浅议焊接结构疲劳寿命预测及抗疲劳措施

浅议焊接结构疲劳寿命预测及抗疲劳措施
作者：王玉华缪卓君
来源：《甘肃科技纵横》2022年第02期
摘要：基于焊接结构疲劳破坏分析，从焊接接头形式与应力集中、焊接热影响区金属性能的变化及应力特征、焊接缺陷与环境介质等角度分析了焊接结构疲劳断裂的影响因素。

结合已有的研究，从疲劳裂纹萌生机理与疲劳断裂过程的主要阶段分析了焊接结构疲劳失效的机理与过程，焊接结构疲劳失效的主要阶段包括初始疲劳裂纹在应力集中初的萌生、疲劳裂纹的亚临界或稳定扩展、疲劳裂纹的失稳扩展直至结构断裂三个阶段。

基于断裂力学理论，介绍了焊接结构疲劳寿命评估方法，并从抗疲劳设计、控制焊接过程中产生的残余应力、焊接位置或母材的表面处理等角度介绍了常见的焊接结构抗疲劳措施。

本研究对于焊接结构疲劳寿命研究及抗疲劳设计，具有一定的参考与借鉴意义。

关键词：结构工程；焊接；疲劳寿命；抗疲劳措施
中图分类号：TU391文献标志码：A
0引言
在现代钢结构的应用与连接中，焊接连接方式是最主要的连接方式之一[1，3]，其具有构造简单、加工便捷、连接性能优异、用料节省、适合工业化生产等诸多优点，故被广泛应用于房建结构、航空航天、海洋平台等领域[2～5]。

然而，绝大多数的焊接结构都在交变应力作用下工作，长期的循环交变应力作用会导致结构出现疲劳破坏[1，2，5]，加之焊接结构本身的特点，焊缝区与母材由于加工过程及本身的力学特点，在焊接接头位置出现二者的力学性能不匹配，疲劳作用下极易在接头位置产生裂纹及其他缺陷，极大地降低了焊接结构的抗疲劳性能及服役性能[3，5，6]。

大量统计表明，金属结构由于疲劳导致的失效，占总失效形式的70%以上。

钢结构在发生疲劳破坏之前，并不会出现明显的塑性变形，是一种突然发生断裂的破坏形式[5～9]，一般的疲劳破坏断面成断口平直的形式，因此，疲劳破坏是一种反复应力或荷载作用下的脆性破坏形式。

焊接构件在加工过程中，会出现不同程度的焊渣侵入焊縫趾部、焊缝内存在气孔、焊接出现欠焊等现象，导致焊接结构焊缝存在咬边、未焊透等焊接缺陷及施工误差，加之焊接结构由于其自身会在整体几何形状不连续处引入焊接连接方式，进一步导致焊缝部位在荷载作用下出现严重的应力集中现象[7～13]。

此外，钢材本身的性能缺陷诸如化学成分的偏析与非金属杂质，以及钢材加工过程中的缺陷如非焊接结构与构件表面上的刻痕、轧钢皮时产生的凹凸不平、钢材加工过程中的冲孔、剪边、火焰切割等工艺带来的结构与构件自身的毛边和裂纹等[5～14]，也会进一步加剧焊接结构在疲劳应力作用下的性能劣化过程及程度。

因此，进一步
研究焊接结构的疲劳性能与抗疲劳措施，对于延长焊接结构使用寿命，提高结构服役性能，具有重要意义。

1焊接结构疲劳断裂影响因素及断裂机理
1.1焊接结构疲劳断裂影响因素
钢结构使用过程中，对钢材基体疲劳性能产生影响的因素包括应力集中、构件截面形式及尺寸、材料表面的状态、荷载特征、环境介质等。

焊接接头本身的特殊性，如接头材料性能与接头形式、焊接缺陷及残余应力等，也会对焊接结构的疲劳性能产生一定影响。

首先，焊接接头的形式及应力集中对焊接结构的疲劳性能有显著影响，如图1所示，为结构焊接过程中不同的接头形式。

不同的焊接接头会导致焊缝位置出现不同形式的应力集中现象，一般情况下，对接接头的应力集中最小，对应结构的疲劳强度最高，对接接头的具体形式如图1（a）所示。

采用对接形式焊接后，对焊缝表面进行加工处理，使焊缝与母材表面平齐，或在二者交界位置采用大圆弧半径过渡，可有效降低应力集中，未经加工的焊接接头，其焊缝余高e以及过渡角θ越小，疲劳强度越高。

相对而言，采用搭接接头和加盖接头焊接的结构，如图1（b）与1（c）所示，其疲劳强度要低于同等情况下对接接头的疲劳强度。

带有端面角焊缝的焊接接头，其疲劳强度与焊缝的形状有关。

承受疲劳应力且未开坡口又无熔深的十字接头，其疲劳断裂发生的位置与焊脚和板厚的比值kδ有关。

根据以往的研究，在轴向力作用下，当k/δ（0.9～1.0）时，断裂一般会发生在焊趾趾端与母材的交界位置；当k/δ（0.4～0.5）时，断裂一般会发生在焊缝位置。

对于承受疲劳应力且带有坡口或具有一定熔深的十字接头，焊脚和板厚比值kδ的临界值随着焊缝熔深的增长呈现下降趋势。

其次，焊接热影响区金属性能的变化以及应力特征对焊接结构的疲劳性能有一定程度的影响。

对于焊接结构而言，焊接位置的热影响区域是整个结构材料组织和性能分布最不均匀的位
置，焊接母材的原始成分与性能、焊接工艺参数、材料加工技术等因素均对该位置的焊接性能有显著影响。

一般而言，大多数金属的疲劳寿命在低周疲劳循环下与金属内部晶粒的关系不大，但金属的疲劳寿命与疲劳强度在高周疲劳下会因为金属内部晶粒的尺寸增大而减小，因此，在材料的焊接与热处理过程中减小工艺因素对金属晶粒的影响，对提高焊接结构疲劳寿命意义较大。

普通低碳钢的疲劳寿命与金属内部含碳量有关，但是焊接过程中热影响区的材料组织性能对不同含碳量的钢材焊接接头疲劳强度影响不明显。

焊接结构在使用过程中，其表面的应力水平较高，所以疲劳裂纹首先会在结构表面产生，根据以往的研究结果，增大结构使用过程中的拉应力水平会降低焊接结构的疲劳寿命，而增加压应力水平则会提高结构的疲劳寿命。

焊接参与应力也对焊接结构的疲劳性能有显著的不利影响，会降低接头位置的疲劳强度，焊接结构存在一定水平的焊接残余应力时，会导致构建的平均应力水平有不同程度的提高，进而致使构件服役过程中的应力比增大，加速焊接位置的裂纹萌生与扩展速率。

最后，焊接缺陷与环境介质对焊接结构疲劳性能的影响不容忽视。

焊接时产生的气孔、夹渣、欠焊等焊接缺陷对焊接接头的静态塑性强度影响较小，但对结构的疲劳强度影响较为严重，带裂纹的焊接接头存在上述缺陷时，结构的疲劳强度下降速率显著增加。

焊接工艺带来的咬边现象也会影响焊接结构的疲劳性能，已有的研究表明，焊接接头带有咬边时，其百万次的疲劳强度为致密接头疲劳强度的40%左右。

因此，焊接缺陷的种类、尺寸、位置、形式等对焊接结构的疲劳强度有不同程度的影响。

此外，焊接结构的工作环境及环境介质对其疲劳强度存在一定程度的影响。

当焊接结构在腐蚀介质中工作时，疲劳应力与腐蚀的耦合作用会降低结构的疲劳强度，介质的腐蚀会进一步加速疲劳裂纹的萌生与扩展进程，进而影响焊接结构的疲劳寿命。

1.2焊接结构疲劳断裂机理
已有的研究表明，焊接结构的疲劳断裂过程实质上是结构在疲劳荷载作用下损伤的发展与累积过程，主要的阶段包括初始疲劳裂纹在应力集中初的萌生、疲劳裂纹的亚临界或稳定扩展、疲劳裂纹的失稳扩展直至结构断裂三个阶段。

疲劳断裂不同于常规的静力破坏，而是在多次反复应力作用下，经历较长时间后疲劳裂纹不断扩展导致的破坏，受材料自身性能与构件形状、加工工艺、使用条件等的影响。

如图2所示，典型钢结构的结构疲劳断裂的演化过程可以分为裂源区、疲劳裂纹扩展区、以及瞬间断裂区这三个过程。

疲劳断裂发生之前，结构不会出现明显的征兆，其具有典型的突发特性，且具备一定程度的低应力脆断特征，即便结构不含初始缺陷，在反复循环加载过程中也会萌生裂纹，直至裂纹扩展到结构断裂，因此结构的疲劳断裂属于典型的穿晶断裂。

对于焊接结构而言，焊接接头相对和母材的整体性与均匀性较差，属于结构的薄弱位置，因此焊接结构的疲劳首先是从焊接接头位置开始发展，裂纹的孕育和萌生也比母材早，即焊接接头位置产生疲劳缺陷所需的荷载循环次数比结构整体疲劳所需的次数少，缩短了疲劳裂纹孕育及发展的进程。

如图3所示，为疲劳裂纹的萌生机理示意图。

如图3所示，焊接结构由于焊缝位置材料的不均匀性与焊接过程自带的缺陷，焊缝位置会产生较高水平的应力集中现象，甚至出现比刚才屈服强度高的应力水平，导致该位置出现不同程度的位错和塑性变形，进而致使焊接位置的局部在最大剪应力方向发生滑移。

在反复循环荷载作用下，焊缝位置所产生的不同方向的滑移，导致结构构件表明产生不同程度的凹入与凸出，疲劳应力导致的多次反复凹凸变形，造成对应位置孕育并萌生疲劳裂纹，裂纹的逐渐扩展最终导致结构失稳和断裂。

2焊接结构疲劳寿命评估及抗疲劳措施
2.1焊接结构疲劳寿命评估方法
在断裂力学中，一般认为结构及材料的内部存在不同程度的微缺陷，通过建立材料的力学性能、结构与裂纹几何尺寸、荷载三者之前的定量关系，来描述结构在疲劳荷载作用下的裂纹扩展速率da/dN，进而构建疲劳裂纹的扩展公式。

根据Paris等人的研究，将获得的裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅值ΔK之间的关系在双对数坐标系中进行描绘，即可得到反映疲劳裂纹扩展三个阶段的一条反S型曲线，如图4所示。

如图4所示，Ⅰ区对应1.2所述的疲劳裂纹在应力集中处的孕育和萌生阶段，此时da/dN 与ΔK的关系曲线较为陡峭，曲线初始延伸阶段对应某一临界值，一般称该临界值为界限应力强度因子幅ΔKth，当应力强度因子幅值ΔK小于該临界值时，认为疲劳裂纹处于孕育和萌生阶段，不发生裂纹的扩展。

Ⅱ区对应疲劳裂纹的亚临界或稳定扩展阶段，此时应力强度因子幅值ΔK达到了临界值ΔKth并继续发展，此时认为焊接结构的疲劳裂纹开始扩展。

在图4所示
的双对数坐标系中lg（da/dN）与lg（ΔK）整体上为线性关系，根据以往的研究，可用da/dN 与ΔK之间的函数关系反映该阶段对应的疲劳裂纹扩展速率，即：
依据实测得到的初始裂纹长度、等效应力幅、构件的几何形状系数等参数，即可利用（6）式实现焊接结构的疲劳寿命计算与预测。

2.2焊接结构抗疲劳措施
基于焊接结构疲劳断裂的影响因素与疲劳断裂机理，焊接结构的抗疲劳措施可从抗疲劳设计、减小焊接残余应力、表面强化处理、合理布置焊缝、焊缝位置采用涂层保护及表面处理、及时消除缺陷等方面入手。

一方面，抗疲劳设计的核心思想是通过降低应力集中来提高焊接接头的疲劳强度。

具体的设计措施如合理设计构件形式，从构造上降低结构的应力集中；选择应力集中系数较小的接头进行焊接，搭接接头尽量用应力集中系数小的对接接头代替。

焊接过程中无法避免使用角焊缝时，必须采取综合性措施，保证角接板形状合理，焊缝根部熔透，进而降低应力集中现象，同时消除残余应力对结构整体性能的不利影响，从根本上提高焊接接头的疲劳强度。

对结构和构件采用表面机械加工的方法，可有效消除结构焊缝附近的缺口和刻槽等缺陷，从而实现降低结构应力集中，提高构件疲劳寿命的目的。

另一方面，控制焊接过程中产生的残余应力，减小甚至消除焊接接头位置应力集中处的残余拉应力，或者通过构造措施使该处产生残余压应力等，均可以提高焊接结构的疲劳强度。

控制焊接残余应力的方法包括：施工中适当调整焊接方法、工艺参数、接头形式、焊接顺序等；采用焊后退火热处理的方式可降低残余应力的峰值，使应力分布更为均匀和平稳；对于质量较好、韧性优异的结构，在正式投入使用之前，可以通过多次超载预压-卸压的方式消除残余应力；焊接接头和局部位置可以采用加热、碾压、局部爆炸等方式来处理残余应力，调节残余应力场，进而提高焊接接头的疲劳强度。

最后，焊接缺陷与环境介质对焊接结构疲劳性能的影响不容忽视。

焊接时产生的气孔、夹渣、欠焊等焊接缺陷对焊接接头的静态塑性强度影响较小，但对结构的疲劳强度影响较为严重，带裂纹的焊接接头存在上述缺陷时，结构的疲劳强度下降速率显著增加。

焊接工艺带来的咬边现象也会影响焊接结构的疲劳性能，已有的研究表明，焊接接头带有咬边时，其百万次的疲劳强度为致密接头疲劳强度的40%左右。

因此，焊接缺陷的种类、尺寸、位置、形式等对焊接结构的疲劳强度有不同程度的影响。

此外，焊接结构的工作环境及环境介质对其疲劳强度存在一定程度的影响。

当焊接结构在腐蚀介质中工作时，疲劳应力与腐蚀的耦合作用会降低结构
的疲劳强度，介质的腐蚀会进一步加速疲劳裂纹的萌生与扩展进程，进而影响焊接结构的疲劳寿命。

1.2焊接结构疲劳断裂机理
已有的研究表明，焊接结构的疲劳断裂过程实质上是结构在疲劳荷载作用下损伤的发展与累积过程，主要的阶段包括初始疲劳裂纹在应力集中初的萌生、疲劳裂纹的亚临界或稳定扩展、疲劳裂纹的失稳扩展直至结构断裂三个阶段。

疲劳断裂不同于常规的静力破坏，而是在多次反复应力作用下，经历较长时间后疲劳裂纹不断扩展导致的破坏，受材料自身性能与构件形状、加工工艺、使用条件等的影响。

如图2所示，典型钢结构的结构疲劳断裂的演化过程可以分为裂源区、疲劳裂纹扩展区、以及瞬间断裂区这三个过程。

疲劳断裂发生之前，结构不会出现明显的征兆，其具有典型的突发特性，且具备一定程度的低应力脆断特征，即便结构不含初始缺陷，在反复循环加载过程中也会萌生裂纹，直至裂纹扩展到结构断裂，因此结构的疲劳断裂属于典型的穿晶断裂。

对于焊接结构而言，焊接接头相对和母材的整体性与均匀性较差，属于结构的薄弱位置，因此焊接结构的疲劳首先是从焊接接头位置开始发展，裂纹的孕育和萌生也比母材早，即焊接接头位置产生疲劳缺陷所需的荷载循环次数比结构整体疲劳所需的次数少，缩短了疲劳裂纹孕育及发展的进程。

如图3所示，为疲劳裂纹的萌生机理示意图。

如图3所示，焊接结构由于焊缝位置材料的不均匀性与焊接过程自带的缺陷，焊缝位置会产生较高水平的应力集中现象，甚至出现比刚才屈服强度高的应力水平，导致该位置出现不同程度的位错和塑性变形，进而致使焊接位置的局部在最大剪应力方向发生滑移。

在反复循环荷载作用下，焊缝位置所产生的不同方向的滑移，导致结构构件表明产生不同程度的凹入与凸出，疲劳应力导致的多次反复凹凸变形，造成对应位置孕育并萌生疲劳裂纹，裂纹的逐渐扩展最终导致结构失稳和断裂。

2焊接结构疲劳寿命评估及抗疲劳措施
2.1焊接结构疲劳寿命评估方法
在断裂力学中，一般认为结构及材料的内部存在不同程度的微缺陷，通过建立材料的力学性能、结构与裂纹几何尺寸、荷载三者之前的定量关系，来描述结构在疲劳荷载作用下的裂纹扩展速率da/dN，进而构建疲劳裂纹的扩展公式。

根据Paris等人的研究，将获得的裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅值ΔK之间的关系在双对数坐标系中进行描绘，即可得到反映疲劳裂纹扩展三个阶段的一条反S型曲线，如图4所示。

如图4所示，Ⅰ区对应1.2所述的疲劳裂纹在应力集中处的孕育和萌生阶段，此时da/dN 与ΔK的关系曲线较为陡峭，曲线初始延伸阶段对应某一临界值，一般称该临界值为界限应力强度因子幅ΔKth，当应力强度因子幅值ΔK小于该临界值时，认为疲劳裂纹处于孕育和萌生阶段，不发生裂纹的扩展。

Ⅱ区对应疲劳裂纹的亚临界或稳定扩展阶段，此时应力强度因子幅值ΔK达到了临界值ΔKth并继续发展，此时认为焊接结构的疲劳裂纹开始扩展。

在图4所示的双对数坐标系中lg（da/dN）与lg（ΔK）整体上为线性关系，根据以往的研究，可用da/dN 与ΔK之间的函数关系反映该阶段对应的疲劳裂纹扩展速率，即：
依据实测得到的初始裂纹长度、等效应力幅、构件的几何形状系数等参数，即可利用（6）式实现焊接结构的疲劳寿命计算与预测。

2.2焊接结构抗疲劳措施
基于焊接结构疲劳断裂的影响因素与疲劳断裂机理，焊接结构的抗疲劳措施可从抗疲劳设计、减小焊接残余应力、表面强化处理、合理布置焊缝、焊缝位置采用涂层保护及表面处理、及时消除缺陷等方面入手。

一方面，抗疲劳设计的核心思想是通过降低应力集中来提高焊接接头的疲劳强度。

具体的设计措施如合理设计构件形式，从构造上降低结构的应力集中；选择应力集中系数较小的接头进行焊接，搭接接头尽量用应力集中系数小的对接接头代替。

焊接过程中无法避免使用角焊缝时，必须采取综合性措施，保证角接板形状合理，焊缝根部熔透，进而降低应力集中现象，同时消除残余应力对结构整体性能的不利影响，从根本上提高焊接接头的疲劳强度。

对结构和构件采用表面机械加工的方法，可有效消除结构焊缝附近的缺口和刻槽等缺陷，从而实现降低结构应力集中，提高构件疲劳寿命的目的。

另一方面，控制焊接過程中产生的残余应力，减小甚至消除焊接接头位置应力集中处的残余拉应力，或者通过构造措施使该处产生残余压应力等，均可以提高焊接结构的疲劳强度。

控制焊接残余应力的方法包括：施工中适当调整焊接方法、工艺参数、接头形式、焊接顺序等；采用焊后退火热处理的方式可降低残余应力的峰值，使应力分布更为均匀和平稳；对于质量较好、韧性优异的结构，在正式投入使用之前，可以通过多次超载预压-卸压的方式消除残余应力；焊接接头和局部位置可以采用加热、碾压、局部爆炸等方式来处理残余应力，调节残余应力场，进而提高焊接接头的疲劳强度。