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摘要：结构疲劳断裂产生的机理十分复杂，设计人员在设计阶段进行疲劳寿命预测相当困难，对焊接结构的疲劳寿命预测尤其困难。因此，结构抗疲劳设计主要基于各种方式的抗疲劳试验。然而，设计人员经常面临的一个问题是，在产品研发过程的上游，即设计阶段，经常无疲劳试验载体可用，这就对设计人员的设计理念提出了更高的要求。本文分析了提高焊接结构疲劳寿命的刚度协调策略与应用。
关键词：焊接结构；疲劳寿命；刚度协调策略；应用；
许多疲劳断裂案例调查分析表明，在设计阶段，不少设计人员的设计理念仍停留在传统的静强度设计理念上，对焊接结构，尤其缺少抗疲劳设计的概念。疲劳断裂是一个时间历程问题，设计阶段的疲劳断裂隐患还具有隐蔽性，因此，许多疲劳断裂隐患始于设计阶段。
一、焊接结构疲劳寿命预测的特殊性
焊接结构的疲劳问题极为特殊，这不仅是因为疲劳问题的多学科属性导致难以从理论上创建求解模型，更多的原因在于以下几个方面。一是焊接热过程的复杂性导致对焊接缺陷难以实施有效控制。二是焊接缺陷的离散性、不确定性导致疲劳寿命难以预测。三是焊接结构焊缝处的裂纹、未焊透、未熔合、咬边、气孔、夹渣等缺陷均为随机因素，对疲劳损伤的影响必然具有随机特性。四是焊接过程中，任何一个相关因素的微小变化对疲劳寿命的影响极其敏感，这种高敏感性导致疲劳寿命难以可靠预测。工程上，经常采用热处理的方法以消除焊接残余应力，由于焊缝的实际受力状态的多样性，其效果也不能一概而论，焊接结构的疲劳问题是相当特殊的。
二、焊接结构疲劳寿命的刚度失效的产生原因
1.焊缝结构的应力集中。导致焊接结构产生疲劳失效的原因很多，然而应力
集中现象是焊接结构产生疲劳失效的主要原因之一。对焊接结构进行疲劳分析，首先要确定焊接结构中的应力集中源。因为应力集中源是确定焊接结构的疲劳危险位置、选择疲劳的评定方法以及疲劳应力分析的基础。焊接结构的宏观几何不连续性很容易引起应力集中现象，宏观几何不连续的常见形式如开孔、截面变化等。焊接结构设计不当可能会引起焊接处产生应力集中，从而会影响焊接结构的疲劳强度与疲劳寿命。随着焊接结构的日益广泛，在设计和制造过程中往往人为盲目追求结构的低成本和轻量化将导致焊接结构的设计载荷越来越大，使得出现应力集中的概率增大。另外，母材表面缺口、母材内部缺陷、焊接接头错位、集中载荷的作用以及截面的整体变形也都会使焊接结构出现应力集中现象。
2.焊缝的金相组织改变。焊缝金属在焊接过程中，加热到很高温度达到熔点。
从熔点到常温，焊缝金属内部的金相组织会发生变化。由于各种组织的比容不同，焊缝金属冷却下来要发生体积的变化，这种体积的变化同样也会受到周围组织变化的约束，从而会使金属的内部组织产生应力，应力的存在会影响焊接结构的疲劳强度。
三、提高焊接结构疲劳寿命的刚度协调策略与应用
1.结构刚度。当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点时,这一区域的材料就会产生局部塑性变形,丧失了进一步承受外载的能力,造成结构的有效截面积减小,结构的刚度也随之降低。结构上有纵向和横向焊缝时(例如工字梁上的肋板焊缝),或经过火焰校正,都可能在较大的截面上产生残余拉伸应力,虽然在构件长度上的分布范围并不太大,但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁,在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降,对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。对于焊接构件,只要构件和焊道本身具有较好的塑性变形能力(没有低温、动荷载等使钢材变脆的不利因素),残余应力不会降低构件的静力强度。因为有残余应力的构件承受逐渐增大的轴心拉力时,外荷载引起的拉应力将叠加截面的残余应力。在加载过程中,应力不断增加,当叠加总应力达到材料的屈服极限,构件中存在残余拉应力的截面提前进入塑性区,后增长的外荷载仅由截面的弹性区承担,随荷载的增大,弹性区减少,塑性区增大,内部应力不断叠加,应力发生重新分布,直至整个截面上的应力达到材料的屈服极限时为止。由于截面残余应力为自相平衡应力分布,故静力荷载相等,即残余应力不会降低构件的静力强度。
2.疲劳强度。钢材在循环应力多次反复作下裂缝生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳。残余应力的存在使变荷载产生的应力与残余应力叠加后,应力幅值产生变化,将对结构抗疲劳强度产生影响。因此,如应力集中处存的着残余拉应力较大,疲劳强度就降低。应力集中系数越高,残余应力的影响也就越显著,因此,提高疲劳强度,不仅应从调节和消除残余应力着手,而且应从工艺和设计上来降低结构的应力集中系数,从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响。焊接构架原结构(无补强板)及补强方案的疲劳寿命预测与疲劳试验结果基本一致，补强板端部横焊缝磨削后局部刚度协调，该部位疲劳寿命显著提高。由于影响焊接钢结构疲劳寿命的因素较多，因此计算寿命偏差客观存在，但是在同样应力谱下，焊接接头细节上刚度协调的改进明显提高了焊接接头的抗疲劳能力。在残余应力为拉应力的区域内，应该避免几何的不连续性，从而可以避免该处的内应力进一步提高。另外，局部加热等手段也可能获得有利于提高焊接疲劳强度的残余压应力场。
3.焊接缺陷妥善处理。提高焊缝质量、严格控制各种缺陷是提高接头疲劳
强度、延长使用寿命的重要手段。一是对焊缝进行整体磨光，不仅可以改善焊缝的形状参数，而且可以彻底消除焊缝的表面缺陷，因而可以大幅度提高焊缝的疲劳强度。对角焊缝进行磨光，也会产生类似的效果，但是工艺比较复杂，这是因为角焊缝被整体磨光后，必须确保规定的焊缝尺寸。二是局部磨光是用砂轮打磨焊趾附近区域，以改善焊缝几何参数的方法。与整体磨光相比，局部磨光在很大程度上减小了工作量，并且基本上获得与整体磨光提高疲劳强度相近的效果。用这种方法磨光，不但焊缝几何形状得到了改善，而且使焊趾附近部位变得光滑圆顺，消除了在受载过程中成为应力集中的缺陷，从而可以提高焊接结构的疲劳强度。
四、展望
焊接连接是钢-混组合结构的重要连接手段。因此,有效降低和消除焊接残余应力对结构的影响是关系结构安全和寿命是很有必要的。目前常用的方法有从设计和从制造,加工方面采取相关措施。但是鉴于操作条件的限制,方法还需再探寻。同时,焊接结构在焊接残余应力等的共同作用下,连接节点常常是断裂破坏的发源地,可见,焊接残余应力对于节点的影响还需要根入的研究,以便对结构的影响降到最低点。
刚度不协调必然导致应力集中，应力集中必然导致抗疲劳能力下降，因此治理影响疲劳强度的应力集中，应从协调刚度出发。治理应力集中不应是简单地通过局部加厚补强来降低母材的应力水平，而应是协调焊接接头与焊缝相关联的刚度。应力集中是现象，刚度不协调是本质。从抗疲劳的角度看，协调刚度是局部设计或补强的一个重要原则。了解这一本质，有助于避免补强的盲目性。
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