浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2020, 54(10): 2018-2026 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.10.020

交通工程、土木工程

低温环境下十字形非传力角焊缝接头的疲劳性能

廖小伟,, 王元清,, 吴剑国, 石永久

Fatigue performance of non-load-carrying cruciform fillet-welded joints at low ambient temperature

LIAO Xiao-wei,, WANG Yuan-qing,, WU Jian-guo, SHI Yong-jiu

通讯作者: 王元清，男，教授，博导. orcid.org/0000-0003-1470-1177. E-mail： wang-yq@mail.tsinghua.edu.cn

收稿日期: 2019-10-14  

Received: 2019-10-14  

作者简介 About authors

廖小伟（1985—），男，博士，从事钢结构的断裂与疲劳研究.orcid.org/0000-0001-8759-1867.E-mail：liaoxiaowei@zjut.edu.cn , E-mail：liaoxiaowei@zjut.edu.cn

摘要

为了研究低温环境下钢桥焊接细节的疲劳行为和性能，以典型的十字形非传力角焊缝接头为对象，开展室温和−60 °C下的高周常幅疲劳试验；基于三维裂纹扩展数值模拟，分析低温对该焊接细节疲劳裂纹扩展寿命的影响机理. 结果表明，该焊接细节的室温和−60 °C条件下试验S-N疲劳寿命未表现出显著区别，初始焊接缺陷裂纹会在细节焊趾处的多个位置同时扩展；由低温环境导致的钢材断裂韧性的降低不会对该焊接细节的疲劳寿命产生明显影响. 虽然低温会增强钢材抵抗疲劳裂纹扩展的能力，但是该焊接细节的疲劳寿命主要受焊接过程产生的多样化初始裂纹缺陷因素控制；建议采用考虑多裂纹耦合扩展的三维裂纹扩展数值模拟来更加精确地预测疲劳裂纹扩展寿命.

关键词： 桥梁钢材 ; 十字形焊接接头 ; 低温疲劳 ; 裂纹扩展 ; 断裂力学

Abstract

A series of the high-cycle constant-amplitude fatigue tests on the non-load-carrying cruciform fillet-welded joints were conducted at room temperature and −60 °C in order to analyze the fatigue behavior and performance of the welded joints in the steel bridges. The effect mechanism of the low temperature on the fatigue crack propagation life of those joints was analyzed through three-dimensional crack propagation simulation. The experimental results show the marginal effect due to the low temperatures on the S-N fatigue of the cruciform fillet-welded joints. The initial crack-like defects always propagate simultaneously at several sites along the weld toes. The fatigue crack propagation life is affected negligibly by the deteriorated fracture toughness in steel materials induced by the decreasing temperature. Although the resistance to fatigue crack propagation in steel materials is enhanced by the decreasing temperature, the fatigue life of those fillet-welded joints is still dominated by the diverse initial defects produced during the welding processes. Adopting the three-dimensional multi-crack coupled propagation analysis was recommended to predict more accurately the fatigue life of welded joints in the further research.

Keywords： bridge steel ; cruciform fillet-welded joint ; low–temperature fatigue ; crack propagation ; fracture mechanics

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本文引用格式

廖小伟, 王元清, 吴剑国, 石永久. 低温环境下十字形非传力角焊缝接头的疲劳性能. 浙江大学学报(工学版)[J], 2020, 54(10): 2018-2026 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.10.020

LIAO Xiao-wei, WANG Yuan-qing, WU Jian-guo, SHI Yong-jiu. Fatigue performance of non-load-carrying cruciform fillet-welded joints at low ambient temperature. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2020, 54(10): 2018-2026 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.10.020

疲劳问题一直是钢结构桥梁的重点研究方向，但是已有的设计规范和评估方法主要是针对室温条件下的钢桥疲劳危险细节[1-5]. 在我国的铁路桥梁系统中，钢结构桥梁占据相当大的比重，而这些铁路钢桥广泛分布于我国的东北、西北等冬季寒冷和严寒地区，这些地区的最低气温达到−54 °C[6]. 笔者等[2, 7-9]的研究结论表明，随着温度的降低，钢材的静力拉伸强度增大，抵抗疲劳裂纹扩展的能力提升，但是断裂韧性和冲击韧性降低，意味着发生低温冷脆破坏的倾向性变大. Stephens等[7]指出，钢材在低温下的应力疲劳性能对缺口应力集中效应变得更加敏感. 受焊接过程、几何不连续及低温下钢材断裂韧-脆转变行为等多因素的共同影响，低温环境对焊接细节的疲劳性能可能存在不利影响，致使疲劳破坏与低温脆断威胁着这些焊接钢桥的运营和维护安全. 进一步明确低温条件下钢桥危险细节的疲劳性能，不仅有助于寒冷地区现役钢桥的疲劳寿命预测和评估，而且能够为新建钢桥的抗疲劳设计提供参考.

Shul’ginov等[10]指出，随着温度的降低，对接焊接接头在正弦弯曲荷载作用下的疲劳强度增加，在冲击弯曲荷载作用下的疲劳强度减小. 随着试件应力集中系数的增加，这种疲劳强度降低越明显；Kang等[11]在室温、−10 °C和−60 °C下，进行高速列车用钢材SM490A对接焊缝接头试样的疲劳试验，结果表明对接接头试样的疲劳强度主要受焊接过程的影响，随温度变化不明显；Bridges等[12]针对大型油罐和液化天然气储罐用钢材DH32和AH36的带纵向角焊缝连接附板十字焊接接头，进行室温、−25 °C和−45 °C下的疲劳试验，指出低温疲劳强度略微高于室温. −45 °C下AH36钢焊接接头的疲劳强度略低于−25 °C下的DH32钢焊接接头；Jeong等[13]指出，Fe15Mn钢材对接焊接头的疲劳强度主要取决于静力拉伸强度，且随着温度的降低而增加；Li等[14]通过室温、0 °C、−15 °C和−30 °C下的疲劳试验，表明低温提升了十字形传力角焊缝接头的疲劳强度. 综上所述，关于焊接细节在低温环境下的疲劳强度，存在诸多争议，需要更多疲劳试验数据的支撑和理论分析验证.

本文选取钢结构桥梁中最典型的疲劳细节-十字形非传力角焊缝接头作为研究对象，在室温和−60 °C条件下，开展该焊接细节在不同应力幅下的高周常幅疲劳试验，研究低温对疲劳性能和失效模式的影响；以线弹性断裂力学理论为基础，结合有限元软件，开展该细节的三维疲劳裂纹扩展数值模拟，分析低温对疲劳性能的影响机理.

1. 试验概况

1.1. 材料与试件

如图1所示，给出十字形非传力角焊缝焊接接头细节试样的尺寸图和典型局部焊接细节，该角焊缝满足外观质量二级的要求[15]. 根据低温试验装置的需求，加大了低温疲劳试件的夹持端长度，如图1（a）中括号尺寸所示. 钢板为16 mm厚的Q345qD桥梁用钢材，在室温和−60 °C下的屈服强度分别为429和477 MPa；非传力角焊缝接头采用实心焊丝气体保护焊（GMAW），焊丝为ER50-6，设计焊脚尺寸为10 mm. 为了保证每个疲劳试样具有相近的焊接工艺，先由长条板件整体焊接而成十字形接头，然后采用线切割的方法进行取样，每张板取样15个.

图 1

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图 1   十字形非传力角焊缝接头疲劳细节

Fig.1   Schematic diagram of non-load-carrying cruciform fillet-welded joints


表1中，Δσ为应力幅，N为疲劳寿命。如图2和表1所示，给出室温和低温十字形非传力焊接接头疲劳试验的角焊缝尺寸均值和标准差；板件实测厚度t = 15.50 mm. 从图2可以看出，角焊缝尺寸保持在11.50 mm左右，且具备较小的离散误差，满足规范GB50661—2011《钢结构焊接规范》[15]的要求.

图 2

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图 2   十字形非传力接头角焊缝尺寸均值和标准差

Fig.2   Mean values and standard deviation of fillet weld sizes of cruciform joints


表 1   十字形非传力角焊缝接头的疲劳试验结果

Tab.1  Fatigue test results of non-load-carrying cruciform fillet-welded joints

温度 试件编号 Δσ/MPa N/周 裂纹模式 温度 试件编号 Δσ/MPa N/周 裂纹模式
− − − − − −60 °C NLL-1 243 180839 1/4椭圆角裂纹
室温 NLR-1 225 207716 边缘贯穿裂纹 −60 °C NLL-2 225 159224 边缘贯穿裂纹
室温 NLR-2 207 254546 多个半椭圆裂纹 −60 °C NLL-3 207 308043 边缘贯穿裂纹
室温 NLR-3 189 285802 边缘贯穿裂纹 −60 °C NLL-4 189 342520 多个半椭圆裂纹
室温 NLR-4 171 310355 边缘贯穿裂纹 −60 °C NLL-5 171 370673 半椭圆表面裂纹
室温 NLR-5 153 538264 半椭圆表面裂纹 −60 °C NLL-6 153 423223 边缘贯穿裂纹
室温 NLR-6 135 879401 多个半椭圆裂纹 −60 °C NLL-7 135 656666 边缘贯穿裂纹
室温 NLR-7 126 1069528 半椭圆表面裂纹 −60 °C NLL-8 126 1129634 边缘贯穿裂纹
室温 NLR-8 117 1515128 多个半椭圆裂纹 −60 °C NLL-9 117 1128144 半椭圆表面裂纹
室温 NLR-9 108 1553933 多个半椭圆裂纹 −60 °C NLL-10 108 1254981 半椭圆表面裂纹
室温 NLR-10 99 2000000 未断 −60 °C NLL-11 99 1363262 半椭圆表面裂纹

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1.2. 试验方法

在疲劳试验前，采用游标卡尺对十字接头的角焊缝尺寸进行测量，为后续的有限元建模提供精确的几何轮廓，两侧非传力附板的焊接错位量几乎可以忽略，测量参数如图1（b）所示.

常幅疲劳试验在MTS 810（50 t）疲劳试验机上开展，试验温度包括室温和−60 °C 2种，试验加载从高应力幅水平开始，逐级降低，加载频率为4 Hz，应力比为0.1；试验的低温环境通过配置自动温度反馈控制系统的低温环境箱和液氮罐系统进行模拟实现，如图3所示.

图 3

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图 3   低温疲劳试验装置

Fig.3   Test set-up for low-temperature fatigue tests


试验以试件完全断裂、由开裂导致的伸长变形量达到3 mm或循环次数达到200万次作为终止条件；试验结束后，对室温和低温疲劳试件断口的裂纹扩展形态进行观察记录，为疲劳裂纹扩展有限元模型的初始裂纹类型选择提供依据. 由于试验成本过高，每个应力幅完成1个有效试件，至少完成8个有效试样；共完成室温有效疲劳试件10个，−60 °C有效疲劳试件11个，如图4所示.

图 4

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图 4   试验后的室温和低温有效疲劳试件

Fig.4   Fatigued specimens at room and low temperatures


2. 试验结果与分析

2.1. 疲劳失效模式

室温和−60 °C条件下的十字形非传力角焊缝焊接接头疲劳试样的裂纹萌生位置均位于焊趾处，然后在母材内扩展. 通过疲劳试样的宏观断口观测，如表1和图5所示，给出试件裂纹扩展的典型破坏模式. 可以看出，疲劳试件断口呈现以单个或多个表面半椭圆裂纹扩展和边缘贯穿裂纹扩展失效为主，还会出现1/4椭圆角裂纹的扩展失效模式. 疲劳试件在失稳扩展阶段时，低温试件表现为明显的脆性断裂，这主要是由于低温下钢材的冲击韧性和断裂韧性降低造成的；室温试件在失稳扩展阶段，表现为延性断裂.

图 5

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图 5   室温和低温疲劳试件断口裂纹扩展形态

Fig.5   Crack growth morphology of fatigued specimens at room and low temperature


在试样的断口宏观观测中发现，由于焊接过程的影响，实际上非传力角焊缝接头焊趾处的裂纹通常会在多个不同位置同时扩展、融合成一个大的半椭圆裂纹或边缘贯穿裂纹、再扩展直至断裂失效.

2.2. S-N曲线试验结果

如表1所示，给出室温和−60 °C环境下十字形非传力角焊缝接头的常幅疲劳试验数据. 如图6所示，给出室温和低温下该焊接疲劳细节的名义应力S-N曲线；在对数坐标系下，以Δσ为自变量，以N为因变量，给出疲劳试验数据的自然拟合曲线.

图 6

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图 6   室温和 −60 °C下的疲劳 S-N曲线试验数据

Fig.6   S-N results at room temperature and −60 °C


从图6可以看出，室温和低温下的所有疲劳数据点均位于Eurocode3 Part1-9规范[16]对应疲劳细节类别的设计曲线（疲劳强度ΔσC = 80 MPa，lg N= 12.010 −3lg Δσ）上方，表明本文十字形非传力角焊缝接头疲劳细节具有良好的焊接质量，试验数据可靠；整体来看，低温和室温细节的疲劳寿命未表现出明显的差异. 虽然低温会改变钢材的疲劳裂纹扩展速率[7, 9, 17]，但是低温没有显著降低或增加该细节的疲劳寿命，说明在室温~−60 °C下，低温环境不是影响该焊接细节疲劳寿命的主要控制性因素，这与Kang等[11]的试验结果相近.

3. 疲劳裂纹扩展的数值模拟

构件的疲劳寿命主要包括裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命，对于含有初始缺陷的焊接构件而言，裂纹萌生寿命一般可以忽略. 考虑该焊接疲劳细节的扩展寿命，从裂纹扩展数值模拟的角度，分析低温对焊接疲劳细节寿命的影响机理.

3.1. 疲劳裂纹扩展模拟的基本理论

处于复杂应力状态的结构构件，裂纹常处于复合受力状态，会出现I型、II型和III型裂纹相互组合的裂纹受载形式. 为了准确模拟疲劳裂纹的扩展行为，开展三维复合型裂纹（KI+KII+KIII）的扩展数值模拟[18-21]. 结合本文的试验细节和初步的应力强度因子计算分析，考虑I-II型复合型裂纹三维扩展模拟分析. 利用有限元软件ABAQUS，建立十字形非传力焊接接头的整体模型，结合FRANC3D断裂分析软件，开展室温和低温环境疲劳细节的三维疲劳裂纹扩展寿命计算和预测分析.

关于裂纹扩展模型，考虑应力比、门槛等因素的影响，已有很多相应参数修正的表达式. Paris疲劳裂纹扩展模型[22]被更多地广泛用于疲劳细节的剩余寿命预测分析，如下所示：

${\rm{d}}a/{\rm{d}}N = C{\left( {\Delta K} \right)^m}.$

式中：ΔK为裂尖应力强度因子，C和m为材料扩展常数，a为裂纹扩展长度. 本文的疲劳扩展寿命计算采用Paris裂纹扩展模型.

对于I-II型复合裂纹，ΔK采用等效应力强度因子幅度ΔKeq[23-24]，如下所示：

$\Delta {K_{{\rm{eq}}}}{\rm{ = }}\sqrt {\Delta K_{\rm{I}}^{\rm{2}}{\rm{ + }}\Delta K_{{\rm{II}}}^{\rm{2}}} .$

式中：ΔKI和ΔKII分别为I型和II型裂纹尖端应力强度因子.

为了准确模拟裂纹的扩展路径，定义裂纹的扩展方向，采用最大周向拉应力准则[25]；裂纹扩展步长是描述裂纹前缘离散单元节点到预测裂纹前缘之间的距离，裂纹扩展步长会影响影响应力强度因子的计算，进而影响裂纹扩展行为的预测[18]. 选取前20个扩展步长为0.1 mm，每20个扩展步后，裂纹扩展步长较前期步长增加1倍，如0.2、0.4 mm等[18, 20].

3.2. 有限元建模

3.2.1. 初始裂纹尺寸与临界裂纹尺寸

关于初始裂纹的尺寸深度，Radaj等[26]推荐用于焊接结构疲劳寿命评估的初始裂纹尺寸为0.10~0.25 mm；Chapetti等[27]对初始裂纹尺寸的调研表明，焊接结构的初始裂纹尺寸大多为0.01~0.40 mm；Lassen等[28]指出考虑到裂纹无损检测设备的精度以及钢材的晶粒尺寸为0.01 mm量级，建议初始裂纹最小尺寸为0.1 mm. 本文分别选取初始裂纹尺寸a0 = 0.15、0.4 mm的半椭圆表面裂纹以及a0 = 0.1 、0.15 mm的边缘贯穿裂纹，开展疲劳细节的疲劳裂纹扩展数值模拟和寿命预测分析.

根据疲劳试样断后截面的宏观观察和测量，针对室温试样，取临界裂纹扩展深度或者计算终止条件为acr = 0.8t，−60 °C下的疲劳试样取acr = 0.7t.

3.2.2. 有限元模型

如图7所示，给出十字形非传力角焊缝接头的整体和局部有限元模型，整体模型采用C3D20R实体单元；考虑到裂纹扩展中模型网格需要不断更新，局部模型采用四面体单元；裂纹尖端附近采用中间节点1/4偏置的退化实体单元[29]，单元径向尺寸为0.05a0~0.15a0. 疲劳试样及焊缝局部的几何尺寸如图1（a）、2所示，受力主板和非传力附板间的未熔合缝隙取为0.2 mm，边界条件为一端固支，一端设置x向滚轴支座、并施加平行于板面的剪力，以尽量实现疲劳试验时的夹持约束条件.

图 7

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图 7   十字形非传力角焊缝接头的三维裂纹扩展有限元模型

Fig.7   Three-dimensional crack propagation finite element model for non-load-carrying cruciform fillet-welded joints


由于裂纹的扩展均位于母材区域，暂不考虑焊缝材料力学性能与母材的差异. 文献[9]的Q345qD钢材与本文的钢材属于同一批次，因此Paris疲劳裂纹扩展参数取自文献[9]，室温下，lg C1 = −11.683， m1 = 2.653；−60 °C下，lgC2 = −12.614， m2 = 2.891；ΔK以MPa·mm1/2为单位，da/dN以mm/周为单位，拟合得到C和m；−60 °C下的Q345qD钢材疲劳裂纹扩展速率低于室温. 在室温~−60 °C下，Q345qD钢材弹性模量的变化可以忽略[9]，因此室温和低温试件的弹性模量统一取E = 209 GPa.

通过试验观测到试样会出现多裂纹的扩展失效方式，分别以半椭圆裂纹和边缘贯穿裂纹，作为最保守和最不利情况进行数值分析[30]，评价初始裂纹的合适类型和尺寸. 由于半椭圆初始裂纹的形状和位置对疲劳裂纹扩展寿命的影响可以忽略[18, 31]，有限元模型中初始半椭圆裂纹设置于十字接头焊趾处的母材内，沿z轴方向板宽中间位置处，长短轴之比a/c = 1/4；边缘贯穿裂纹位于焊趾母材内沿板宽方向设置.

3.3. 对比与讨论
3.3.1. 应力强度因子计算

应力强度因子是模拟裂纹扩展和计算扩展寿命的关键参数. 如图8所示，给出十字形非传力角焊缝接头焊趾处边缘贯穿裂纹（a0 = 0.15 mm，σmax = 130 MPa）和表面半椭圆裂纹（a0 = 0.4 mm，σmax = 90 MPa）应力强度因子KI,max数值解和解析解的对比. 其中，数值解基于三维裂纹扩展分析的有限元计算得到，解析解参考BS7910附录M.3.5和M.5.1[32]提供的计算公式得到.

图 8

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图 8   应力强度因子数值解与解析解的对比

Fig.8   Comparison of numerical and analytic values of I-mode stress intensity factors


从图8可以看出，KI的解析解相对数值解而言，给出了更保守的值. 当a = a0 ~ 0.5t时，数值解和解析解吻合较好；当a > 0.5 t时，解析解大于数值解，这可能是由于随着a的增大，解析解的简化力学模型与更符合实际情况的有限元模型的差别逐步放大造成的. 在a达到0.5t以后，KI足够大、疲劳裂纹进入快速扩展期，裂纹后期的扩展对疲劳裂纹扩展寿命的贡献和影响非常有限，甚至可以忽略.

如图9所示，假定外荷载σmax = 130 MPa，在室温和−60 °C条件下，给出a0 = 0.15 mm的边缘贯穿裂纹和半椭圆表面裂纹短轴尖端应力强度因子KI和Keq随a的变化规律. 可以看出，KI和Keq随a增长未表现出明显区别，说明裂纹扩展主要受I型裂纹的控制；室温和低温下，不同的Paris扩展参数对KI-a和Keq-a关系曲线没有明显的影响. 半椭圆裂纹的KI随a的增大而线性增加，边缘贯穿型裂纹在a > 6 mm后表现为非线性增加，意味着裂纹可能进入快速扩展区.

图 9

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图 9   不同裂纹类型的应力强度因子计算

Fig.9   Calculation of stress intensity factors for different cracks


3.3.2. 采用不同类型初始裂纹的预测寿命

如图10所示，给出在室温和−60 °C下，十字形非传力角焊缝接头的三维裂纹扩展数值预测疲劳寿命与试验值的对比. 从图10（a）可以看出，在室温条件下，采用半椭圆裂纹可以得到近似试验中值寿命的预测结果，采用边缘贯穿裂纹预测的疲劳扩展寿命过于保守；如图10（b）所示，在−60 °C下，采用半椭圆裂纹的预测结果偏于不安全，采用边缘贯穿裂纹的预测疲劳裂纹扩展寿命偏低，预测寿命几乎为低温疲劳试验寿命的上下限；采用相同类型不同初始裂纹尺寸的设置，会对预测疲劳寿命产生一定的影响.

图 10

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图 10   十字接头的预测疲劳寿命与试验结果对比

Fig.10   Comparison of predicted fatigue crack propagation life and test results for cruciform fillet-welded joints


对比低温和室温疲劳寿命的预测结果可以看出，焊接细节初始裂纹缺陷大小的离散性、裂纹类型及裂纹数量的多样性会对预测寿命产生较明显的影响，采用考虑多个半椭圆表面裂纹的耦合扩展分析，可能会得到更加合理的预测结果.

3.3.3. 低温对疲劳寿命的影响分析

如图11所示，设定σmax = 90 MPa，a0 = 0.4 mm，针对十字形非传力角焊缝接头的三维疲劳裂纹扩展分析，给出钢材断裂韧性的下降对疲劳裂纹扩展寿命的影响分析.

图 11

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图 11   断裂韧性对十字接头疲劳裂纹扩展寿命的影响

Fig.11   Effect of fracture toughness on fatigue crack propagation life of cruciform fillet-welded joints


Q345qD钢材的断裂韧性指标KIC难于实测，因此结合文献[9]的夏比冲击试验数据和BS7910规范附录J.2节[32]的KIC估算公式，计算得到20和−60 °C下，16 mm板厚Q345qD钢材的KIC分别为4500和1620 MPa·mm1/2.

由图11可以看出，KI随着a的增加而增大，室温和−60 °C下，十字形非传力角焊缝接头的疲劳裂纹扩展寿命对应的主要裂纹尺寸为a = 0~10 mm. 当裂纹将要穿透板厚时，室温条件下的KI远小于4 500 MPa·mm1/2，−60 °C下的KI虽然达到1620 MPa·mm1/2，但此时已经进入裂纹失稳扩展区（a > 10 mm），该区域对疲劳寿命的贡献非常有限. 由于失稳扩展区不是研究的重点，采用Paris公式计算该区域的疲劳寿命，结果证明失稳扩展区对疲劳寿命的贡献较小. −60 °C下的预测寿命明显高于室温，这表明随着温度降低而减小的断裂韧性对该焊接细节的疲劳寿命影响可以忽略，这与Schilling等 [33]的研究结果一致.

如图12所示，基于三维裂纹扩展分析，假定a0 = 0.4 mm，位于十字形非传力角焊缝接头焊趾的母材内，给出在室温和−60 °C下预测疲劳裂纹扩展寿命的对比，分析随温度变化的Paris参数对疲劳寿命的影响规律.

图 12

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图 12   Paris参数对十字接头疲劳裂纹扩展寿命的影响

Fig.12   Effect of temperature-depended Paris parameters on fatigue life of cruciform fillet-welded joints


从图12可以看出，预测的疲劳寿命均位于Eurocode 3规范[16]对应曲线（3lg Δσ + lg N= 12.010）的上方，−60 °C下焊接细节的200万次疲劳强度 117 MPa远高于室温疲劳强度 87 MPa. 在室温~−60 °C下，由于低温降低了钢材的疲劳裂纹扩展速率[9, 17]，在相同初始裂纹缺陷的条件下，基于线弹性断裂力学理论可知，低温环境下十字形非传力角焊缝接头预测疲劳强度的提升可以归结为钢材抵抗疲劳裂纹能力的增强.

4. 结　论

（1）低温环境没有显著劣化或者提升十字形非传力角焊缝接头的疲劳强度，在室温和−60 °C下该细节的试验S-N疲劳寿命没有表现出明显区别.

（2）在室温~−60 °C下，由于Q345qD钢材具有较好的断裂韧性，低温引起钢材断裂韧性的降低，不会对该焊接细节的疲劳寿命产生明显影响.

（3）虽然低温会改善钢材抵抗疲劳裂纹扩展的能力，但是焊接过程产生的初始裂纹缺陷的尺寸不均匀、裂纹种类多样化等因素会对疲劳寿命产生不同程度的负面影响. 基于线弹性断裂力学理论，可以认为该焊接细节的疲劳寿命主要受焊接过程控制，低温环境不是控制因素.

（4）由于焊接细节的实际初始疲劳裂纹缺陷是多位置同时扩展，建议采用考虑多裂纹耦合扩展的三维疲劳数值模拟技术，能够更加合理地预测焊接细节的疲劳裂纹扩展寿命.

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