摘要：受零件尺寸以及工况限制，焊接以其工艺简单、连接强度高等优点广泛应用于金属构架、压力容器等结构的成型加工。但由于气孔、夹渣等缺陷的存在，焊接接头残余应力增大，疲劳极限降低。提供高效焊接疲劳分析方法以精确估算焊件寿命已成为行业重点。总结了四种热门焊接疲劳预测方法，以及近年间五种较新的分析方法，以期对焊接工业发展提供理论支持和技术指导。

　　关键词：焊接接头；焊接疲劳；热点应力法；应变能密度法

　　焊接是通过高温、高压或借助钎料等方式，将同种或异种材料进行原子间结合的热加工方法，以其操纵简便、工艺简单、劳动强度低、焊合区域强度高等优点被广泛应用。疲劳断裂是金属材料的主要失效方式之一，在金属焊接中尤为明显。常见的焊接疲劳因素包括焊接过程中产生气孔、夹渣、咬边、缩孔等，使焊件的有效承载面积减小，产生应力集中，促使焊缝处生成裂纹源而断裂，导致脱焊，对生产提前期产生影响。焊接断裂点受晶粒尺寸、位置、取向等影响，最常出现于焊趾，近年间，国内外对焊接疲劳研究方法，进行了大量的研究以及建模。列出了适用于镁合金的三种焊接方法，总结了名义应力法、热点应力法、缺口应力法、断裂力学法四种典型焊接疲劳研究方法的最新进展以及主S-N曲线法、零点结构应力法、峰值应力法、应变能密度法、临界距离法五种新型焊接预测方法，为工业生产提供理论基础和方法指导。

　　1镁合金焊接方法

　　1.1电子束焊

　　电子束焊是指利用加速和聚焦的高能量电子束轰击置于真空或非真空中的焊接部位，将电子动能转化成热能，使焊接件熔化实现焊接，具有能量密度高、热量输入可控、穿透能力强、散热快、在真空环境中可以极大程度减少空气对焊接的影响等特点。但是制造真空环境操作复杂，且会限制焊接件的形状与大小，电子束还会受到外界磁场等干扰，并在一定程度上影响焊接质量。

　　为找到最佳工艺参数，Chi等对AZ系列合金的焊接参数进行实验比较，总结出对镁合金的电子束焊影响最大的是束流振荡和焦点位置。非振荡光束、底部聚焦和无应力释放是电子束焊最佳选择。焊缝缺陷的危害程度依次为裂纹、侧切和气孔，每个电子束焊的参数对各种缺陷的影响是通过缺陷权重和参数贡献相乘得到的。Yi等根据热传导和能量守恒定律，计算出AZ系列镁合金中主要金属元素的汽化时间，建立了蒸发传热模型，发现镁合金中基本金属元素蒸发按照镁、锌、铝的顺序。计算表明，镁合金的强烈蒸发将在几毫秒内发生，即金属元素汽化诱发的

　　小孔在几毫秒内形成，镁合金的真空电子束焊可在短时间内达到深度穿透焊接的效果。真空电子束焊接过程中束斑直径由聚焦线圈电流决定，聚焦线圈电流的变化是影响实际的热输入、合金元素的蒸发、焊缝显微组织质量的因素。Yang等研究了不同工艺参数的AZ31镁合金电子束焊接接头的微观组织和力学性能。结果表明镁合金焊接接头主要是细小的等轴晶，焊缝与热影响区窄，未发生明显的晶粒长大，焊缝与机体界面熔合良好。采用小的焊接梁，适当的焊接速度，结合焊接前后的热处理，调节焦点电流和焦点位置，可以改变焊缝周围的热输入分布，可以达到减少气孔及裂纹和其他缺陷，从而提高焊接接头的力学性能，证明了电子束焊具有焊接大厚度镁合金的潜力。

　　1.2激光焊

　　激光焊是通过高能激光束轰击母材产生高温进行焊接的焊接方法，以其焊接时能量高、变形小、速度快等众多优点，被广泛应用于白车身焊接、航空航天部件焊接等先进制造行业。相较于传统材料连接方式，激光焊可有效降低生产成本、提高制造效率，是较为合适的镁合金焊接方法。

　　目前，镁合金激光焊主要分为Nd:YAG激光焊、CO2激光焊、光纤激光焊三种。Sun等针对AZ31镁合金，分别采用Nd:YAG激光焊和CO2激光焊进行对比，发现二者均可有效生产具有高纵横比的焊道，而经过Nd:YAG激光焊可形成相较于CO2激光焊更为精细的焊缝组织。Chowdhury等在50mm/s、100mm/s两组焊接速度下对AZ31镁合金进行光纤激光焊，发现在100mm/s焊接速度下的焊缝由于热影响区较窄，晶粒尺寸较小，整体硬度明显优于50mm/s组，又发现，经过光纤激光焊的镁合金焊缝延展性和疲劳寿命虽有下降，但均在可接受范围内，而焊缝强度硬度可大幅提高，证明了光纤激光焊作为镁合金焊接方法的优越性。近年间，为获得更高质量焊接接头，国内外尝试将激光焊与TIG、MIG等焊接方法混合进行使用，并有所进展。

　　1.3摩擦搅拌焊

　　摩擦搅拌焊是利用高速旋转的焊具(由肩部和针部组成)与工件摩擦产生热量，母材软化，在焊具前进方向，受转动摩擦力随焊具旋向而搅动，并在下压力作用下形成致密焊缝。与熔焊相比，摩擦搅拌焊焊缝微观组织细小，接头力学性能良好；过程无烟尘、无飞溅，不需添加焊丝，不要求保护气氛；生产效率高，操作方便、节省人力，且不易出现各种焊接缺陷，是镁合金等有色金属材料连接最理想的方法。

　　Harikrishna等分别对5mm、10mm、25mm三种不同厚度的ZM21镁合金热轧板进行摩擦搅拌焊，均获得无缺陷的全熔透焊缝。发现，5mm、10mm厚度焊缝晶粒相对细小，而25mm焊缝晶粒与母材相比则更为粗大。经过拉伸试验，5mm、10mm厚度焊缝与母材接头效率超过75%，无明显硬度差别且弯曲性能良好，证明了摩擦搅拌焊应用于镁合金焊接的可行性。

　　Masoudian等研究了3mm厚AZ31-O镁合金与6061-T6铝合金之间的异种搅拌摩擦焊，发现，采用1000r/min的转速和40mm/min的行进速度可获得无缺陷的焊接接头。金相研究表明，搅拌区的晶粒尺寸相较母材更为细小，经过拉伸试验发现，焊接试样的抗拉强度约为AZ31镁合金的76%和6061铝合金的60%，证明了摩擦搅拌焊在镁铝异种焊接领域的可靠性。

　　Xu等提出了使用极低焊接速度和转速的大载荷摩擦搅拌焊，并应用于非燃烧性Mg-6Al-0.4Mn-2Ca镁合金，希望改善摩擦搅拌焊焊缝以往较低的屈服强度和伸长率，发现，在大载荷作用下，搅拌区中的孪晶结构为位错运动提供了足够的阻碍，有效提高了横向拉伸试验中接头的屈服强度和伸长率，使其分别提高至母材的98%和126%，为摩擦搅拌焊工艺改良提供了全新的思路。

　　2传统焊接疲劳分析方法

　　2.1名义应力法

　　名义应力法是通过计算焊接接头名义应力，结合疲劳试验，制定S-N曲线分析材料疲劳寿命与施加应力之间的规律，反映构件疲劳特性，并进行疲劳寿命评估的疲劳分析方法。其出现较早，应用较广，但由于焊接接头形状难以确定、名义应力不易计算，计算结果高于真实疲劳寿命等原因，具有明显不足。近年间，对于名义应力法的改进方案的讨论较为激烈。

　　Hu等提出了双参数名义应力法，使用Sa-Sm-N曲面方程，计算单个载荷循环疲劳损伤，有效提高了疲劳寿命预测的准确性。Yang等基于外来损坏的可能性，将名义应力法与损伤容限法相结合，对高铁制动单元支架半椭圆表面裂纹成功进行剩余寿命评估，并提出安全裕度。Wen等基于名义应力法，提出了一种适用于欠匹配对接焊缝疲劳的EFBC法，以提高高周疲劳中不匹配对接焊缝的疲劳极限。

　　2.2热点应力法

　　鉴于特殊的名义应力在实际操作中难以准确计算、忽略焊缝细节对寿命影响和应力集中等缺点，热点应力法在名义应力法的基础上利用有限元技术得到复杂焊趾的应力并对名义应力S-N进行修正得到较高精度和可靠度的热点应力S-N曲线。

　　热点应力是指结构中危险截面或最大结构应力处的局部应力，在焊接件中焊缝前沿和焊趾处最容易发生破坏，即焊趾处的结构应力就是热点应力。热点应力包括弯曲应力、膜应力。在焊接结构中，根据分布位置不同将热点分为a、b、c三种类型。一般情况下，焊接件焊接位置的应力是非线性和非连续的，需要使用一定的方法来确定热点应力。目前，热点应力计算的方法主要有Dong法、外推法和厚度线性化法，其中外推法使用最广泛。外推点的位置确定需要满足在焊趾影响区外尽可能接近焊趾，以获得更加准确的应力值。

　　庞利叶等利用有限元分析技术与疲劳台架试验结果对比，发现分析出的危险部位与实验疲劳破坏位置相同，且计算寿命时间与实践使用时间相差无几。Karabulu等采用不同方法计算双相不锈钢焊接接头的热点应力，并得到相应的疲劳寿命，总结出标准化热点应力法对于焊接双相具有很好的适应性。

　　2.3缺口应力法

　　缺口应力法是可依据单一S-N曲线，对不同焊接结构形态及不同载荷条件下进行焊接接头疲劳评估的方法。相对于热点应力法，缺口应力法考虑了缺口应力的影响，对于复杂的焊接接头的疲劳估算，其评估结果优于名义应力法及热点应力法，但其计算量较大，目前应用尚不广泛。

　　Shen等对一系列典型焊接接头在比例和非比例载荷下的六个经典多轴疲劳准则进行重新评估，发现与IIW推荐的单轴曲线相比，多轴载荷下缺口应力的S-N曲线具有更低的倾角和更高的疲劳等级。Pedersen等使用缺口应力法重新分析大量高强钢焊接接头疲劳实验数据，建议增大最小缺口系数至2.0，并统一调整疲劳设计曲线为FAT 200，以获得保守的评估结果。Wang等基于有效缺口应力法评估了路面堆焊对肋-甲板焊缝初始开裂位置的影响，结果表明，由路面堆焊导致的应力分散进一步提高了肋-甲板焊缝的疲劳耐久性，并发现有效缺口应力集中位置随路面温度而变化。他们还对肋-甲板焊缝的缺口应力集中因素进行分析，得到了与有限元分析结果比较吻合的缺口应力集中因素最优回归模型，发现将FAT 225疲劳设计曲线用于评估肋-甲板焊缝的疲劳强度更加保守。

　　2.4断裂力学法

　　由于材料或结构在内部或外部必然会存在缺陷，断裂力学法在材料的结构与力学性能、所受载荷及裂纹的几何尺寸之间建立关系，从而描述裂纹的增长规律da/dN。裂纹通常分为张开型裂纹(I型)、滑开型裂纹(II型)、剪切型裂纹(III型)。在裂纹扩展期间也分为三个阶段，经过不断的研究，现有四种用于描述裂纹扩展速率的公式，针对不同的扩展阶段应采用不同的计算公式。

　　Kucharczyk等用热机械对大量材料试样进行实验，并基于断裂力学法及IBESS方法对焊接构件进行疲劳强度分析，总结出以热影响区和非母材性能作为数据时得到的数据更加精确。Daneshkhah等采用有限元技术对铝合金灯杆建立局部应力场模型，并对实验中出现的典型断口用扫描电镜检查，得出局部裂纹扩展速率，发现得到的计算结果与实际寿命基本一致。Rakesh等基于断裂力学理论，通过实验和数据模拟对激光焊焊接接头分析，发现随焊接方向不同，裂纹的扩展方式也不同，传统的寿命预测方法会产生很大困难，提出断裂力学需要详细的三位精细网格输出有限元数据，并建议需要进行两到三次标准FCG测试从而得到更多数据，以及进行大厚度及0°与45°焊缝取向以进一步改进方法。

　　3新型焊接疲劳分析方法

　　3.1主S-N曲线法

　　主S-N曲线法引入网格不敏感的结构应力概念，通过有限元方法结合主S-N曲线模型，分析焊趾处结构应力与节点力的关系，体现了焊接缺陷对焊接接头性能的影响，同时不受限于焊缝走向。相对于名义应力法和热点应力法，主S-N曲线法可有效避免复杂接头难以归类、焊接区域形态各异对网格敏感等弊端，结果相对更加精准。大连交通大学数位学者基于主S-N曲线法对不同复杂焊接接头进行了疲劳评估以及试验验证，证明了该方法的可靠性。

　　3.2零点结构应力法

　　由于热点应力法忽略了非线性应力的影响，且实际工作环境中接头总是处于复杂应力状态，零点结构应力法引入零点的概念，并在该点进行疲劳评估。焊趾处的应力可以分解为弯曲应力、膜应力、非线性峰值应力。对于非线性峰值应力，具有自平衡的性质，则在板厚方向上存在一点，使非线性峰值应力为零，将该点定义为零点位置，用该点的结构应力进行疲劳评估。相比于传统的热点应力法，零点结构应力法增加了应力梯度的影响，且具有更高的精度。大连理工大学数位学者针对此方法，进行了多次实验及模拟，证明了此方法的可行性与适应性。

　　3.3峰值应力法

　　焊接接头焊趾附近线弹性残余应力场的强度可以通过残余缺口应力强度因子(R-NSIF)进行量化，而捕捉残余应力场奇点时需要较高的网格密度，难以通过焊接过程的数值模拟来评估。峰值应力法即可通过使用粗略的有限元模型在奇点处计算出的峰值应力来评估残余缺口应力强度因子，进而对焊接接头进行疲劳强度预测。该方法对于网格的敏感度较低，在对其进行校准后，Colussi等将基于粗略网格计算出的R-NSIF与精细网格结果进行比较，发现二者非常一致，证明了峰值应力法的可行性。Ferro等分别对比了针对3D模型、2D模型使用峰值应力法后计算出的R-NSIF，发现3D模型的中间横截面中的R-NSIF值比在相同平面网格条件下2D模型获得的高约45%，揭示了2D模型在捕捉焊接引起的残余应力分布方面的局限性，并再次证明了峰值应力法的可靠性。

　　3.4应变能密度法

　　应变能密度法是一种能量局部方法，可以用以计算静态断裂与材料的疲劳性能。应变能密度法将焊接接头处理为V型缺口，缺口尖端的应力分布可以用缺口应力强度因子来描述，然后用以计算临界半径R扇形区域的应变能密度，从而得到有关应变能密度的S-N曲线。该方法可以准确描述焊趾处高应力的应力分布，能够很好的预测裂纹的起源位置，且应变能密度的精度与网格大小无关。与热点应力法和有效缺口应力法相比，应变能密度法具有更好的准确性和适应性。

　　3.5临界距离法

　　临界距离法以临界距离理论为基础，是一种常用的缺口构件寿命预测方法。Taylor等把临界距离法分类总结成点、线、面、体四个类别。使用临界距离法需要根据断裂力学理论求得临界距离L，然后根据使用的方法不同选取临界距离不同系数得到应力区。使用该应力区的平均应力作为有效应力进行寿命评估。当有效应力大于完整材料的极限应力时，材料出现疲劳断裂。临界距离法的点法、线法、面法甚至体法是不断的简化的过程，对于零部件的寿命预测具有很高的精度，但是实践表明临界距离L不是材料固有属性，受外界因素影响严重，很难准确计算。

　　Shahri等对6005A合金搅拌摩擦焊接头进行疲劳寿命分析，并结合有限元法分析，发现临界距离法中点法可以预测材料的寿命极限与失效位置。Meysam等对T型搅拌摩擦焊接头和搭接接头进行疲劳寿命评估，发现临界距离法在对焊缝前进侧和后退侧界面缺口处的疲劳寿命值相比有效缺口应力法更加精确。Karakaş等对三种不同焊缝形状的镁焊接接头用临界距离法与Nunber有效应力法的结果进行比较，总结出临界距离法对镁焊接接头寿命评估具有很好的适应性与可靠性。

　　4总结

　　四种传统疲劳分析方法中：

　　(1)名义应力法出现较早，应用较广，但其结果精确度会因焊接接头形状不规则程度升高而降低，且名义应力在实际操作中难以计算，可靠度较低。

　　(2)热点应力法有效结合有限元方法，可计算复杂焊趾的应力，但缺点为其对于网格较为敏感难以模拟；缺口应力法考虑了缺口应力对于计算结果的影响，有效提高了计算精度，但也伴随着计算较为复杂的缺点，应用尚少。

　　(3)断裂力学法针对不同裂纹类型采用不同计算公式，对于不同焊接方向的焊接疲劳预测，其结果精确度大大提高。

　　五种新型疲劳分析方法中：

　　(1)主S-N曲线法强调其网格不敏感性，忽略了复杂接头结构、不同焊接走向对于网格敏感度的依赖，有效提高了计算结果的可靠性。

　　(2)零点结构应力法提出了零点的概念，考虑应力梯度的影响，有效提高了结果的精度。峰值应力法可根据粗略网格奇点处的峰值，残余缺口应力强度因子，且可保证结果精度近似甚至等同在精细网格中的预测结果，较为可靠。

　　(3)应变能密度法针对v型缺口对临界半径内扇形区域的应变能密度进行计算，有效忽略网格影响，准确预测裂纹起源，具有较高的可靠性。

　　(4)临界距离法根据临界距离L对应应力区内的平均应力类比有效应力，将其与材料极限应力比较，理论上可准确预测焊件疲劳性能，但由于外界因素对临界距离L影响较大，结果存在一定波动。