。此外，改变盖板宽度或焊缝长度也会改变母材中的应力分布，从而影响接头的疲劳强度，即随着焊缝长度与盖板宽度之比的增大，接头的疲劳强度会增大，这是因为母材中的应力分布趋于均匀。
焊缝形状的影响
无论什么接头形式，都是通过对接焊缝和角焊缝两种焊缝来连接的。不同焊缝形状的应力集中系数不同，因此疲劳强度具有很大的分散性。
对接焊缝的形状对接头的疲劳强度影响最大。？
？过渡角的影响(1) Yamaguchi等人建立了疲劳强度与母材和焊缝金属之间的过渡角(外钝角)的关系。W(焊缝宽度)和H(高度)在试验中发生变化，但h/W比保持不变。这意味着夹角保持不变，并且测试结果显示疲劳强度也保持不变。但若W不变，参数H改变，则发现接头的疲劳强度随H的增加而降低，这显然是外夹角减小的结果。
？(2)焊缝过渡半径的影响？Sander等人的研究结果表明，焊缝过渡半径对接头的疲劳强度也有重要影响，即过渡半径增大(过渡角不变)，疲劳强度增大。
角焊缝的形状对接头的疲劳强度也有很大影响。
当计算厚度A与单个焊缝厚度B之比A/B；0.7，一般断在母材。但是，增加焊缝尺寸只在一定范围内对提高疲劳强度有效。因为焊缝尺寸的增加并不能改变另一个薄弱段焊趾处母材的强度，充其量也不能超过疲劳强度。Soete，Van Crombrugge使用15mm厚的钢板，通过不同的角焊缝进行焊接。在轴向疲劳载荷下，发现当焊脚为13mm时，断裂发生在焊趾处的母材或焊缝中。当焊脚小于该值时，焊缝上发生疲劳断裂；当焊脚尺寸为18mm时，断裂发生在母材。基于此，他们提出了极限焊脚尺寸:S=0.85B其中S为焊脚尺寸，b为板厚。可以看出，即使焊脚尺寸达到板厚(15mm)，仍然可以得到焊缝的断裂结果，与理论结果吻合较好。
焊接缺陷的影响
焊趾存在大量不同类型的缺陷，导致疲劳裂纹早期开裂，母材疲劳强度急剧下降(下降到80%)。一般来说，焊接缺陷可分为两种:表面缺陷(如裂纹、未熔合等。)和体积缺陷(如气孔和夹渣等。)，而他们的影响程度是不问的。同时，焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与缺陷的类型、方向和位置有关。
1) ?裂缝？焊接中的裂纹，如冷裂纹和热裂纹，是除脆性结构外的严重应力集中源，可大大降低结构或接头的疲劳强度。以往的研究表明，在交变载荷条件下，当焊缝中存在长度为25mm、深度为5.2mm的裂纹(它们约占试样横截面积的10%)时，宽度为60mm、厚度为12.7mm的低碳钢对接接头试样的疲劳强度降低55%~65%。
2) ?不完全渗透？需要注意的是，未焊透并不一定被认为是缺陷，因为有时有些接头被人为地要求为周向焊透，一个典型的例子就是一些压力容器接管的设计。未焊透缺陷有时是表面缺陷(单面焊)，有时是内部缺陷(双面焊)，本质上可以是局部或全局的。它们的主要影响是削弱横截面积，引起应力集中。与没有这种缺陷的试验结果相比，疲劳寿命中削弱面积为10%的疲劳强度降低了25%，这意味着其影响没有裂纹的影响严重。
3) ?未火？由于样品制备困难，相关研究至今极为少见。但毫无疑问，未熔合属于平面缺陷，不能忽略，一般按未熔合处理。
4) ?表征底切的主要参数是底切长度L、底切深度H和底切宽度W..影响疲劳强度的主要参数是咬边深度H，目前可以用深度H或深厚比(h/B)作为评价接头疲劳强度的参数。
5) ?气孔？对于体积亏损，Harrison分析总结了前人的实验结果。疲劳强度的降低主要是由孔隙截面积的减小引起的，两者之间存在一定的线性关系。但有研究表明，当试样表面采用机械加工方法加工时，当孔隙在表面上或表面正下方时，孔隙的不利影响会增大，它会作为应力集中源，成为疲劳裂纹的起点。这表明气孔的位置对接头疲劳强度的影响比其尺寸大，表面或亚表面气孔的影响最不利。
6) ?夹渣？IIW的相关研究报告指出，夹渣作为一种体积缺陷，对接头疲劳强度的影响大于气孔。？
从上面的介绍可以看出，焊接缺陷对接头疲劳强度的影响不仅与缺陷的大小有关，还取决于其他许多因素，如表面缺陷比内部缺陷影响更大，垂直于力方向的表面缺陷比其他方向影响更大；残余拉应力区缺陷的影响大于残余压应力区缺陷的影响；位于应力集中区的缺陷(如焊趾裂纹)比均匀应力场中的相同缺陷具有更大的影响。
2.3焊接残余应力对疲劳强度的影响
焊接残余应力是焊接结构独有的特征，因此其对焊接结构疲劳强度的影响是一个受到广泛关注的问题，为此开展了大量的试验研究工作。在试验中，经常将有焊接残余应力的试样与热处理后的试样进行比较，以消除残余应力。由于焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的材料性能的变化，热处理不仅可以消除残余应力，还可以恢复或部分恢复材料性能。同时，由于试验结果的分散性，对试验结果有不同的解释，对焊接残余应力的影响也有不同的评价。
以一些人早期和近期的研究工作为例，这个问题就可以解释得很清楚了。对于超高对接接头2×106循环试验的结果，不同的研究者得出了不同的结论。发现热处理消除应力试样的疲劳强度比相同焊接状态的试样高65438±02.5%；其他人发现，焊接态和热处理态试样的疲劳强度相同，即差别不大；但也发现热处理消除残余应力后疲劳强度有所提高，但附加值远低于12.5%等等。表面抛光的对接试样的试验结果也是如此，即有些试验认为热处理后疲劳强度可以提高17%，但有些试验结果表明热处理后疲劳强度并没有提高。这个问题困扰了很久，直到前苏联的一些学者在交变载荷下进行了一系列实验，才逐渐弄清楚了这个问题。
其中最值得一提的是Trufyakov关于不同应力循环特征下焊接残余应力对接头疲劳强度影响的研究。试验采用14Mn2普通低合金结构钢，试样上有一条横向对接焊缝，两侧各堆焊一条纵向焊缝。一组样品进行热处理以消除焊后残余应力，另一组不进行热处理。疲劳强度对比试验采用三个应力循环特征系数r =-1，0和+0.3。？在交变载荷(r=-1)下，去除残余应力的试样疲劳强度接近130MPa，而未去除残余应力的试样疲劳强度仅为75MPa。在脉动载荷下(r=0)，两组的疲劳强度相同，均为185MPa。但当r=0.3时，热处理去除残余应力的试样的疲劳强度为260MPa，略低于未经热处理的试样(270MPa)。产生这种现象的主要原因是:当R值较高时，例如在脉动载荷下(r=0)，疲劳强度较高，在高拉应力作用下，残余应力释放较快，因此残余应力对疲劳强度的影响减弱；当r增大到0.3时，载荷下残余应力进一步降低，实际上对疲劳强度没有影响。但热处理既消除了残余应力，又使材料软化，所以热处理后疲劳强度下降。该试验很好地解释了焊接热循环引起的残余应力和材料变化对疲劳强度的影响。还可以看出，焊接残余应力对接头疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力循环特性有关。即，当循环特征值低时，影响更大。
如前所述，由于结构焊缝中存在达到材料屈服点的残余应力，焊缝附近的实际应力循环将以等幅应力循环从接头中材料的屈服点向下摆动，而不考虑其原始作用的循环特性。例如，如果名义应力周期为+S1至-S2，其应力范围应为S1+S2。但接头中的实际应力循环范围将从Sy(屈服点的应力幅)到Sy-(S1+S2)。这在研究焊接接头的疲劳强度时非常重要，导致一些设计规范用应力范围代替循环特性R。
此外，试样尺寸、加载方式、应力循环比和载荷谱对试验过程中的疲劳强度也有很大影响。