角焊缝起停位置对疲劳性能的影响：基于3D扫描的焊缝质量与疲劳强度关联性研究

《Welding in the World》：Relationship between fatigue performance and weld quality of fillet welds with start-stop positions

本研究针对ISO 5817:2023附录B中关于“不正确焊缝趾部”表面缺陷质量等级与疲劳等级（FAT）关联性不明确的问题，开展了基于数字视觉检测（D-VT）的焊缝质量评估研究。通过3D扫描分析角焊缝几何参数（焊缝趾部半径ρ、角度α），并结合疲劳试验，发现即使存在ρ<1 mm的尖锐几何特征，其疲劳等级仍可达FAT71或FAT80，高于标准推荐的FAT63。研究同时证实，长度小于焊缝总长10%的起停位置短缺陷对疲劳寿命无显著影响，为焊接质量标准和疲劳评估提供了重要实验依据。

　　

在工程结构中，焊接接头往往是疲劳载荷下的薄弱环节。其疲劳强度远低于母材，这使得准确评估焊缝质量对确保结构安全至关重要。当前，国际标准ISO 5817:2023的附录B试图建立焊缝表面缺陷质量等级与疲劳等级（FAT）之间的直接联系，特别是对于“不正确焊缝趾部”这类缺陷。该缺陷由焊缝趾部半径（ρ）和焊缝趾部角度（α）定义。例如，标准规定，当ρ < 1 mm时，对应的疲劳等级为FAT63。然而，这一关联性背后的实验数据支撑并不明确，且其保守性受到质疑。另一方面，传统的焊缝质量视觉检测（VT）方法存在人为因素影响大、精度有限等缺点。随着技术进步，基于3D扫描的数字视觉检测（D-VT）技术以其高精度、自动化和用户独立性展现出巨大潜力，但其在现行标准框架下的应用可行性及其评估结果与疲劳性能的实际关联尚待系统研究。此外，焊接过程中不可避免产生的起停位置会形成局部几何缺陷，这些“短缺陷”对结构整体疲劳寿命的影响究竟有多大，也是工程实践中亟待厘清的问题。为解决上述问题，研究人员在《Welding in the World》上发表了题为“Relationship between fatigue performance and weld quality of fillet welds with start-stop positions”的研究论文。

为开展本研究，研究人员主要应用了几项关键技术方法。首先，采用熔化极活性气体保护焊（GMAW）工艺制备了双侧横向加劲肋形式的角焊缝试样，并通过改变焊枪姿态和焊接方向（制造起停位置）来获得不同的焊缝几何形状。其次，利用白光光栅投影（FLP）技术对试样表面进行高精度3D扫描，获取点间距约为25微米的数字化表面模型。接着，基于开源软件（如MESHLAB和PoissonRecon）对点云数据进行处理，包括对齐、泊松表面重建以及生成间隔1毫米的二维截面切片。然后，依据IIW文件XIII-3153-2025推荐的算法，从二维切片中自动提取焊缝趾部半径（ρ）和角度（α）等关键几何参数。最后，通过四点弯曲疲劳试验机对试样进行疲劳性能测试，并结合线性弹性断裂力学（LEFM）分析，将弯曲载荷下的疲劳结果转换为标准拉伸载荷下的等效疲劳等级（FAT），同时考虑错边引起的应力放大效应。

材料与试样细节

研究人员使用厚度为10毫米的S355钢板作为母材，通过GMAW工艺焊接制成六组（V1-V6）系列的双侧横向加劲肋试样。焊接参数略有差异以产生不同的焊缝几何形状。特意通过改变焊接方向制造了不同类型的起停位置（如端-端、起-起、起-端）。试样经过560°C真空环境下30分钟的应力消除处理，使表面残余应力低于10 MPa，可视为无残余应力状态。显微组织和硬度分析表明，所有系列试样的热影响区（HAZ）晶粒结构和硬度（约230-250 HV1）无显著差异，排除了这些因素对疲劳性能的干扰。

基于3D扫描的焊缝质量分析

焊缝质量评估基于D-VT方法。处理流程包括3D扫描数据获取、点云对齐与表面重建、截面切片生成以及几何参数（ρ和α）自动提取。评估标准依据ISO 5817:2023对“不正确焊缝趾部”缺陷的定义。分析发现，所有试样均检测到ρ < 1 mm的局部区域，按标准应归为C级（FAT63）。起停位置附近几何参数波动剧烈，尤其是起-起位置常出现α < 90°的尖锐角度，导致该局部区域质量等级甚至低于D级。这表明D-VT能更精确地捕捉到局部几何缺陷，但也凸显出现行标准中单一临界值判定可能过于严苛，未考虑缺陷的局部性和短小特征。

疲劳分析

试验设置： 疲劳试验采用四点弯曲加载，应力比R=0.1，频率8 Hz，以试样位移达到1毫米（对应裂纹深度约为板厚一半）作为破坏准则。

疲劳试验结果： 所有试样的疲劳试验数据被记录下来，并根据D-VT评估的质量等级（B, C, D, <>

与FAT等级的关联： 为与IIW推荐的FAT等级对比，需将弯曲载荷（R=0.1）下的试验结果转换为等效的拉伸载荷（R=0.5）下的名义应力范围。本研究采用基于线性弹性断裂力学（LEFM）的改进方法进行转换，考虑了载荷类型和应力比的影响，并引入了错边应力放大因子k_m=1.25。最终计算得到各系列试样在2×10⁶次循环下的等效疲劳强度ΔS_T,2.3%。

局部焊缝质量与FAT等级的关系： 统计分析显示，尽管所有试样均存在ρ < 1 mm的区域（按ISO 5817:2023附录B应属FAT63），但其实际疲劳性能均达到或超过了FAT71，大多数情况下甚至达到FAT80。同样，按焊缝趾部角度α分类的质量等级（如D级对应FAT63）也低估了试样的实际疲劳强度。更重要的是，带有起停位置（局部质量等级可能很低）的试样与无起停位置的试样疲劳性能处于同一分散带内，未发现显著差异。研究发现，起停位置这类短缺陷（长度通常小于焊缝总长的10%）对整体疲劳寿命没有显著影响。

讨论与结论

本研究系统地探讨了D-VT在焊缝质量评估中的应用、ISO 5817:2023附录B中质量等级与FAT等级关联性的可靠性，以及起停位置对疲劳性能的影响。主要结论如下：首先，D-VT技术能够实现高精度、自动化的焊缝几何参数测量，但因其评估点数量远多于传统VT，更易检测到导致质量等级降低的局部尖锐几何特征，这要求标准在纳入D-VT时需考虑评估准则的调整，例如引入“短缺陷”概念或基于统计分布的评估方法。其次，实验结果表明，ISO 5817:2023附录B中基于ρ < 1 mm即判定为FAT63的规定在所研究的案例中显得过于保守，实际疲劳强度至少达到FAT71。Hobbacher和Kassner提出的基于α角的FAT等级关联（如D级对应FAT63）同样低估了实际疲劳性能。这表明当前标准中的关联性可能缺乏充分的实验基础，或未充分考虑焊缝趾部半径和角度的耦合效应（其对应力集中因子有联合影响）。第三，也是本研究的一个重要发现，即起停位置造成的局部“不正确焊缝趾部”短缺陷（覆盖长度<10%焊缝总长）对横向加劲肋接头的疲劳寿命没有显著负面影响。这可能是由于缺陷长度有限，裂纹萌生后主要向深度方向扩展，限制了其对整体疲劳寿命的削弱作用。

综上所述，本研究对现行焊接质量标准和疲劳设计规范提出了重要见解。它揭示了将D-VT纳入标准体系所面临的挑战，质疑了特定几何缺陷与FAT等级间关联的保守性和普适性，并为评估焊接过程中常见的起停位置缺陷的工程意义提供了实验证据。这些发现对修订相关标准、优化焊接结构疲劳设计以及推广先进数字化检测技术具有重要的理论和实践价值。