疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式，大量統(tǒng)計(jì)資料說明，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)約占失效結(jié)構(gòu)的90%。由于焊接接頭焊趾處的焊接缺陷、應(yīng)力集中和殘余拉伸應(yīng)力的作用，其疲勞強(qiáng)度大幅度地低于基體金屬的疲勞強(qiáng)度。所以焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度取決于接頭的疲勞性能，即焊接接頭的抗疲勞性能關(guān)系著焊接結(jié)構(gòu)能否安全使用。而焊接殘余應(yīng)力對(duì)于疲勞強(qiáng)度的影響也是人們廣為關(guān)心的問題，為此人們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作。由于影響因素復(fù)雜，因此，人們對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響產(chǎn)生了不同疑慮，也有了不同的評(píng)價(jià)。

焊接接頭疲勞裂紋一般啟裂位置存在于焊根和焊趾兩個(gè)部位，如果焊根部位的疲勞裂紋啟裂的危險(xiǎn)被抑制，焊接接頭的危險(xiǎn)點(diǎn)則集中于焊趾部位。許多方法可以用于提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度：①減少或消滅焊接缺欠特別是開口缺陷；②改善焊趾部位的幾何形狀降低應(yīng)力集中系數(shù)；③調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力場(chǎng)等。

1焊接過程優(yōu)化

焊接過程中應(yīng)加強(qiáng)制造、施工的質(zhì)量管理，防止或減少焊接缺陷的產(chǎn)生。①采用合理的構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式，避免焊縫的密集、交叉分布，避免將焊縫布置在幾何突變處或“高應(yīng)力區(qū)”，以減少應(yīng)力集中，提高其疲勞強(qiáng)度；②采取合理的焊接順序，盡量讓焊縫自由收縮，以減少焊接殘余應(yīng)力；③盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的對(duì)接接頭形式，避免采用搭接接頭；④正確選擇焊接工藝參數(shù)，保證焊縫根部焊透，控制余高及焊趾幾何形狀。

2調(diào)整殘余應(yīng)力和加工修整焊趾

（1）預(yù)超載法假如在含有應(yīng)力集中的試樣上施加拉伸載荷，直到在缺口處發(fā)生屈服，并伴有一定的拉伸塑性變形，卸載后則缺口及其附近發(fā)生拉伸塑性變形處將產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點(diǎn)的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后的疲勞試驗(yàn)中，其應(yīng)力范圍將與原始未施加預(yù)過載的試樣不同，即顯著變小，因此它可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。大型焊接結(jié)構(gòu)(如橋梁、壓力容器等)投入運(yùn)行前需進(jìn)行一定的預(yù)過載試驗(yàn)，這對(duì)提高疲勞性能是有利的。但預(yù)超載法對(duì)疲勞強(qiáng)度的改善效果和其它方法相比不是很明顯。

（2）局部加熱法與局部擠壓法采用局部加熱可以調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，即在應(yīng)力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，因而對(duì)提高接頭疲勞強(qiáng)度是有利的。擠壓法與加熱法相似，借助局部集中的加熱作用或擠壓作用，引起缺口附近屈服而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，其效果好于超載法，但不如噴丸法。

（3）射水急冷法該方法的要點(diǎn)是直接向缺口部位而不是附近部位加熱到能產(chǎn)生塑性變形但低于相變溫度55℃的溫度，然后急劇噴淋冷卻之。由于表層下金屬和其周圍未受噴淋的金屬冷卻的較晚，待其冷卻時(shí)收縮將在已冷卻表面上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。借此壓縮應(yīng)力即可提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。曾采用此方法成功地防止對(duì)接管道內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋。

（4）表面壓縮法包括錘擊法和噴丸法，是冷加工方法，是在缺口頂端橫向變形受到拘束時(shí)借助局部集中的表面壓力引起屈服而產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力的方法。錘擊和噴丸還有消除微小缺口、改善缺口幾何形狀和冷作硬化作用。錘擊和噴丸能很好地改善疲勞強(qiáng)度，且噴丸對(duì)于高強(qiáng)鋼具有突出的效果，甚至可與TIG熔修相比擬。

（5）若對(duì)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，消除焊縫及其附近的各種刻槽，應(yīng)力集中程度將大大減少，接頭的疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)提高，但這種表面機(jī)械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實(shí)能加工到的地方，才適于采用這種方法。

（6）采用砂輪磨削，雖然其效果不如機(jī)械加工，但也是一種提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的有效方法。要注意的是磨削方向應(yīng)與力線方向一致，否則在焊縫中會(huì)留下與力線垂直的刻痕，它相當(dāng)于應(yīng)力集中源，起到降低接頭疲勞強(qiáng)度的作用。

（7）TIG熔修可大幅度提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。這種方法是用TIG焊炬或等離子焊炬對(duì)接頭的焊趾部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過渡，減少了應(yīng)力集中，同時(shí)也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因而使接頭部位的疲勞強(qiáng)度提高。對(duì)于高強(qiáng)鋼來說，用電弧整形法就具有更重要的意義。因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，采用電弧整形法對(duì)提高疲勞強(qiáng)度的效果更好。同時(shí)TIG熔修配以噴丸錘擊，則其效果更為顯著。

（8）特種焊條方法是研制一種新型的焊條，其液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣具有較高的溶濕能力，可以改善焊縫的過渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應(yīng)力集中程度，從而提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。適合于平焊位置和平角焊，而對(duì)于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu)越性就顯著降低了。

3提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的最新技術(shù)

（1）UIT法即超聲沖擊處理方法，是近年來發(fā)展起來的超聲沖擊提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的方法，適用于各種接頭，是一種理想的焊后改善焊接接頭疲勞性能的方法。對(duì)幾種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼的對(duì)接和非承載縱向角接頭實(shí)施超聲沖擊處理，然后進(jìn)行了焊態(tài)與沖擊處理的對(duì)比疲勞試驗(yàn)，研究了超聲沖擊法改善焊接頭疲勞強(qiáng)度的實(shí)際效果，對(duì)比結(jié)果見表2?？梢?，焊接接頭經(jīng)超聲沖擊處理后，疲勞強(qiáng)度提高了50%～170%，效果十分顯著。

（2）低相變點(diǎn)焊條方法

①采用低相變點(diǎn)焊條LTTE和普通焊條E5015分別對(duì)橫向?qū)咏宇^、非承載十字接頭、縱向環(huán)繞角焊縫接頭、縱向平行角焊縫接頭和縱向?qū)咏宇^施焊，并進(jìn)行疲勞對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，低相變點(diǎn)焊條LTTE接頭的疲勞強(qiáng)度分別比普通焊條E5015接頭的疲勞強(qiáng)度提高11%、23%、42%、46%和59%，疲勞壽命提高幅度從幾倍到上百倍。由于低相變點(diǎn)焊條是在較低溫度下發(fā)生馬氏體相變體積膨脹而獲得的是殘余壓縮應(yīng)力，因此殘余壓縮應(yīng)力的大小與焊接接頭拘束度有較大關(guān)系，拘束度越大，其殘余壓縮應(yīng)力越大，疲勞強(qiáng)度的提高效果也越大。

②采用非承載十字接頭和縱向環(huán)繞角焊縫接頭兩種接頭類型，分別對(duì)比了低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修和普通焊條焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，結(jié)果是前者的疲勞強(qiáng)度分別比后者提高19.9%和41.7%。這為低相變點(diǎn)焊條LTTE更合理的在工程實(shí)際中應(yīng)用進(jìn)行了前期試驗(yàn)研究，同時(shí)低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修接頭的成功也可反映出低相變點(diǎn)焊條在蓋面焊縫和近焊趾蓋面焊道的應(yīng)用前景。（榕霖）