焊接接頭與結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)研究進展綜述

王東坡，龔寶明，吳世品，張 海，馮延焉

（天津大學材料科學與工程學院，天津300072）

焊接接頭與結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)研究進展綜述

王東坡，龔寶明，吳世品，張 海，馮延焉

（天津大學材料科學與工程學院，天津300072）

對焊接接頭與結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)的相關(guān)現(xiàn)狀和進展進行全面敘述，一方面依據(jù)相關(guān)國際規(guī)范介紹了焊趾打磨、TIG熔修、錘擊、針式?jīng)_擊等傳統(tǒng)經(jīng)典焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)的使用方法與技巧，同時超聲沖擊和低相變點材料疲勞延壽技術(shù)的最新研究進展也進行了詳細論述。認為今后相當長一段時間，在國際上關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽新技術(shù)的研究仍然是熱點之一。錘擊與超聲沖擊工藝性缺陷的產(chǎn)生機理及其影響因素；低相變點焊縫韌性提升與殘余奧氏體穩(wěn)定性問題及其母材稀釋對低相變點焊縫組織演變影響問題；疲勞延壽處理結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價問題、復雜載荷條件下疲勞延壽效果穩(wěn)定性及其保障問題等今后要繼續(xù)開展相關(guān)研究工作，推動焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)在高端裝備制造產(chǎn)業(yè)中越來越廣泛應用。

焊接結(jié)構(gòu)；疲勞延壽；超聲沖擊；TIG熔修；磨削

疲勞是焊接結(jié)構(gòu)最主要破壞形式。例如高速機車車體和轉(zhuǎn)向架的疲勞問題已成為影響鐵路行車安全和使用壽命的重要損傷機制；水輪機、燃氣輪機等動力裝備葉盤或葉片的疲勞損傷問題迄今也沒有得到妥善解決；液壓挖掘機等焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命問題已成為工程機械行業(yè)市場競爭力的重要體現(xiàn)；飛機機翼、發(fā)動機等關(guān)鍵部件的焊接接頭疲勞壽命問題同樣困擾著航空制造領(lǐng)域的技術(shù)人員；深海浮式平臺SCR立管與張力腿等海洋工程關(guān)鍵部件環(huán)焊縫的疲勞斷裂問題更是成為其制造過程最難跨越的技術(shù)壁壘。

為了保證焊接結(jié)構(gòu)服役可靠性，國內(nèi)外疲勞設(shè)計規(guī)范普遍規(guī)定須以接頭疲勞強度作為整體結(jié)構(gòu)強度校核指標而不采用基本金屬的數(shù)據(jù)，顯然這在材料利用率方面造成極大浪費，也增加了制造周期和成本。即使如此，焊接接頭仍然會過早發(fā)生疲勞失效，造成巨大經(jīng)濟損失。

一般認為焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事故多發(fā)原因有以下幾點：①目前要求承受動載的焊接結(jié)構(gòu)越來越多，設(shè)計載荷越來越大，有向高速、重載、超長壽命方向發(fā)展的趨勢，導致對焊接結(jié)構(gòu)承受動載能力的要求越來越高；②雖然焊接接頭承受靜載能力一般不低于母材，而承受交變載荷能力與母材相比較差，這是引起焊接接頭過早疲勞失效的主要因素。

正是因為焊接結(jié)構(gòu)疲勞問題嚴重，使得對可靠性要求極高的行業(yè)還不能使用焊接工藝制造其關(guān)鍵承力構(gòu)件，影響了焊接工藝在某些重要結(jié)構(gòu)中應用推廣的深度和范圍。

研究表明：焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能較低是由于接頭存在應力集中、焊接缺陷和殘余拉伸應力等多方面因素共同作用所致，而疲勞裂紋則常發(fā)生于接頭焊趾和角焊縫焊根等部位。有鑒于此，如果在焊接過程或焊后采用某種工藝措施，一方面改善焊縫幾何外形，增加焊趾過渡半徑，降低焊趾應力集中程度；另一方面調(diào)節(jié)殘余應力場，降低焊趾殘余拉伸應力，甚至產(chǎn)生殘余壓縮應力，則必然可大幅度延長焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，增加其安全可靠性。

目前，TIG熔修法 、焊趾磨削法、局部機械加工法、錘擊法 、局部加熱法等已成為提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的傳統(tǒng)方法1～3]。其中TIG熔修 、焊趾磨削及錘擊法的實際應用最為成熟，近年來已被陸續(xù)列入AWS、IIW、DNV等國際權(quán)威機構(gòu)的相關(guān)疲勞設(shè)計規(guī)范當中，為其應用推廣徹底掃清了障礙。

焊后疲勞性能改善處理方法可分為兩種：焊趾輪廓改善方法和引入有利的殘余應力。前者可降低或消除焊趾缺陷，減少局部應力集中，實現(xiàn)了焊縫輪廓之間平穩(wěn)過渡，如焊趾和焊縫機械打磨、TIG等離子熔修。后者主要目的是消除焊縫焊趾區(qū)高拉伸殘余應力，并誘導焊縫處形成殘余壓應力[4],其中錘擊和針式?jīng)_擊是最著名的兩種方法。

1 焊接結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)疲勞延壽技術(shù)回顧

1.1 磨削與焊趾打磨技術(shù)[4]

有關(guān)資料證明：在沒有明顯缺陷前提下，機加工焊縫余高直至平滑，可使接頭疲勞強度增加到和母材金屬一樣。對接接頭機加工可采用機床來進行，而角接頭只能采用磨削工具，打磨過程及工具如圖1，圖2所示。

圖1 磨削工具打磨過程與基本要領(lǐng)Fig.1 Process and basic requirement of grinding

圖2 高速電力驅(qū)動砂輪Fig.2 High speed grinding wheel by electric driving

實踐表明：該方法可顯著改善接頭疲勞強度，但實際應用效果卻明顯低于實驗室得到的結(jié)果。原因在于：磨削焊趾時不可避免地在焊趾部位留有劃痕，這些劃痕雖淺但卻很尖銳，可能嚴重降低接頭疲勞強度，特別是與應力方向垂直時。為了獲得較大疲勞強度提高量，需小心對焊趾進行打磨以達到光滑程度并注意打磨方向。實驗室試件的焊縫較短并不強求效率，質(zhì)量容易達到理想程度，而實際結(jié)構(gòu)焊縫很長，存在焊縫交叉，很難做到整個結(jié)構(gòu)打磨質(zhì)量都能滿足要求；另外，實際焊接結(jié)構(gòu)較為復雜，有些焊縫并不利于打磨工作實施。

該方法通過打磨去除導致疲勞裂紋起裂的焊趾缺陷及獲得焊趾平滑過渡幾何外形 （降低焊趾應力集中）來提高接頭的疲勞性能。如果接頭存有未焊透缺陷，裂紋將不在焊趾起裂而轉(zhuǎn)移到根部，此時焊趾打磨反而會降低疲勞強度。

IIW與AWS等機構(gòu)推薦了相關(guān)焊趾打磨工藝參數(shù)，其中IIW推薦了如下工藝參數(shù)：①打磨工具轉(zhuǎn)速為15 000～40 000轉(zhuǎn)·min-1；②氣動工具壓力5～7大氣壓；③對于10～50 mm中厚板，推薦磨頭直徑10～25 mm；④打磨區(qū)域根部直徑不小于0.25 t（t為板厚）。

IIW與AWS等機構(gòu)同時也對焊趾打磨細節(jié)提出了。例如要求：①打磨前需采用鋼絲刷將焊縫表面金屬熔渣清理干凈；② 打磨時，工具在高度方向和主板之間保持45～60°夾角，如圖3所示；③ 盡量將打磨工具與打磨移動反方向焊縫夾角保持在30～45°之間；④ 打磨深度至少達到可見咬邊缺陷底部以下0.5 mm；⑤對于40 mm以下板厚，最大打磨深度不超過7%板厚；而40 mm以上板厚，最大打磨深度不超過3 mm，焊縫打磨表面距離W˙至少等于焊角尺寸1/2，如圖4，圖5所示；⑥在滿足要求前提下，盡量采用較小打磨深度。一般將打磨深度控制在1 mm之內(nèi)；⑦對于大β比管接頭（β=支管直徑/弦管直徑），由于最大應力位于焊縫表面且位置略偏離焊趾，要求打磨深度約為咬邊底部以下0.5 mm，r/t0.25，r/d4（其中，d為打磨深度，r為打磨半徑），如圖6所示。

圖3 打磨工具角度與方向Fig.3 Angle and direction of grinding

圖4 打磨深度與表面距離控制要求Fig.4 Requirement of depth of grinding

圖5 打磨參數(shù)細節(jié)放大Fig.5 Grinding parameters

圖6 管接頭打磨參數(shù)控制要求Fig.6 Grinding parameters of pipe weld joints

對于過渡角比較陡的角焊縫或厚板T型接頭，IIW建議打磨分兩步進行：首先借助一個小球形磨頭工具打磨出一個焊趾定位準確的溝槽；然后，再使用較大直徑磨頭完成整個打磨工作，如圖7所示。實踐表明：在同樣質(zhì)量情況下，兩步法打磨比一步法打磨效率更高。

圖7 兩步法打磨過程示意圖Fig.7 Sketch map of two-step burring process

研究表明：打磨質(zhì)量的控制對實際改善效果的影響是極其關(guān)鍵的，不僅要求焊趾金屬表面應盡可能打磨平滑，還要求打磨后無明顯原始焊趾痕跡存在并且所有打磨痕跡均垂直于焊趾中心線，圖8展示了正確和錯誤的焊趾打磨事例。

圖8 正確與錯誤焊趾打磨案例Fig.8 Correct and incorrect weld toe grinding

AWS D1.1也對焊趾打磨進行了相關(guān)規(guī)定，與IIW要求大致相同，具體要點如下：

①焊趾打磨應當沿焊趾中心線進行；② 推薦使用碳化鎢高速磨頭；③ 尖端半徑最小值應按照標準推薦選取，更大半徑會帶來更好的處理效果：④打磨深度最小值不應小于從表面算起的0.8～1.0 mm或者在最深咬邊位置以下0.5～0.8 mm，最大值不應大于 2 mm或5%板厚二者中的較大值；⑤應保證打磨痕跡與焊趾線垂直；⑥最后處理一道應該較輕微以便得到高表面質(zhì)量；⑦打磨后應對焊縫進行目測并通過磁粉或滲透檢測。

相關(guān)標準均提示：如果打磨焊縫金屬材料表面發(fā)生了點蝕，機械打磨的好處基本上就消失了；因此注意對打磨金屬表面充分保護。

焊趾打磨法優(yōu)點是：操作工具簡單，成本低，操作要領(lǐng)容易掌握，技術(shù)成熟，適合處理橫向焊縫及縱向焊縫端部，也適于低周疲勞結(jié)構(gòu)，是當前應用最廣的焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)。而缺點是:打磨效率較低，工作量大，勞動強度高，存在安全防護等問題。

IIW（IIW-XIII-2460-13/XV-1440-13）對焊趾打磨處理接頭與結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計強度規(guī)定如下（熱點應力表征）：無論是低強鋼（σs＜355 MPa）還是高強鋼（σs≥355 MPa），承載角焊縫的FAT均為112 MPa,非承載角縫的FAT均為125 MPa；對于鋁合金，承載角焊縫的FAT為45 MPa,非承載角縫的FAT為50 MPa。由此可見，打磨的改善效果還是非常顯著的。

1.2 錘擊與針式?jīng)_擊技術(shù)[4]

錘擊與針式?jīng)_擊在實際工程焊接結(jié)構(gòu)中應用廣泛，其提高焊接接頭疲勞性能的原理是在焊趾部位反復錘擊會引入壓縮殘余應力。優(yōu)點是使用方便，成本低，效果好。缺點是可控性較差，效果不夠穩(wěn)定,質(zhì)量不容易保證；執(zhí)行機構(gòu)重，勞動強度大；處理效率低，噪聲大。

IIW和AWS對該方法適用范圍和使用方法進行了詳細規(guī)定，要點如下：

①適用于板厚4 mm以上鋼材和8 mm以上鋁材；②所引入殘余應力大小取決于接頭在錘擊過程中是承受拉伸載荷還是壓縮載荷；對于承載焊接部件，如果錘擊或沖擊部位是承受的是拉應力，那么錘擊或沖擊效果會很好；如果焊接部件在錘擊或沖擊過程中承受壓縮載荷，那么就會減弱其疲勞延壽效果；③ 實施處理前去掉焊縫表面殘留雜質(zhì)；④如果焊趾表面凹凸不平，那么錘擊時發(fā)生塑性變形的金屬就會疊加在原始焊趾上，從而留下類似于冷裂紋形狀的縫隙，如圖9所示，這會導致實際接頭疲勞性能低于原始接頭；因此，建議錘擊前對接頭進行打磨以改善其形狀，從而形成一個能使錘擊槍平穩(wěn)移動的通道；⑤錘擊與針式?jīng)_擊過程產(chǎn)生嚴重噪聲和飛濺；因此需要采用護耳用具和眼罩；⑥ 將錘擊或沖擊工作頭精確定位于焊趾部位，以保證兩側(cè)金屬（包括焊縫和母材）都能產(chǎn)生塑性變形；⑦ 要求錘擊與針式?jīng)_擊槍和金屬板材表面呈45°角，大約垂直于行進方向，如圖10所示；⑧由于沖擊過程中會發(fā)生跳躍，導致跳過某些部位。為了達到全部覆蓋以及獲得平滑過渡表面，一般需要多次處理，通常為4次；⑨ 每一次錘擊速度設(shè)為50～100 mm·min-1，對于高強鋼速度需要慢一些；而針式?jīng)_擊處理速度則一般推薦800 mm·min-1。

圖9 錘擊處理焊接接頭“疊形缺陷”Fig.9 The“fold defect”of weld joints after hammer peening

圖10 錘擊與針式?jīng)_擊處理過程Fig.10 Processing of hammer and needle impact peening

研究表明：錘擊工作頭端部直徑會影響錘擊處理后金屬材料表面質(zhì)量；一般來說，直徑越小，焊趾部位被錘擊處理到的可能性就越大，最終焊趾會消失；直徑如果過大（大于12 mm），錘擊頭通常不會作用在焊趾部位上，而是作用在焊趾一側(cè)母材上；一般希望用大直徑錘擊頭，采用較少錘擊道數(shù)來達到期望效果，但是從檢驗角度來看，原始焊趾存在是非常不利的；因此需要選擇合適直徑錘頭。

圖11 錘擊或沖擊鋼制接頭焊趾實例對比Fig.11 Comparison of hammer and peening of steel weld joints

在任何情況下，處理后焊縫一旦受到高值平均拉伸應力作用，錘擊或針式?jīng)_擊處理都將失去效果。實際中，如果要解決這個問題，就需要在焊縫承受拉伸載荷過程中進行承載錘擊或針式?jīng)_擊處理。為達到最大效果，錘擊或針式?jīng)_擊處理形成的壓縮殘余應力應至少和試件所承受最小應力一樣大。

焊趾區(qū)域是否經(jīng)過了正確錘擊或針式?jīng)_擊（也就是說表面完整地處于壓縮殘余應力狀態(tài)之下）并不能明顯看出來，并且由于很難區(qū)分焊趾區(qū)域殘留痕跡和類裂紋疊形缺陷；因此，采用小直徑或者小直徑和較大直徑的錘擊工作頭綜合使用是最好選擇，確保所有原始焊趾痕跡都被處理清除掉。

一般情況下，當錘擊或針式?jīng)_擊處理表面光滑、壓痕均勻、原始焊趾痕跡都消失時候，被確認為錘擊或針式?jīng)_擊處理較為徹底。作為參考：最佳壓痕深度0.5 mm，最小0.3 mm，最大不超過1 mm。如果懷疑有“疊形缺陷”產(chǎn)生則需要仔細檢查，目前磁粉檢測鐵素體鋼錘擊或針式?jīng)_擊處理疊形缺陷得到成功應用（圖12）。

IIW和AWS對錘擊和針式?jīng)_擊能夠產(chǎn)生有益效果以予確認：對于屈服強度高于350 MPa鋼材，沖擊強化FAT（2×106次循環(huán)時對應疲勞強度）為原始焊態(tài)的1.6倍，而疲勞壽命提高4倍；屈服強度低于350 MPa的鋼材，其FAT提高1.3倍而疲勞壽命則提高了2.2倍。

AWS D1.1標準則對錘擊或針式?jīng)_擊適用范圍進行了界定：①錘擊或針式?jīng)_擊適用于疲勞載荷譜中最大名義壓縮應力小于0.25σs的情況；② 處理接頭設(shè)計S-N曲線的有效應力范圍依賴于外載應力比R：如R＜0，則有效應力范圍等于疲勞強度改善系數(shù)乘Δσ；如0＜R＜0.4，則有效應力范圍等于疲勞強度改善系數(shù)乘最大應力σMAX；如果R＞0.4,則針狀沖擊沒有任何改善效果。

1.3 TIG熔修技術(shù)[4]

TIG熔修提高疲勞強度思想來源于：TIG焊接頭疲勞強度較高的現(xiàn)象。于是有人使用TIG焊炬將焊縫金屬沿焊趾重新熔化消除熔渣楔塊與咬邊等焊接缺陷，改善了焊趾外形，使焊縫與母材之間形成平滑過渡，減少了應力集中，從而提高接頭疲勞性能，如圖13所示[6]。

TIG熔修法優(yōu)點之一是可以很好改善含咬邊缺陷接頭疲勞強度。此外，優(yōu)點還有：處理效率很高，噪音較小，處理效果好，適于低周疲勞性能改善。

圖12 錘擊后焊趾處“疊形缺陷”磁粉檢查Fig.12 Magnetic particle inspection of the"fold defect" at the toe after hammering

圖13 TIG熔修過程示意圖Fig.13 Schematic diagram of TIG dressing

TIG熔修法缺點也很明顯：①需要保護氣體，導致野外施工困難；②準備工作繁多，熔修前需要仔細清理待處理焊縫表面，去除雜質(zhì)；需經(jīng)常打磨電極，保證端部尖銳程度；處理高強度鋼種需要預熱；③ 為了防止可能出現(xiàn)過度硬化有時需重熔兩次以上；④存在熄弧與重新起弧問題，處理不當會影響重熔焊道質(zhì)量和外形，使處理接頭疲勞性能低于焊態(tài)，對操作者技能要求較高；⑤橫焊、立焊、仰焊時效果較差。

國際焊接學會推薦TIG熔修可適用于屈服強度低于900 MPa、厚度大于10 mm的鋼制焊接接頭，服役在無腐蝕或有保護的腐蝕環(huán)境中。值得注意的是，TIG熔修對表面狀態(tài)十分敏感；因此，在處理之前要仔細檢查熔修部位，去除油污、鐵銹等。如果表面清理不夠會導致氣孔出現(xiàn)，反而惡化接頭疲勞性能[4，7-9]。再者，其他參數(shù)如焊接速度、焊接電流、電弧位置及保護氣，都會影響局部重熔的效果和疲勞性能[10]。

TIG熔修效果與電弧形狀密切相關(guān)，而電弧形狀又依賴于電極尖端形狀和條件。如果尖端被污染或磨損（氧化），將導致電弧集中，從而使重熔區(qū)變窄和對焊道形狀產(chǎn)生不利影響。

當TIG熔修碳含量超過0.12%的鋼結(jié)構(gòu)時，應考慮是否在熱影響區(qū)會形成淬硬區(qū)，因而對焊縫金屬進行二次TIG重熔回火。

IIW推薦TIG熔修時使用高熱輸入，這使熱影響區(qū)硬度值較低，且熔修效率高。需要注意的是：較大電流和過低熔修速度通常會產(chǎn)生咬邊或很差焊縫輪廓，影響熔修效果。

研究表明：最佳熔修條件與重熔位置相關(guān)。為獲最佳熔修結(jié)果,相對原焊趾位置重熔區(qū)域須仔細定位。通常，當電弧中心距焊趾較近時，如圖14（a）所示，熔修效果較好。

當TIG熔修電弧位置過于接近焊道，則可能導致一個新焊趾形成，如圖14（b）和（c）所示。如果獲到圖14（b）及（c）所示熔修焊道形狀，應考慮相應補救措施。

TIG熔修需注意原始焊趾是否被完全重熔。經(jīng)驗表明：如存在部分未熔修焊趾區(qū)域，則疲勞性能與原始焊態(tài)接頭是相同的。

圖14 TIG熔修重熔區(qū)域位置選擇原則示意Fig.14 Location selection principle of TIG dressing zone

熔修起弧和熄弧時可能造成弧坑或不良焊道形狀，嚴重影響熔修效果。此時可通過使起弧點位于熄弧點之后6 mm位置已予避免，如圖15（a）所示；另外，也可先在焊道上起弧再移動到焊趾處，如圖15（b）所示；也可在焊道上熄弧，如圖15（c）所示。

研究表明：熔修處理焊縫效果能否最佳也取決于原始焊縫幾何形狀。另外，熔修實際效果還與服役條件有關(guān)，如果熔修金屬表面產(chǎn)生一定程度腐蝕，那么TIG熔修益處將減少。

國際焊接學會對TIG熔修疲勞性能改善效果評價規(guī)定如下：中低強度級別鋼（屈服強度小于355 MPa）的承載角接頭熱點應力FAT值為112 MPa，非承載角接頭FAT值為125 MPa；高強度鋼（屈服強度大于355 MPa）的承載角接頭FAT值為112 MPa，非承載角接頭FAT值為125 MPa；鋁合金的承載角接頭FAT值為45 MPa，非承載角接頭FAT值為50 MPa[4]。

關(guān)于TIG熔修，最近仍然有人進一步開展研究。例如，Yidirim總結(jié)了311組公開發(fā)表的文獻中數(shù)據(jù)，獲得如下結(jié)論：①發(fā)現(xiàn)IIW推薦使用固定S-N曲線斜率m=3往往獲得較為保守的試驗結(jié)果，采用m>3擬合TIG熔修法改善焊接接頭疲勞數(shù)據(jù)似乎能獲得更合理的疲勞設(shè)計特征強度值，但是需要更多試驗結(jié)果來驗證該結(jié)論；② 疲勞強度改善效果，即FAT值變化跟試樣幾何形狀和材料強度級別有重要聯(lián)系；③ 采用合理的評估方法對準確描述TIG熔修改善效果極其關(guān)鍵，如缺口應力法、結(jié)構(gòu)熱點應力法或斷裂力學方法等；④ 強度級別較高的試驗數(shù)據(jù)相對較為缺乏；因此，TIG熔修方法的效果及評價方法仍有待研究。

圖15 TIG熔修過程起弧和熄弧技巧Fig.15 TIG dressing technique of arc striking and stabilizing

2 焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽新技術(shù)

2.1 低相變點焊接材料疲勞延壽技術(shù)

2.1.1 低相變材料疲勞延壽技術(shù)原理

TIG熔修、焊趾打磨、錘擊等傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)的共同缺點表現(xiàn)為：它們均屬于焊后處理工藝措施。對于大型焊接結(jié)構(gòu)件，焊縫數(shù)量巨多，這樣會大大增加勞動量和成本[11]；同時此類方法對于改善角焊縫根部疲勞開裂效果并不理想，基本沒有作用。

低相變點（low transformation temperature，LTT）焊接材料是一種利用焊縫金屬在較低溫度下（Ms點低于350℃），通過馬氏體相變產(chǎn)生的體積膨脹降低焊縫及周圍母材的殘余拉應力甚至產(chǎn)生殘余壓縮應力，從而提高焊接接頭疲勞強度的新型焊接材料。

在過去20年，LTT焊接材料得到了國內(nèi)外高度關(guān)注。研究表明：LTT材料可在焊態(tài)條件下降低焊接區(qū)域殘余拉應力，甚至產(chǎn)生殘余壓縮應力，無需增加任何焊后措施、效率高、成本低，避免了耗時且昂貴的焊后消應力熱處理[12-13]；同時對于改善角焊縫根部疲勞裂紋效果明顯。此外，LTT焊接材料還可有效降低高強鋼冷裂紋敏感性，降低焊前預熱溫度或免除焊前預熱[14-15]；通過調(diào)整LTT焊接材料配方，對于控制焊接變形也有良好效果[16]。

2.1.2 LTT焊接材料設(shè)計原理

焊接過程中，鋼鐵材料從高溫到室溫冷卻過程中，奧氏體（A）向鐵素體（F）、貝氏體（B）和馬氏體（M）轉(zhuǎn)變，由于微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)不同，造成它們比容各不相同；組織轉(zhuǎn)變溫度越低，所獲得的轉(zhuǎn)變組織比容越大[11]，其中奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變相變膨脹最大；因此，基于馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生相變膨脹原理設(shè)計LTT焊接材料是較為理想的選擇。

室溫焊接殘余應力由焊接熱收縮應力和相變應力共同決定。室溫下的焊接殘余應力與相變開始溫度密切相關(guān)，若組織轉(zhuǎn)變在高溫，材料處于完全塑性狀態(tài)，相變體積膨脹不會產(chǎn)生相變應力，也不影響室溫殘余應力。若相變開始溫度在350～600℃之間，此時材料處于彈塑性狀態(tài)，組織轉(zhuǎn)變體積膨脹產(chǎn)生部分相變應力，但是相變結(jié)束后熱收縮繼續(xù)進行，使壓縮應力降低并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈ΑＨ粝嘧冮_始溫度大約在100～350℃，以保證膨脹應變結(jié)束溫度在室溫附近，不再發(fā)生相變結(jié)束后的熱收縮或只有較小熱收縮，從而在室溫下可以獲得殘余壓縮應力[11]。此外，考慮到高碳馬氏體力學性能差；因此，LTT焊接材料合金體系設(shè)計室溫轉(zhuǎn)變應以低碳馬氏體為主。

2.1.3 LTT焊接材料研究進展

早在60年代，前蘇聯(lián)焊接專家就提出了利用相變膨脹產(chǎn)生壓縮應力來提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的設(shè)想。遺憾的是這種思想沒有得到足夠重視，可能與下述原因有關(guān)：① 焊縫金屬中加入了大量Mn引起焊縫金屬脆化，力學性能急劇下降；②由于當時原材料質(zhì)量限制，其含碳量高達0.16%～0.2%，致使焊接性較差；③大量Mn會帶來焊接健康方面問題[11]。

最早報道LTT焊接材料研究成果的是日本國家金屬研究所Akihiko Ohta教授等人，他們在1998年國際焊接學會年會上提出低相變點焊絲的研究報告[17]，其主要化學成分為10Cr-10Ni。報告中將低相變點焊絲用于高強鋼HT580和HT780縱向非承載角焊縫，其疲勞強度提高100%。隨后將LTT焊絲用于施焊箱形梁四條縱向角焊縫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：低溫相變材料焊接梁的疲勞強度提高約30%，也充分顯示了這種方法的有效性[18]。Chitoshi MIKI研制了3種低相變點焊條[19]，其熔敷金屬化學成分為Cr15-Ni7、Cr13-Ni9和Ni19，在沒有預熱情況下有效地提高了焊接接頭的疲勞強度，雖然疲勞強度提高程度沒有超聲沖擊法效果好，但是優(yōu)于TIG熔修和焊趾打磨。J.Eckerlid（SSAB瑞典鋼鐵公司），L.Karlsson（ESAB伊薩焊材）在2002年國際疲勞學會的研究報告[20]提出采用TIG焊絲和SMAW焊條的LTT焊接材料用于角焊縫，疲勞性能可以提高25%～90%，裂紋起裂位置從焊趾向焊縫根部轉(zhuǎn)移。

日本Ohta和TWI的S.J.Maddox等[21]的研究結(jié)果表明：母材強度級別越高，LTT焊材的疲勞性能改善效果越明顯。2004年霍立興等[22]研制了不同Ms的LTT焊條，研究表明：Ms為180℃時，相變膨脹應變最大，可以獲得最大殘余壓應力。2011年，趙小輝、王東坡等[23]采用LTT合金粉用于低合金鋼焊接接頭噴熔修形，疲勞強度比原始焊態(tài)提高了70%。

Denis Thibault等[24]關(guān)于LTT焊接材料410NiMo用于超級馬氏體不銹鋼焊接的研究表明：多層多道焊的最后一道焊縫縱向殘余應力為壓應力，其余焊縫縱向為殘余拉應力；多層多道LTT焊縫的裂紋敏感性高于熱影響區(qū)HAZ。

Kromm A等[25-26]研究發(fā)現(xiàn)：Ms點是影響低相變焊縫殘余應力分布的主要因素；在服役過程中載荷達到奧氏體屈服強度時會發(fā)生應力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變。

Bhatti A A等[27]研究報告發(fā)現(xiàn)：LTT焊接材料在低名義應力水平條件下改善疲勞性能效果明顯；改善變幅載荷條件下疲勞性能的效果并不明顯。

Scandella Fabrice等[28]在2013年第5屆疲勞設(shè)計會議上提出：采用馬氏體不銹鋼焊接材料（EN ISO 17633-A-T Z 16 5 1，Ms=225℃）可用于提高低合金鋼焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度。

ALGHAMDI T等[29]建立了LTT焊接接頭殘余應力有限元模型 并發(fā)現(xiàn)：Ms相近的LTT材料，其焊接變形和殘余應力并不一定相同，Ms非預測相變殘余應力大小和分布唯一指標。

Ramjaun T I，Ooi S W等[30]研究發(fā)現(xiàn):考慮母材稀釋問題，高合金含量有利于改善LTT單道焊接頭疲勞性能；但對多道焊高合金含量沒有好處，這是由于焊縫馬氏體轉(zhuǎn)變不完全，致使HAZ區(qū)周圍存在大量殘余拉應力區(qū)所致；將LTT材料用于不銹鋼焊接時，母材對LTT焊縫稀釋作用會導致合金成分偏高而不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，從而不產(chǎn)生壓應力；母材稀釋作用主要是通過改變Ms點，而非通過組織來影響殘余應力的[12]。

Kromm A等開始關(guān)注LTT焊接材料力學性能及焊接性，通過調(diào)整Cr，Ni，Mn含量獲得不同配方的LTT焊絲，研究發(fā)現(xiàn)：Cr，Ni，Mn含量高易出現(xiàn)凝固裂紋。

2.2 超聲沖擊疲勞延壽技術(shù)

2.2.1 超聲沖擊疲勞延壽技術(shù)原理

超聲沖擊處理（ultrasonic impact treatment）是在噴丸技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來，極具應用前景的噴丸類金屬表面強化技術(shù)。它以大功率超聲波為驅(qū)動力，通過換能器將電能轉(zhuǎn)換為機械能，并通過變幅器放大/聚能后驅(qū)動沖擊針撞擊金屬材料表面，使其發(fā)生塑性變形進而降低焊趾應力集中程度，形成表面殘余壓縮應力，進而大幅度提高材料或焊接接頭疲勞性能。

超聲沖擊裝置[32－33]由功率超聲波發(fā)生器和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成。功率超聲波發(fā)生器的主要功能包括輸出一定功率和頻率的交流電并配有振速和頻率跟蹤系統(tǒng)；執(zhí)行機構(gòu)即超聲沖擊槍包括換能器、變幅桿和沖擊針三部分。工作原理：功率超聲波發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻交流電，激勵換能器并將其轉(zhuǎn)換為同頻機械振動，變幅桿將換能器輸出振動幅度放大，傳遞給沖擊頭，在一定壓力下撞擊金屬材料表面，圖16為超聲沖擊設(shè)備和沖擊槍結(jié)構(gòu)圖[34－35]。

圖16 超聲沖擊設(shè)備實物圖Fig.16 The graph of ultrasonic impact equipment

2.2.2 超聲沖擊技術(shù)發(fā)展過程

超聲沖擊處理起源于直接利用超聲振動使表面產(chǎn)生變形的技術(shù)，最初是在20世紀50年代由俄羅斯科學家Mukhanov和Golubev首先提出的。他們利用超聲換能器輸出的振動加工處理材料，使被處理材料表層產(chǎn)生了一薄層塑性變形，并使變形層微觀形態(tài)和殘余應力分布情況發(fā)生了改變［36］。隨后Krylov和Polischuk在1960年對已有超聲振動設(shè)備進行了改造，在超聲換能器輸出端和待處理材料之間放置了一枚自由運動小球體［37］，使激振系統(tǒng)振動沖擊代替了換能器對工件的直接處理，但處理過程中小球隨機運動產(chǎn)生的沖擊頻率低于系統(tǒng)激振頻率。雖然改進后設(shè)備可增加材料塑性層變形厚度，由于球體過度自由運動使之無法保證塑性變形層深度的均勻性。

在20世紀70年代初期，Statnikov等發(fā)明了超聲沖擊方法并且取得了相應專利權(quán)。使用磁致伸縮振動系統(tǒng)取代了原有壓電式超聲振動系統(tǒng)，用于焊接結(jié)構(gòu)焊接殘余應力消除和疲勞性能及抗應力腐蝕性能提高。由于該技術(shù)初期主要用于軍工領(lǐng)域；因此很長一段時間處于保密狀態(tài)，直到20世紀90年代國際焊接領(lǐng)域才逐漸認識到該技術(shù)。此后，烏克蘭、俄羅斯和法國的研究機構(gòu)聯(lián)合進行了超聲沖擊技術(shù)的完善和實用化研究，2000年左右，在美國成功實現(xiàn)了商業(yè)化。我國超聲沖擊技術(shù)研發(fā)始于1995年，并于1997年研制成功第一臺壓電式超聲沖擊裝備，使國際超聲沖擊設(shè)備研發(fā)進入磁致伸縮和電致伸縮并行發(fā)展的階段。目前，該技術(shù)在航空航天、海洋工程、橋梁建造、工程機械、軌道交通等領(lǐng)域被廣泛應用，并成功地向表面工程[38]、鋁合金結(jié)構(gòu)矯形[39]、輔助3D打印等方向拓展。

2.2.3 超聲沖擊技術(shù)最新研究進展

Nascimento等［40］發(fā)現(xiàn)，超聲沖擊處理作為電鍍前處理工藝可以有效去除電鍍過程中形成的拉應力，抑制表面鍍層微裂紋產(chǎn)生。法國空客公司、中航工業(yè)集團等國際航空巨頭已成功將超聲沖擊技術(shù)用于飛機機身或機翼壁板矯正。Guo［41－42］討論了超聲沖擊成形原理，正試圖將該技術(shù)應用于運載火箭貯箱等薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)的成形工藝過程。何柏林等［43］研究發(fā)現(xiàn)：超聲沖擊使材料表層組織中產(chǎn)生高密度位錯纏結(jié)和位錯墻，相比其他塑性變形技術(shù)可更有效細化晶粒。王東坡等［38］利用改造后的超聲沖擊裝置實現(xiàn)了45#鋼表面納米化。

2009年，王婷等[44]提出超聲沖擊處理焊接接頭的S-N設(shè)計曲線斜率推薦值應為m=10，超聲沖擊接頭疲勞強度與平均應力有關(guān)等觀點。2010年，超聲沖擊技術(shù)被納入美國公路鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范當中并加以推廣應用[45]。2012年，Yildirim H C等[46]總結(jié)了超聲沖擊處理接頭疲勞強度的大量數(shù)據(jù)，得出其設(shè)計S-N曲線斜率為m=5較為合適。2013年，日本Rana Tehrani Yekta等[47]發(fā)現(xiàn)：超聲沖擊質(zhì)量水平可嚴重地影響其疲勞性能，過沖擊或欠沖擊均可能造成超聲沖擊處理改善結(jié)構(gòu)疲勞性能的效果不佳。

Liu［48］在研究二次超聲沖擊處理過程中發(fā)現(xiàn)：超聲處理后焊接接頭表層存在類裂紋缺陷（如圖17所示），是疲勞裂紋起裂首選位置。Abdullah［49］在超聲沖擊試樣中同樣也發(fā)現(xiàn)了類裂紋缺陷，如圖18所示。說明在超聲沖擊處理焊趾區(qū)域出現(xiàn)這種疊形類裂紋缺陷是幾乎不可避免的，對接頭疲勞延壽效果產(chǎn)生不利的影響。

圖17 超聲沖擊處理類裂紋缺陷Fig.17 SEM micrographs

圖18 沖擊后試樣損傷剖面圖Fig.18 SEM micrographs of cross-section of the specimen with UIT damage

霍立興等［50］研究了復雜荷載下超聲沖擊改善焊接接頭疲勞性能實施效果并發(fā)現(xiàn)：變幅荷載下超聲沖擊處理焊接接頭的疲勞壽命顯著減少，變幅載荷加載條件下累積損傷系數(shù)D設(shè)定為0.5的作法，不適合超聲沖擊處理焊接接頭與結(jié)構(gòu)。

近年研究表明：超聲沖擊不僅可提高新建結(jié)構(gòu)疲勞壽命，對于服役結(jié)構(gòu)疲勞性能改善作用可能更明顯。Maddox等［51］發(fā)現(xiàn)：已經(jīng)服役一段時間的接頭焊趾經(jīng)過承載沖擊處理后，焊趾部位裂紋停止了增長，疲勞失效位置從焊趾轉(zhuǎn)移到焊根，這說明沖擊處理可以作為焊接接頭裂紋修復手段，抑制原有疲勞裂紋擴展。Kudryavtsev Y等［52］對經(jīng)歷50%預期疲勞壽命的疲勞加載焊接接頭進行了超聲沖擊處理，發(fā)現(xiàn)其疲勞強度提高程度比直接超聲沖擊高30%，但原因解釋尚存在一定疑問。張海等［53］研究發(fā)現(xiàn)：隨著接頭疲勞預加載時間增長，將產(chǎn)生更深的疲勞裂紋，使得非承載超聲沖擊處理的改善效果明顯降低；同時采用有限元分析手段對超聲沖擊作用于含裂紋焊接接頭沖擊過程進行了模擬發(fā)現(xiàn)：超聲沖擊提高疲勞性能機制包括產(chǎn)生壓縮殘余應力及改變裂紋發(fā)展方向兩方面，這兩個因素的有利作用都隨著裂紋增長而不斷降低。馮延焉等［54］對超聲沖擊產(chǎn)生類裂紋疊形缺陷的機制進行研究并發(fā)現(xiàn)：疊形缺陷是不可避免的，原始缺陷深寬比、沖擊處理角度對疊形缺陷形成起關(guān)鍵的作用。

3 焊接結(jié)構(gòu)與接頭疲勞延壽技術(shù)發(fā)展趨勢分析

綜上所述，再結(jié)合近年來一些疲勞延壽技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對焊接結(jié)構(gòu)與接頭疲勞延壽技術(shù)的發(fā)展趨勢進行簡單地分析和判斷，現(xiàn)簡述如下：

焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽接頭的設(shè)計和評價問題可能繼續(xù)成為未來疲勞延壽技術(shù)的熱點之一，目前現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范將其設(shè)計S-N曲線強制規(guī)定為M=3是不合適的，具體數(shù)值尚需大量研究，需要積累更多試驗數(shù)據(jù)。

焊趾打磨前處理技術(shù)的重要性可能會得到更深刻地理解，成為未來進一步提高TIG熔修、超聲沖擊、錘擊等疲勞延壽技術(shù)實施效果的重要手段之一。

疲勞延壽處理后施加腐蝕防護措施，也是保證服役在腐蝕性環(huán)境的焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能可靠性的重要方面，應在今后引起高度重視。

有限元數(shù)值模擬技術(shù)是研究超聲沖擊、錘擊、針式?jīng)_擊工藝缺陷的形成機理，探討復雜載荷條件下的疲勞延壽機制等科學問題的有效手段，今后該研究方法可能受到普遍關(guān)注。

由于類裂紋疊形缺陷是超聲沖擊、錘擊、針式?jīng)_擊等噴丸類疲勞延壽技術(shù)不可避免的工藝性缺陷，此時接頭疲勞壽命評估演變?yōu)槲⒘鸭y缺陷在壓縮應力條件下的疲勞擴展問題。有鑒于此，利用斷裂力學理論預測上述噴丸類強化實施效果，開展抗疲勞設(shè)計也是未來值得期待的發(fā)展方向之一。當然，如果可以采用某種工藝措施避免或消除噴丸類強化表面類裂紋缺陷，則可以進一步提高其疲勞延壽效果，并保證其實施效果在復雜服役條件下的穩(wěn)定性。

近年來，盡管LTT焊接材料獲得了極大地發(fā)展，但是依然存在一些焊接問題尚未完全解決，如焊縫金屬沖擊韌性較低問題。目前，各國仍在尋求提高焊縫金屬沖擊韌性的途徑，一方面通過調(diào)整Ms來改善焊縫金屬沖擊韌性；另一方面，通過提高焊縫金屬純凈度，降低含碳量提高焊縫金屬沖擊韌性。低碳高鎳低相變點焊接材料可以獲得馬氏體和殘余奧氏體的混合組織，是目前低相變點焊接材料改善沖擊韌性的主要研究方向。

此外，關(guān)于LTT焊縫金屬組織轉(zhuǎn)變熱力學和動力學的研究尚不深入；LTT焊縫金屬中馬氏體和奧氏體的組織形態(tài)及分布對力學性能的影響，殘余奧氏體穩(wěn)定性及其在服役條件下的轉(zhuǎn)變行為（溫度和載荷對殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的影響）；LTT焊接接頭熔合區(qū)的腐蝕問題；LTT焊接材料的焊接性，尤其焊縫成型質(zhì)量，如何獲得較小的過渡角；焊接工藝參數(shù)優(yōu)化，焊接氣體配比（N，O含量對焊縫力學性能的影響）對綜合性能的影響。

4 總結(jié)

截至目前，國際上焊趾打磨、TIG熔修、錘擊、針式?jīng)_擊等傳統(tǒng)經(jīng)典焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)已納入相關(guān)行業(yè)的疲勞設(shè)計規(guī)范當中，超聲沖擊也進入美國公路鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范加以推廣應用，但關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽新技術(shù)的學術(shù)研究仍然沒有停止的跡象，反而發(fā)表的學術(shù)論文越來越多，這一方面反映出其重要性得到學術(shù)界與工業(yè)界的高度認可；另一方面則說明關(guān)于系列疲勞延壽技術(shù)的研究還不夠深入，一些深層次問題尚未得到徹底解決。如錘擊和超聲沖擊工藝性缺陷的產(chǎn)生機理，表面損傷機制及其影響因素；低相變點焊縫韌性不足、殘余奧氏體穩(wěn)定性及其在服役條件下的轉(zhuǎn)變行為、母材稀釋對低相變點焊縫組織演變及其形態(tài)的影響；疲勞延壽處理結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價問題、復雜載荷條件下疲勞延壽效果穩(wěn)定性及其保障問題等。需要今后繼續(xù)開展上述相關(guān)問題的研究工作，推動焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽技術(shù)在高端裝備制造產(chǎn)業(yè)中越來越廣泛應用。

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Research Review on Fatigue Life Improvement of Welding Joint and Structure

Wang Dongpo，Gong Baoming，Wu Shipin，Zhang Hai，F(xiàn)eng Yanyan
（School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The current status and development of fatigue life improvement technology of welding joint and structure was reviewed in this paper.The specifications for the practical use of the traditional welding improvement methods such as weld toe grinding,TIG dressing,hammer peening and needle peening were introduced according to the international guidelines.The recent development about the methods of ultrasonic peening and low transformation temperature welding material were also discussed in details.It is thought that the fatigue life improvement technology of welding structure is still the international focus for a quite long period in future.More researches need to be conducted in the following areas:the mechanism and influencing factors of defects forming during hammer peening and ultrasonic peening process;the toughness increase of welding metal,the stability of retained austenite and the effect of base metal dilution on the microstructure of weld metal for low transformation temperature welding material;the design and evaluation of the structure treated by the improvement methods;the stability of the fatigue life improvement under complex load.It maintains that fatigue life improvement technology can be more widely used in high-end manufacturing industries.

welding structure；fatigue life；ultrasonic peening；TIG dressing；grinding

TG405

A

1005-0523（2016）06-0001-14

（責任編輯 劉棉玲）

2016－10－12

國家自然科學基金項目（51275343，51375331）

王東坡（1972—），男，教授，博士生導師，中國焊接學會焊接結(jié)構(gòu)與制造專委會委員。2008年入選教育部新世紀優(yōu)秀人才資助計劃。長期從事大型焊接構(gòu)析斷裂力學試驗與評定、焊接結(jié)構(gòu)延壽理論及方法、金屬表面超聲納米化加工理論、超長壽命區(qū)間焊接接頭的疲勞行為研究。2002年獲中國高校科技發(fā)明二等獎1項；2004年獲天津市自然科學一等獎1項；作為項目負責人完成國家自然科學基金項目、軍工項目等數(shù)10項；發(fā)表EI和SCI論文60余篇。