不同焊接方法下三维扫描焊缝几何分布与疲劳寿命的统计关联性研究

《Welding in the World》：Statistical correlation of 3D scanned weld geometry distributions and fatigue life for different welding methods

本研究针对不同焊接方法在可比焊缝几何质量下对疲劳寿命影响的空白，系统分析了激光混合焊、埋弧焊和药芯焊丝电弧焊对接接头的大规模三维扫描数据。研究人员通过统计分布评估几何参数变异性和ISO 5817质量组符合度，采用应力-寿命曲线拟合残差分析揭示几何因子与疲劳寿命的关联。结果表明：角变形量主导断裂位置，而基于分位数的局部几何分析能更好解释疲劳强度差异，为焊接结构质量评估和预测模型建立提供了新依据。

　　

在航空航天、风电能源、船舶制造等工业领域，焊接接头是承受循环载荷的关键部位，疲劳失效一直是威胁结构安全的主要隐患。过去几十年来，虽然焊缝几何形状对疲劳强度的影响已被广泛研究，但一个核心问题始终悬而未决：当不同焊接方法制成的接头满足相同的几何质量标准时，它们的疲劳性能是否依然存在差异？更具体地说，激光混合焊、埋弧焊和药芯焊丝电弧焊这些常用工艺，对局部几何变动的敏感度究竟有何不同？这个问题的答案，对于实现更精准的寿命预测和成本优化至关重要。

传统质量评估体系如ISO 5817主要从生产角度设定几何容差限值，但大量研究表明这些标准与实际疲劳寿命的关联较弱。近年来，三维激光扫描技术的突破为焊缝几何的数字化精确表征提供了可能，然而不同研究团队关于几何参数影响力的结论却存在明显矛盾——有的强调咬边深度是关键因素，有的则认为坡口角度起主导作用，还有研究指出单一参数的影响远不如组合几何特征显著。这些分歧凸显了需要系统评估焊接方法本身对几何-疲劳关系的影响。

在此背景下，德国航空航天中心的研究团队在《Welding in the World》发表了开创性研究。他们汇集了419个采用三种焊接工艺（激光混合焊LH、埋弧焊SAW、药芯焊丝电弧焊FCAW）制造的对接接头样本，通过高精度三维扫描获取了每个接头的局部几何参数分布，包括咬边深度、焊趾半径、坡口角度、余高以及轴向/角向错位等。研究团队创新性地采用应力-寿命曲线拟合的残差分析方法，探究了不同分位数水平的几何参数与疲劳寿命的统计关联。

关键技术方法包括：采用激光三角测量法对焊缝进行三维数字化（每样本300个纵向切片）；基于ISO 5817标准进行质量等级分类；通过应力放大因子校正错位引起的二次弯曲应力；运用安德森-达林检验验证数据正态性；采用斯皮尔曼秩相关分析几何参数与疲劳寿命的关联性。

3 数据探索

通过对焊缝几何分布的统计分析发现，激光混合焊试样呈现最宽的参数分布范围，而埋弧焊试样分布最为集中。角向错位与断裂位置表现出强关联性：当绝对角向错位超过0.5°时，99%的试样断裂发生在受拉应力侧。ISO 5817质量分级显示，48%样本属于B级，但不同质量组的疲劳强度差异仅为15%，远低于标准预期的30%差距，表明现行质量标准可能低估低质量焊缝的疲劳性能。

4 统计评估影响因素

应力范围校正分析表明，采用手动测量的错位值进行校正可获得最小散点系数。质量组与疲劳寿命的关联分析显示，B级焊缝特征疲劳强度为109 MPa，C/D级为87 MPa，但数据点在S-N曲线上无清晰分区，说明单纯满足几何质量等级不能保证特定疲劳性能。

回归模型残差分析通过安德森-达林检验确认了数据符合正态分布，为后续相关性分析奠定基础。几何参数与疲劳寿命的关联研究表明：归一化余高是唯一在所有焊接方法中均显示一致相关性的参数，其与疲劳寿命呈中度负相关；咬边深度在激光混合焊试样中显示分位数依赖性关联；坡口角度和焊趾半径的影响则呈现焊接方法特异性。

5 讨论

研究揭示了几个重要现象：角向错位主要决定裂纹起裂位置而非疲劳寿命；不同焊接方法对几何参数的响应模式存在显著差异；基于分位数的几何参数表征比均值更能捕捉疲劳寿命变异。特别值得注意的是，激光混合焊对所有几何参数变化都表现出更高敏感性。归一化余高作为间接反映坡口角度的参数，显示出跨工艺的普适相关性，这为质量控制提供了统一指标。

研究结论强调：基于手动测量的错位校正已足够满足实验样本需求；ISO质量体系可能需要简化为高/低两个等级；几何参数的低分位或高分位值比中心趋势值更具代表性意义。这些发现为将扫描几何分析纳入结构检测和制造流程提供了理论依据，有望通过机器学习模型实现新接头疲劳寿命的快速预估。

该研究的创新点在于首次系统比较了不同焊接方法在可比几何质量下的疲劳响应差异，建立了基于统计分布的几何-寿命关联模型。未来工作需进一步研究几何特征与残余应力、微观结构的交互作用，并将成果拓展至全尺寸工程结构的评估中。