1  焊接結構的疲憊題目以及研究意義

1.1 焊接結構的疲憊題目

自從20世紀初涂藥焊條發(fā)明至今一百年來(lái)，焊接已經(jīng)成為應用最為廣泛的工藝方法，很難找出另一種發(fā)展如此之快，并在應用規模和多樣化方面能與焊接相比的工藝，以至于當代很多最重要的技術(shù)題目必須采用焊接才能解決，例如：造船、鐵路、汽車(chē)、航空、航天、橋梁、鍋爐、大型廠(chǎng)房和高層建筑等都離不開(kāi)焊接技術(shù)的支持。假如焊接沒(méi)有發(fā)明的話(huà)，很多結構甚至坦率的說(shuō)整個(gè)產(chǎn)業(yè)是不會(huì )產(chǎn)生的。毋庸置疑，目前在工程生產(chǎn)上，焊接是最主要的連接方法，焊接結構的重量已占鋼鐵總產(chǎn)量的50%以上，產(chǎn)業(yè)發(fā)達國家的這一比例已經(jīng)接近70%。然而焊接結構經(jīng)常不斷發(fā)生斷裂事故，其中90%為疲憊失效。

疲憊破壞一直被以為是船舶及海洋工程結構的一種主要的破壞形式，自鋼質(zhì)海船誕生至今，因結構中疲憊裂紋的天生、擴展，最后導致船舶破壞的事例屢有報道。美國海岸警衛隊船舶結構委員會(huì )(Ship Structure Committee, U.S.Coast Guard)曾組織氣力對六種不同類(lèi)型的77艘民用船舶及9艘軍艦中六十多萬(wàn)個(gè)結構細部進(jìn)行了調查研究和統計分析，結果表明，有約九分之一的破壞與疲憊有關(guān)。歷史上海洋平臺的幾次重大事故，如1965年日本為美國建造的Sedco型半潛式平臺在交貨途中破損沉沒(méi)，造成13人死亡；1980年Alexan—derKeyland號半潛式平臺在北海翻沉，使一百余人葬身海底，調查分析的結果表明，結構的疲憊是造成事故的重要原因之一。

同樣，疲憊失效也頻繁發(fā)生在鐵路公路橋梁和發(fā)電站的管道上。在五六十年代，歐洲公路網(wǎng)得到高速發(fā)展，當時(shí)大多采用焊接技術(shù)建造鋼橋，由于那時(shí)對公路橋梁疲憊熟悉不足，在規范中沒(méi)有規定進(jìn)行抗疲憊設計，出現了很多設計不公道的焊接接頭，在今天日益繁忙和加重的交通運輸載荷下，加快了疲憊損傷過(guò)程，很多焊接鋼橋出現了疲憊裂紋。

在我國焊接結構因疲憊題目而失效的工程事例也不斷出現，例如，九十年代末，高速客車(chē)轉向架中焊接接頭的疲憊斷裂，以及水輪機葉片根部的疲憊斷裂等，都給國家和企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失。

1.2 焊接結構疲憊失效的原因

焊接結構疲憊失效的原因主要有以下幾個(gè)方面：① 客觀(guān)上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動(dòng)載荷時(shí)，其承受能力卻遠低于母材，而且與焊接接頭類(lèi)型和焊接結構形式有密切的關(guān)系。這是引起一些結構因焊接接頭的疲憊而過(guò)早失效的一個(gè)主要的因素；② 早期的焊接結構設計以靜載強度設計為主，沒(méi)有考慮抗疲憊設計，或者是焊接結構疲憊設計規范并不完善，以至于出現了很多現在看來(lái)設計不公道的焊接接頭；③ 工程設計技術(shù)職員對焊接結構抗疲憊性能的特點(diǎn)了解不夠，所設計的焊接結構往往照搬其它金屬結構的疲憊設計準則與結構形式；④ 焊接結構日益廣泛，而在設計和制造過(guò)程中人為盲目追求結構的低本錢(qián)、輕量化，導致焊接結構的設計載荷越來(lái)越大； ⑤ 焊接結構有往高速重載方向發(fā)展的趨勢，對焊接結構承受動(dòng)載能力的要求越來(lái)越高，而對焊接結構疲憊強度方面的科研水平相對滯后。

1.3 進(jìn)步焊接結構疲憊性能方法的研究意義

疲憊事故的頻繁發(fā)生在一定程度上制約了焊接結構的進(jìn)一步廣泛應用，使一些場(chǎng)合不得不放棄使用焊接結構，甚至懷疑焊接結構能否適用于承受動(dòng)載的工程實(shí)際，故而焊接結構的抗疲憊題目引起國內外有關(guān)專(zhuān)家和工程技術(shù)職員，尤其是國際焊接學(xué)會(huì )疲憊專(zhuān)業(yè)委員會(huì )的普遍關(guān)注。在大量疲憊試驗與工程實(shí)踐的基礎上，焊接結構抗疲憊設計規范不斷出臺，如英國橋梁疲憊設計規范BS5400、歐洲鋼結構協(xié)會(huì )的疲憊設計規范、日本的鋼橋設計規范、美國鐵路橋梁以及高速公路設計規范、國際焊接學(xué)會(huì )的循環(huán)加載焊接鋼結構的疲憊設計規范IIW.DOC-639-8l以及我國的鋼結構設計規范GB-17-88。世界各主要造船及海洋資源開(kāi)發(fā)國家，都在船舶及海洋工程結構的設計建造和檢驗進(jìn)級規范中對焊接結構的疲憊強度作出了規定和要求。

由于焊接接頭焊趾處的焊接缺陷、應力集中和殘余拉伸應力的作用，其疲憊強度大幅度地低于基本金屬的疲憊強度。所以焊接結構的疲憊強度取決于接頭的疲憊性能，即焊接接頭的抗疲憊性能，關(guān)系著(zhù)焊接結構能否安全使用。因此為了保證焊接結構可靠性，在設計承受交變動(dòng)載荷的焊接結構時(shí)，設計規范規定以焊接接頭的疲憊強度作為整體結構的疲憊強度，而不采用基本金屬的疲憊強度，顯然這造成極大浪費。即使如此，在接頭處局部應力集中作用下，仍然會(huì )發(fā)生整體結構的過(guò)早疲憊失效。為了使焊接結構很好地滿(mǎn)足工程上對其提出的承受動(dòng)載的要求，能夠采取的措檀越要有兩點(diǎn)。一方面，增加對焊接結構抗疲憊性能的了解，精心設計結構形式及接頭形式，使所設計的焊接結構更公道，具有更高的疲憊強度；同時(shí)進(jìn)步和嚴格控制焊接質(zhì)量，防止和減少焊接缺陷的產(chǎn)生；另一方面，直接面對焊接接頭疲憊性能較差的弱點(diǎn)，在焊接結構制造過(guò)程中、完成后以及使用過(guò)程中采取有效的工藝措施，進(jìn)步接頭的疲憊強度，增加其承受動(dòng)載的能力、延長(cháng)其使用壽命。

因此進(jìn)步和改善焊接接頭疲憊強度具有極大的潛伏經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，長(cháng)期來(lái)，它是國內外有關(guān)專(zhuān)家研究的熱門(mén)課題。

2 影響焊接結構疲憊強度的主要因素

2.1 靜載強度對焊接結構疲憊強度的影響

在鋼鐵材料的研究中，人們總是?？床牧暇哂休^高的比強度，即以較輕的自身重量往承擔較大的負載重量，由于相同重量的結構可以具有極大的承載能力；或是同樣的承載能力可以減輕自身的重量。所以高強鋼應運而生，也具有較高的疲憊強度，基本金屬的疲憊強度總是隨著(zhù)靜載強度的增加而進(jìn)步。

但是對于焊接結構來(lái)說(shuō)，情況就不一樣了，由于焊接接頭的疲憊強度與母材靜強度、焊縫金屬靜強度、熱影響區的組織性能以及焊縫金屬強度匹配沒(méi)有多大的關(guān)系，也就是說(shuō)只要焊接接頭的細節一樣，高強鋼和低碳鋼的疲憊強度是一樣的，具有同樣的S-N曲線(xiàn)，這個(gè)規律適合對接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭型式。Maddox研究了屈服點(diǎn)在386—636MPa之間的碳錳鋼和用6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區的疲憊裂紋擴展情況，結果表明：材料的力學(xué)性能對裂紋擴展速率有一定影響，但影響并不大。在設計承受交變載荷的焊接結構時(shí)，試圖通過(guò)選用較高強度的鋼種來(lái)滿(mǎn)足工程需要是沒(méi)有意義的。只有在應力比大于+0.5的情況下，靜強度條件起主要作用時(shí)，焊接接頭母材才應采用高強鋼。

造成上述結果的原因是由于在接頭焊趾部位沿溶合線(xiàn)存在有類(lèi)似咬邊的熔渣楔塊缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半經(jīng)小于0.015mm。該尖銳缺陷是疲憊裂紋開(kāi)始的地方，相當于疲憊裂紋形成階段，因而接頭在一定應力幅值下的疲憊壽命，主要由疲憊裂紋的擴展階段決定。這些缺陷的出現使得所有鋼材的相同類(lèi)型焊接接頭具有同樣的疲憊強度，而與母材及焊接材料的靜強度關(guān)系不大。

2.2 應力集中對疲憊強度的影響

2.2.1 接頭類(lèi)型的影響

焊接接頭的形式主要有：對接接頭、十字接頭、T形接頭和搭接接頭，在接頭部位由于傳力線(xiàn)受到干擾，因而發(fā)生應力集中現象。

對接接頭的力線(xiàn)干擾較小，因而應力集中系數較小，其疲憊強度也將高于其他接頭形式。但實(shí)驗表明，對接接頭的疲憊強度在很大范圍內變化，這是由于有一系列因素影響對接接頭的疲憊性能的緣故。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類(lèi)型、焊接位置、焊縫外形、焊后的焊縫加工、焊后的熱處理等均會(huì )對其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對接接頭由于墊板處形成嚴重的應力集中，降低了接頭的疲憊強度。這種接頭的疲憊裂紋均從焊縫和墊板的接合處產(chǎn)生，而并不是在焊趾處產(chǎn)生，其疲憊強度—般與不帶墊板的最不佳外形的對接接頭的疲憊強度相等。

十字接頭或T形接頭在焊接結構中得到了廣泛的應用。在這種承力接頭中，由于在焊縫向基本金屬過(guò)渡處具有明顯的截面變化，其應力集中系數要比對接接頭的應力集中系數高，因此十字或T形接頭的疲憊強度要低于對接接頭。對未開(kāi)坡口的用角焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的開(kāi)坡口接頭，當焊縫傳遞工作應力時(shí)，其疲憊斷裂可能發(fā)生在兩個(gè)薄弱環(huán)節上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對于開(kāi)坡口焊透的的十字接頭，斷裂一般只發(fā)生在焊趾處，而不是在焊縫處。焊縫不承受工作應力的T形和十字接頭的疲憊強度主要取決于焊縫與主要受力板交界處的應力集中，T形接頭具有較高的疲憊強度，而十字接頭的疲憊強度較低。進(jìn)步T形或十字接頭疲憊強度的根本措施是開(kāi)坡口焊接，并加工焊縫過(guò)渡處使之圓滑過(guò)渡，通過(guò)這種改進(jìn)措施，疲憊強度可有較大幅度的進(jìn)步。

搭接接頭的疲憊強度是很低的，這是由于力線(xiàn)受到了嚴重的扭曲。采用所謂“加強”蓋板的對接接頭是極不公道的，由于加大了應力集中影響，采用蓋板后，原來(lái)疲憊強度較高的對接接頭被大大地削弱了。對于承力蓋板接頭，疲憊裂紋可發(fā)生在母材，也可發(fā)生在焊縫，另外改變蓋板的寬度或焊縫的長(cháng)度，也會(huì )改變應力在基本金屬中的分布，因此將要影響接頭的疲憊強度，即隨著(zhù)焊縫長(cháng)度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲憊強度增加，這是由于應力在基本金屬中分布趨于均勻所致。

2.2.2 焊縫外形的影響

無(wú)論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對接焊縫和角焊縫。焊縫外形不同，其應力集中系數也不相同，從而疲憊強度具有較大的分散性。對接焊縫的外形對于接頭的疲憊強度影響最大。

(1) 過(guò)渡角的影響 Yamaguchi等人建立了疲憊強度和基本金屬與焊縫金屬之間過(guò)渡角(外鈍角)的關(guān)系。試驗中W(焊縫寬度)和h(高度)變化，但h/W比值保持不變。這意味著(zhù)夾角保持不變，試驗結果表明，疲憊強度也保持不變。但假如W保持不變，變化參量h，則發(fā)現h增加，接頭疲憊強度降低，這顯然是外夾角降低的結果。

(2) 焊縫過(guò)渡半徑的影響  Sander等人的研究結果表明焊縫過(guò)渡半徑同樣對接頭疲憊強度具有重要影響，即過(guò)渡半徑增加(過(guò)渡角保持不變)，疲憊強度增加。角焊縫的外形對于接頭的疲憊強度也有較大的影響。

當單個(gè)焊縫的計算厚度a與板厚B之比a/B<0.6～0.7時(shí)，一般斷裂于焊縫；當a/B>0.7時(shí)，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對進(jìn)步疲憊強度僅僅在一定范圍內有效。由于焊縫尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面即焊趾端處基本金屬的強度，故充其量亦不能超過(guò)該處的疲憊強度。Soete，Van Crombrugge采用15mm厚板用不同的角焊縫施焊，在軸向疲憊載荷下的試驗發(fā)現，焊縫的焊腳為13mm時(shí)，斷裂發(fā)生在焊趾處基本金屬或焊縫中。當焊縫的焊腳小于此值時(shí)，疲憊斷裂發(fā)生在焊縫上；當焊腳尺寸為18mm時(shí)斷裂發(fā)生在基本金屬中。據此他們提出極限焊腳尺寸：S=0.85B 式中S為焊腳尺寸，B為板厚?？梢?jiàn)縱使焊腳尺寸達到板厚時(shí)(15mm)，仍可得焊縫處的斷裂結果，這一結果與理論結果符合得很好。

2.2.3 焊接缺陷的影響

焊趾部位存在有大量不同類(lèi)型的缺陷，這些不同類(lèi)型的缺陷導致疲憊裂紋早期開(kāi)裂和使母材的疲憊強度急劇下降（下降到80%）。焊接缺陷大體上可分作兩類(lèi)：面狀缺陷(如裂紋、未熔合等)和體積型缺陷（氣孔、夾渣等），它們的影響程度是不問(wèn)的，同時(shí)焊接缺陷對接頭疲憊強度的影響與缺陷的種類(lèi)、方向和位置有關(guān)。

1)  裂紋 焊接中的裂紋，如冷、熱裂紋，除伴有具有脆性的組織結構外，是嚴重的應力集中源，它可大幅度降低結構或接頭的疲憊強度。早期的研究己表明，在寬60mm、厚12.7mm的低碳鋼對接接頭試樣中，在焊縫中具有長(cháng)25mm、深5.2mm的裂紋時(shí)(它們約占試樣橫截面積的10%)，在交變載荷條件下，其2×106循環(huán)壽命的疲憊強度大約降低了55%~65%。

2)  未焊透 應當說(shuō)明，不一定把未焊透均以為是缺陷，由于有時(shí)人為地要求某些接頭為周部焊透，典型的例子是某些壓力容器接管的設計。未焊透缺陷有時(shí)為表面缺陷（單面焊縫），有時(shí)為內部缺陷(雙面焊縫)，它可以是局部性質(zhì)的，也可以是整體性質(zhì)的．其主要影響足削弱截面積和引起應力集中。以削弱面積10%時(shí)的疲憊壽命與未含有該類(lèi)缺陷的試驗結果相比，其疲憊強度降低了25%，這意味著(zhù)其影響不如裂紋嚴重。

3)  未熔合 由于試樣難以制備，至今有關(guān)研究極其稀少．但是無(wú)可置疑，未熔合屬于平面缺陷，因而不容忽視，一般將其和未焊透等同對待。

4)  咬邊  表征咬邊的主要參量有咬邊長(cháng)度L、咬邊深度h、咬邊寬度W。影響疲憊強度的主要參量是咬邊深度h，目前可用深度h或深度與板厚比值(h/B)作為參量評定接頭疲憊強度。

5)  氣孔 為體積缺陷，Harrison對前人的有關(guān)試驗結果進(jìn)行了分析總結， 疲憊強度下降主要是由于氣孔減少了截面積尺寸造成，它們之間有一定的線(xiàn)性關(guān)系。但是一些研究表明，當采用機加工方法加工試樣表面，負氣孔處于表面上時(shí)，或恰好位于表面下方時(shí)，氣孔的不利影響加大，它將作為應力集中源起作用，而成為疲憊裂紋的起裂點(diǎn)。這說(shuō)明氣孔的位置比其尺寸對接頭疲憊強度影響更大，表面或表層下氣孔具有最不利影響。

6)  夾渣  IIW的有關(guān)研究報告指明：作為體積型缺陷，夾渣比氣孔對接頭疲憊強度影響要大。

通過(guò)上述介紹可見(jiàn)焊接缺陷對接頭疲憊強度的影響，不但與缺陷尺寸有關(guān)，而旦還決定于很多其他因素，如表面缺陷比內部缺陷影響大，與作用力方向垂直的面狀缺陷的影響比其它方向的大；位于殘余拉應力區內的缺陷的影響比在殘余壓應力區的大；位于應力集中區的缺陷(如焊縫趾部裂紋)比在均勻應力場(chǎng)中同  樣缺陷影響大。

2.3 焊接殘余應力對疲憊強度的影響

焊接殘余應力是焊接結構所特有的特征，因此，它對于焊接結構疲憊強度的影響是人們廣為關(guān)心的題目，為此人們進(jìn)行了大量的試驗研究工作。試驗往往采用有焊接殘余應力的試樣與經(jīng)過(guò)熱處理消除殘余應力后的試樣，進(jìn)行疲憊試驗作對比。由于焊接殘余應力的產(chǎn)生往往伴隨著(zhù)焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，而熱處理在消除殘余應力的同時(shí)也恢復或部分地恢復了材料的性能，同時(shí)也由于試驗結果的分散性，因此對試驗結果就產(chǎn)生了不同的解釋?zhuān)瑢附託堄鄳Φ挠绊懸簿陀辛瞬煌脑u價(jià)。

試舉早期和近期一些人所進(jìn)行的研究工作為例，可清楚地說(shuō)明這一題目，對具有余高的對接接頭進(jìn)行的2×106次循環(huán)試驗結果，不同研究者得出了不同結論。有人發(fā)現：熱處理消除應力試樣的疲憊強度比焊態(tài)相同試樣的疲憊強度增加12.5%；另有人則發(fā)現焊態(tài)和熱處理的試樣的疲憊強度是一致的，即差異不大；但也有人發(fā)現采用熱處理消除殘余應力后疲憊強度雖有增加，但增加值遠低于12.5%等等。對表面打磨的對接接頭試樣試驗結果也是如此，即有的試驗以為，熱處理后可進(jìn)步疲憊強度17%，但也有的試驗結果說(shuō)明，熱處理后疲憊強度沒(méi)有進(jìn)步等。這個(gè)題目長(cháng)期來(lái)使人困惑不解，直到前蘇聯(lián)一些學(xué)者在交變載荷下進(jìn)行了一系列試驗，才逐漸澄清了這一題目。

其中最值得提出的是Trufyakov對在不同應力循環(huán)特征下焊接殘余應力對接頭疲憊強度影響的研究。試驗采用14Mn2普通低合金結構鋼，試樣上有一條橫向對接焊縫，并在正反兩面堆焊縱向焊道各一條。一組試樣焊后進(jìn)行了消除殘余應力的熱處理，另一組未經(jīng)熱處理。疲憊強度對比試驗采用三種應力循環(huán)特征系數r=-1, 0, +0.3。 在交變載荷下(r=-1)，消除殘余應力試樣的疲憊強度接近130MPa，而未經(jīng)消除殘余應力的僅為75MPa，在脈動(dòng)載荷下(r=0)，兩組試樣的疲憊強度相同，均為185MPa。而當r=0.3時(shí)，經(jīng)熱處理消除殘余應力的試樣疲憊強度為260MPa，反而略低于未熱處理的試樣(270MPa)。產(chǎn)生這個(gè)現象的主要原因是：在r值較高時(shí)，例如在脈動(dòng)載荷下(r=0)，疲憊強度較高，在較高的拉應力作用下，殘余應力較快地得到開(kāi)釋?zhuān)虼藲堄鄳ζv強度的影響就減弱；當r增大到0.3時(shí)，殘余應力在載荷作用下，進(jìn)一步降低，實(shí)際上對疲憊強度已不起作用。而熱處理在消除殘余應力的同時(shí)又軟化了材質(zhì)，因而使得疲憊強度在熱處理后反而下降。這一試驗比較好地說(shuō)明了殘余應力和焊接熱循環(huán)所引起材質(zhì)變化對疲憊強度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應力對接頭疲憊強度的影響與疲憊載荷的應力循環(huán)特性有關(guān)。即在循環(huán)特性值較低時(shí)，影響比較大。

前面己指出，由于結構焊縫中存有達到材料屈服點(diǎn)的殘余應力，因此在常幅施加應力循環(huán)作用的接頭中，焊縫四周所承受的實(shí)際應力循環(huán)將是由材料的屈服點(diǎn)向下擺動(dòng)，而不管其原始作用的循環(huán)特征如何。例如標稱(chēng)應力循環(huán)為+S1到-S2，則其應力范圍應為S1+S2。但接頭中的實(shí)際應力循環(huán)范圍將是由Sy(屈服點(diǎn)的應力幅)到Sy-(S1+S2)。這一點(diǎn)在研究焊接接頭疲憊強度時(shí)是非常重要的，它導致了一些設計規范以應力范圍代替了循環(huán)特征r。

此外，在試驗過(guò)程中，試件的尺寸大小、加載方式、應力循環(huán)比、載荷譜也對疲憊強度有很大的影響。

3 改善焊接結構疲憊強度的工藝方法

焊接接頭疲憊裂紋一般啟裂位置存在于焊根和焊趾兩個(gè)部位，假如焊根部位的疲憊裂紋啟裂的危險被抑制，焊接接頭的危險點(diǎn)則集中于焊趾部位。很多方法可以用于進(jìn)步焊接接頭的疲憊強度，① 減少或消滅焊接缺欠特別是開(kāi)口缺陷；②改善焊趾部位的幾何外形降低應力集中系數；③調節焊接殘余應力場(chǎng)，產(chǎn)生殘余壓縮應力場(chǎng)。這些改進(jìn)方法可以分為兩大類(lèi)，如表1所示。

焊接過(guò)程優(yōu)化方法不僅是針對進(jìn)步焊接結構疲憊強度而考慮，同時(shí)對焊接結構的靜載強度、焊接接頭的冶金性能等各方面都有極大的益處，這方面的資料很多在此未幾贅述。

表1 焊接結構疲憊強度的改善方法

下面從工藝方法角度考慮分三部分具體論述改善焊接接頭疲憊強度的主要方法。

3.1  改善焊趾幾何外形降低應力集中的方法

3.1 .1 TIG熔修

國內外的研究均表明，TIG熔修可大幅度進(jìn)步焊接接頭的疲憊強度，這種方法是用鎢極氬弧焊方法在焊接接頭的過(guò)渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過(guò)渡。減少了應力集中，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憊強度進(jìn)步。

熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位0.5~1.5mm處，并要保持重熔部位潔凈，假如事先配以稍微打磨效果更佳。重要的是重熔中發(fā)生熄弧時(shí)，如何處理重新起弧的方法，由于這勢必影響重熔焊道的質(zhì)量，一般推薦重新起弧的最好位置是在焊道弧坑之前面6mm處，最近國際焊接學(xué)會(huì )組織歐洲一些國家和日本的一些焊接研究所，采用同一由英國焊接研究所制備的試樣進(jìn)行了—些改善接頭疲憊強度方法有效性的同一性研究，證實(shí)經(jīng)該方法處理后該接頭的2×106循環(huán)下的標稱(chēng)疲憊強度進(jìn)步58%，假如將得到的211MPa的疲憊強度標稱(chēng)值換算成相應的特征值(K指標) 為144MPa。它己高出國際焊學(xué)會(huì )的接頭細節疲憊強度中的最高的FAT值。

3.1 .2 機械加工

若對焊縫表面進(jìn)行機械加工，應力集中程度將大大減少，對接接頭的疲憊強度也相應進(jìn)步，當焊縫不存在缺陷時(shí)，接頭的疲憊強度可高于基本金屬的疲憊強度。但是這種表面機械加工的本錢(qián)很高，因此只有真正有益和確實(shí)能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應力集中要比焊縫表面的應力集中嚴重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機械加工是毫無(wú)意義的。假如存有未焊透缺陷，由于疲憊裂紋將不在余高和焊趾處起始裂，而是轉移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺陷存在的情況下，機加工反而往往會(huì )降低接頭疲憊強度。

有時(shí)不用對整體焊縫金屬進(jìn)行機加工，而只需對焊趾處采用機械加工磨削處理，這種做法亦能大幅度進(jìn)步接頭疲憊強度。研究表明，在這種情況下，起裂點(diǎn)不是在焊趾處，而是轉移到焊縫缺陷部位。

前蘇聯(lián)Makorov對高強鋼(抗拉強度σb=1080 MPa)橫向對接焊縫的交變載荷的疲憊強度試驗表明，在焊態(tài)條件下2×106循環(huán)次數時(shí)疲憊強度為±150MPa，假如對焊縫進(jìn)行機械加工處理，除往余高，則疲憊強度進(jìn)步到±275MPa，這已與基本金屬的疲憊強度相當。但假如對焊趾處進(jìn)行局部磨削加工，其疲憊強度為±245MPa，它是機加工效果的83%，與焊態(tài)相比，疲憊強度進(jìn)步65%，當然不論是采用機加工方法，還是磨削方法，假如不能仔細按要求進(jìn)行，以便保證加工效果，疲憊強度的進(jìn)步是有限的。

3.1 .3  砂輪打磨

采用砂輪磨削，固然其效果不如機械加工，但也是一種進(jìn)步焊接接頭疲憊強度的有效方法。國際焊接學(xué)會(huì )推薦采用高速電力或水力驅動(dòng)的砂輪，轉速為(15000~40000)r/min，砂輪由碳-鎢材料制作，其直徑應保證打磨深度半徑應即是或大于1/4板厚。國際焊接學(xué)會(huì )最近的研究表明，試樣經(jīng)打磨后，其2×106循環(huán)下的標稱(chēng)疲憊強度進(jìn)步45%，假如將得到的199MPa疲憊強度標稱(chēng)值換算成相應的特征值(135MPa)它也高于國際焊接學(xué)會(huì )的接頭細節疲憊強度中的最高的FAT值。要留意的是磨削方向應與力線(xiàn)方向一致，否則在焊縫中會(huì )留下與力線(xiàn)垂直的刻痕，它相當于應力集中源，起到降低接頭疲憊強度的作用。

3.1 .4  特種焊條方法

本方法是研制了一種新型的焊條，它的液態(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(guò)渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應力集中程度，從而進(jìn)步焊接接頭的疲憊強度。與TIG熔修的缺點(diǎn)相類(lèi)似，它對焊接位置具有較強的選擇性，特別適合于平焊位置和平角焊，而對于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu)越性就明顯降低了。

3.2調整殘余應力場(chǎng)產(chǎn)生壓縮應力的方法

3.2.1 預過(guò)載法

假如在含有應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，載缺口及其四周發(fā)生拉伸塑性變形處將產(chǎn)生壓縮應力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點(diǎn)的拉伸應力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后的疲憊試驗中，其應力范圍將與原始未施加預過(guò)載的試樣不同，即明顯變小，因此它可以進(jìn)步焊接接頭的疲憊強度。研究結果表明，大型焊接結構(如橋梁、壓力容器等)投進(jìn)運行前需進(jìn)行一定的預過(guò)載試驗，這對進(jìn)步疲憊性能是有利的。

3.2.2   局部加熱

采用局部加熱可以調節焊接殘余應力場(chǎng)，即在應力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應力，因而對進(jìn)步接頭疲憊強度是有利的。這種方法目前限用于縱向非連續焊縫，或具有縱向加筋板的接頭。

對于單面角接板，加熱位置一般距焊縫約為板寬的1/3，對于雙面角接板情況加熱位置為板件中心。這樣可以保證在焊縫內產(chǎn)生壓縮應力，從而可以進(jìn)步接頭的疲憊強度。不同研究者應用該方法得到的效果有所不同，對單面角接板，進(jìn)步疲憊強度145%-150%，對雙面角接板，進(jìn)步疲憊強度70%-187%，。

局部加熱位置對接頭的疲憊強度有重要的影響，當點(diǎn)狀加熱是在焊縫端部處兩則進(jìn)行時(shí)，則在焊縫端部的缺口處引起了壓縮殘余應力，結果疲憊強度進(jìn)步53%；但是當點(diǎn)狀加熱是在焊縫端部試樣中心進(jìn)行時(shí)，距焊縫端部間隔是相同的，這固然產(chǎn)生了同樣的金相組織影響，但由于殘余應力為拉伸殘余應力，則所丈量到的接頭疲憊強度與非處理試樣相同。

3.2.3 擠壓法