焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個(gè)方面：

① 客觀上講，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(yuǎn)低于母材，而且與焊接接頭類(lèi)型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過(guò)早失效的一個(gè)主要的因素；

② 早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以靜載強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，沒(méi)有考慮抗疲勞設(shè)計(jì)，或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來(lái)設(shè)計(jì)不合理的焊接接頭；

③ 工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員對(duì)焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點(diǎn)了解不夠，所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其它金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)形式；

④ 焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷越來(lái)越大； 

⑤ 焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)承受動(dòng)載能力的要求越來(lái)越高，而對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度方面的科研水平相對(duì)滯后。

但是對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，情況就不一樣了，因?yàn)楹附咏宇^的疲勞強(qiáng)度與母材靜強(qiáng)度、焊縫金屬靜強(qiáng)度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬?gòu)?qiáng)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(xì)節(jié)一樣，高強(qiáng)鋼和低碳鋼的疲勞強(qiáng)度是一樣的，具有同樣的S-N曲線，這個(gè)規(guī)律適合對(duì)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(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展情況，結(jié)果表明：材料的力學(xué)性能對(duì)裂紋擴(kuò)展速率有一定影響，但影響并不大。在設(shè)計(jì)承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，試圖通過(guò)選用較高強(qiáng)度的鋼種來(lái)滿(mǎn)足工程需要是沒(méi)有意義的。只有在應(yīng)力比大于+0.5的情況下，靜強(qiáng)度條件起主要作用時(shí)，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強(qiáng)鋼。

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

焊接接頭的形式主要有：對(duì)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受到干擾，因而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

對(duì)接接頭的力線干擾較小，因而應(yīng)力集中系數(shù)較小，其疲勞強(qiáng)度也將高于其他接頭形式。但實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度在很大范圍內(nèi)變化，這是因?yàn)橛幸幌盗幸蛩赜绊憣?duì)接接頭的疲勞性能的緣故。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類(lèi)型、焊接位置、焊縫形狀、焊后的焊縫加工、焊后的熱處理等均會(huì)對(duì)其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對(duì)接接頭由于墊板處形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，降低了接頭的疲勞強(qiáng)度。這種接頭的疲勞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，其疲勞強(qiáng)度—般與不帶墊板的最不佳外形的對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度相等。

十字接頭或T形接頭在焊接結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)力集中系數(shù)要比對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此十字或T形接頭的疲勞強(qiáng)度要低于對(duì)接接頭。對(duì)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(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對(duì)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(yīng)力的T形和十字接頭的疲勞強(qiáng)度主要取決于焊縫與主要受力板交界處的應(yīng)力集中，T形接頭具有較高的疲勞強(qiáng)度，而十字接頭的疲勞強(qiáng)度較低。提高T形或十字接頭疲勞強(qiáng)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，疲勞強(qiáng)度可有較大幅度的提高。

搭接接頭的疲勞強(qiáng)度是很低的，這是由于力線受到了嚴(yán)重的扭曲。采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對(duì)接接頭是極不合理的，由于加大了應(yīng)力集中影響，采用蓋板后，原來(lái)疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭被大大地削弱了。對(duì)于承力蓋板接頭，疲勞裂紋可發(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(zhǎng)度，也會(huì)改變應(yīng)力在基本金屬中的分布，因此將要影響接頭的疲勞強(qiáng)度，即隨著焊縫長(zhǎng)度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲勞強(qiáng)度增加，這是因?yàn)閼?yīng)力在基本金屬中分布趨于均勻所致。

2.2.2 焊縫形狀的影響

無(wú)論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對(duì)接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不同，其應(yīng)力集中系數(shù)也不相同，從而疲勞強(qiáng)度具有較大的分散性。

對(duì)接焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度影響最大。 

(1) 過(guò)渡角的影響 Yamaguchi等人建立了疲勞強(qiáng)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(yàn)中W(焊縫寬度)和h(高度)變化，但h/W比值保持不變。這意味著夾角保持不變，試驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞強(qiáng)度也保持不變。但如果W保持不變，變化參量h，則發(fā)現(xiàn)h增加，接頭疲勞強(qiáng)度降低，這顯然是外夾角降低的結(jié)果。

(2) 焊縫過(guò)渡半徑的影響  Sander等人的研究結(jié)果表明焊縫過(guò)渡半徑同樣對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度具有重要影響，即過(guò)渡半徑增加(過(guò)渡角保持不變)，疲勞強(qiáng)度增加。

角焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度也有較大的影響。

當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)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(dāng)a/B>0.7時(shí)，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對(duì)提高疲勞強(qiáng)度僅僅在一定范圍內(nèi)有效。因?yàn)楹缚p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(qiáng)度，故充其量亦不能超過(guò)該處的疲勞強(qiáng)度。Soete，Van Crombrugge采用15mm厚板用不同的角焊縫施焊，在軸向疲勞載荷下的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(dāng)焊縫的焊腳小于此值時(shí)，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫上；當(dāng)焊腳尺寸為18mm時(shí)斷裂發(fā)生在基本金屬中。據(jù)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。可見(jiàn)縱使焊腳尺寸達(dá)到板厚時(shí)(15mm)，仍可得焊縫處的斷裂結(jié)果，這一結(jié)果與理論結(jié)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(dǎo)致疲勞裂紋早期開(kāi)裂和使母材的疲勞強(qiáng)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同的，同時(shí)焊接缺陷對(duì)接頭疲勞強(qiáng)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(jié)構(gòu)外，是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源，它可大幅度降低結(jié)構(gòu)或接頭的疲勞強(qiáng)度。早期的研究己表明，在寬60mm、厚12.7mm的低碳鋼對(duì)接接頭試樣中，在焊縫中具有長(zhǎng)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)壽命的疲勞強(qiáng)度大約降低了55%~65%。

2)  未焊透 應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，不一定把未焊透均認(rèn)為是缺陷，因?yàn)橛袝r(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(shè)計(jì)。未焊透缺陷有時(shí)為表面缺陷（單面焊縫），有時(shí)為內(nèi)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．其主要影響是削弱截面積和引起應(yīng)力集中。以削弱面積10%時(shí)的疲勞壽命與未含有該類(lèi)缺陷的試驗(yàn)結(jié)果相比，其疲勞強(qiáng)度降低了25%，這意味著其影響不如裂紋嚴(yán)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(duì)待。

4)  咬邊  表征咬邊的主要參量有咬邊長(zhǎng)度L、咬邊深度h、咬邊寬度W。影響疲勞強(qiáng)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(píng)定接頭疲勞強(qiáng)度。

5)  氣孔 為體積缺陷，Harrison對(duì)前人的有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)， 疲勞強(qiáng)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性關(guān)系。但是一些研究表明，當(dāng)采用機(jī)加工方法加工試樣表面，使氣孔處于表面上時(shí)，或剛好位于表面下方時(shí)，氣孔的不利影響加大，它將作為應(yīng)力集中源起作用，而成為疲勞裂紋的起裂點(diǎn)。這說(shuō)明氣孔的位置比其尺寸對(duì)接頭疲勞強(qiáng)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(bào)告指明：作為體積型缺陷，夾渣比氣孔對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響要大。 

通過(guò)上述介紹可見(jiàn)焊接缺陷對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響，不但與缺陷尺寸有關(guān)，而且還決定于許多其他因素，如表面缺陷比內(nèi)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(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋)比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中同樣缺陷影響大。

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)明這一問(wèn)題，對(duì)具有余高的對(duì)接接頭進(jìn)行的2×106次循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，不同研究者得出了不同結(jié)論。有人發(fā)現(xiàn)：熱處理消除應(yīng)力試樣的疲勞強(qiáng)度比焊態(tài)相同試樣的疲勞強(qiáng)度增加12.5%；另有人則發(fā)現(xiàn)焊態(tài)和熱處理的試樣的疲勞強(qiáng)度是一致的，即差異不大；但也有人發(fā)現(xiàn)采用熱處理消除殘余應(yīng)力后疲勞強(qiáng)度雖有增加，但增加值遠(yuǎn)低于12.5%等等。對(duì)表面打磨的對(duì)接接頭試樣試驗(yàn)結(jié)果也是如此，即有的試驗(yàn)認(rèn)為，熱處理后可提高疲勞強(qiáng)度17%，但也有的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，熱處理后疲勞強(qiáng)度沒(méi)有提高等。這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)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(yàn)，才逐漸澄清了這一問(wèn)題。

其中最值得提出的是Trufyakov對(duì)在不同應(yīng)力循環(huán)特征下焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響的研究。試驗(yàn)采用14Mn2普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，試樣上有一條橫向?qū)�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(yīng)力的熱處理，另一組未經(jīng)熱處理。疲勞強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)采用三種應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)r=-1， 0， +0.3。 在交變載荷下(r=-1)，消除殘余應(yīng)力試樣的疲勞強(qiáng)度接近130MPa，而未經(jīng)消除殘余應(yīng)力的僅為75MPa，在脈動(dòng)載荷下(r=0)，兩組試樣的疲勞強(qiáng)度相同，均為185MPa。而當(dāng)r=0.3時(shí)，經(jīng)熱處理消除殘余應(yīng)力的試樣疲勞強(qiáng)度為260MPa，反而略低于未熱處理的試樣(270MPa)。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)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)，疲勞強(qiáng)度較高，在較高的拉應(yīng)力作用下，殘余應(yīng)力較快地得到釋放，因此殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響就減弱；當(dāng)r增大到0.3時(shí)，殘余應(yīng)力在載荷作用下，進(jìn)一步降低，實(shí)際上對(duì)疲勞強(qiáng)度已不起作用。而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)又軟化了材質(zhì)，因而使得疲勞強(qiáng)度在熱處理后反而下降。這一試驗(yàn)比較好地說(shuō)明了殘余應(yīng)力和焊接熱循環(huán)所引起材質(zhì)變化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響與疲勞載荷的應(yīng)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。    

前面指出，由于結(jié)構(gòu)焊縫中存有達(dá)到材料屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力，因此在常幅施加應(yīng)力循環(huán)作用的接頭中，焊縫附近所承受的實(shí)際應(yīng)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(biāo)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)為+S1到-S2，則其應(yīng)力范圍應(yīng)為S1+S2。但接頭中的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)范圍將是由Sy(屈服點(diǎn)的應(yīng)力幅)到Sy-(S1+S2)。這一點(diǎn)在研究焊接接頭疲勞強(qiáng)度時(shí)是非常重要的，它導(dǎo)致了一些設(shè)計(jì)規(guī)范以應(yīng)力范圍代替了循環(huán)特征r。

此外，在試驗(yàn)過(guò)程中，試件的尺寸大小、加載方式、應(yīng)力循環(huán)比、載荷譜也對(duì)疲勞強(qiáng)度有很大的影響

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(kāi)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)。

焊接過(guò)程優(yōu)化方法不僅是針對(duì)提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度而考慮，同時(shí)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)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不多贅述。