背景简介

奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性、高延展性及良好的低温韧性，在船舶、海洋、食品化工、工业过程及电力工程等领域的焊接结构中得到广泛应用。近年来，随着激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）等金属增材制造（Additively Manufactured，AM）技术的快速发展，将增材制造部件与传统锻造（Wrought，WR）部件相结合的混合结构逐渐受到关注。这种同种（AM–AM）或异种（AM–WR）焊接连接方式，不仅可突破单台AM设备的最大成型尺寸限制，还能将增材制造工艺集中应用于几何复杂或功能关键的区域，兼顾制造精度与经济成本。

然而，奥氏体不锈钢焊接接头的疲劳设计规范目前主要源自结构钢的试验数据，并通过扩展方式适用于不锈钢材料。与结构钢相比，奥氏体不锈钢具有更低的屈服强度、显著的弹塑性响应和明显的循环硬化特性，使得局部应力集中区域更易发生塑性变形；加之其弹性模量较低，在相同几何条件下刚度更小。上述材料特性差异导致基于结构钢标定的疲劳设计方法在应用于不锈钢焊接接头时，其适用性和保守性仍存在较大不确定性，亟需系统性的验证与评估。

峰值应力法（Peak Stress Method，PSM）是一种基于有限元（Finite Element，FE）的局部应力评估方法，通过缺口应力强度因子（Notch Stress Intensity Factor，NSIF）参数和平均应变能密度（Strain Energy Density，SED）准则，结合相对粗糙的有限元网格高效计算焊趾和焊根处的等效峰值应力，进而评估焊接结构的疲劳强度。目前，PSM已在结构钢和铝合金焊接接头中得到广泛验证，但针对奥氏体不锈钢焊接接头（尤其是含AM部件的接头）的系统性评估尚属空白。

成果介绍

（1）研究对象与数据库构建。本文从文献中系统收集了299组弧焊奥氏体不锈钢焊接接头疲劳试验数据，涵盖多种接头形式：纵向角撑板接头（L）、十字形接头（C）、横向非承载附件接头（T）以及横向全熔透对接接头（B）。母材包括AISI 304L、321、304HP、304、316L等牌号，其中AM部件均为LPBF工艺制备的316L不锈钢，分为水平构建（AM_H，构建方向垂直于加载方向）和竖直构建（AM_V，构建方向平行于加载方向）两种取向（图1）。所有试件均在焊态条件下进行轴向疲劳加载，名义应力比R范围为−1至0.85（含AM部件的接头R限于0至0.5）。

图1 各类焊接接头几何形式示意图及PSM有限元模型示例：(a) 2D对接接头几何形状； (b) 3D纵向接头几何形状

（2）名义应力法评估结果。采用欧洲规范EC3、国际焊接学会IIW建议、英国标准BS 7608及美国AISC 370-21四种国际标准对试验数据进行了名义应力法评估。结果表明，现行标准均采用斜率k=3的S-N曲线，而实测数据拟合斜率普遍低于3（曲线更平缓），这种差异导致在中短寿命疲劳区间（高应力幅区域）出现非保守预测，即实际疲劳寿命低于设计曲线预测值。此外，分析发现奥氏体不锈钢焊接接头对平均应力（应力比R）表现出明显敏感性，而标准中对焊态接头通常不施加应力比修正系数。这一假设源于结构钢焊态接头中高拉伸残余应力的屏蔽效应，但奥氏体不锈钢焊接后残余应力往往更低，甚至为压应力，导致上述假设在此并不完全适用（图2）。

图2 各类接头形式的名义应力S-N数据散点图及EC3、IIW、BS、AISC设计曲线对比：(a) 纵向角撑板接头；(b) 十字形接头；(c) 横向附件接头；(d) 对接接头

（3）峰值应力法（Peak Stress Method，PSM）评估结果。利用PSM方法对所有接头建立有限元模型，提取焊趾和焊根处的等效峰值应力Δσeq,peak，并与结构钢标定的参考设计散带（FAT=156 MPa，k=3，存活率97.7%）进行对比。结果表明，PSM能够将不同几何形式的接头数据统一纳入同一设计框架，具有良好的几何无关性，但对于奥氏体不锈钢接头，整体实验数据趋势同样比k=3更为平缓。在高周疲劳区间，大多数数据位于参考散带内部或上方，具有一定保守性；而在中短寿命区间，多个数据点落于参考散带下方，结构钢标定的PSM曲线对不锈钢接头呈现非保守性（图3）。

对于含AM部件的同种（AM–AM）和异种（AM–WR）对接接头，PSM评估结果与WR–WR同类接头基本吻合，表明AM制造工艺本身未引入显著的额外疲劳薄弱点，弧焊是连接结构用AM部件的有效工艺手段。值得注意的是，在大多数含AM部件的接头中，疲劳裂纹萌生于AM侧焊趾处，受局部缺口几何形状驱动，而非源于LPBF工艺固有的内部制造缺陷（图3）。

图3 基于PSM的等效峰值应力S-N数据散点图，含WR–WR、AM–AM及AM–WR接头数据与结构钢参考设计散带对比

（4）该研究得到的主要结论如下：1）弧焊是连接增材制造奥氏体不锈钢部件的可靠工艺，AM–AM及AM–WR接头疲劳强度与传统WR–WR接头相当；2）现行名义应力法和PSM方法在高周疲劳区间对不锈钢焊接接头呈保守估计，但在中短寿命区间存在非保守风险，建议在短寿命域对设计曲线进行修正；3）奥氏体不锈钢焊接接头对应力比R具有显著敏感性，建议参考应力释放接头的平均应力修正系数，以降低非保守评估的概率。

致谢

本研究在意大利循环可持续制造（MICS）扩展合作项目框架内开展，获欧盟“下一代欧洲”计划资助（PIANO NAZIONALE DI RIPRESA E RESILIENZA (PNRR)–MISSIONE 4 COMPONENTE 2, INVESTIMENTO 1.3–D.D. 1551.11-10-2022, PE00000004）。本文第一作者：Lucrezia Contiero（University of Padova），通讯作者：Giovanni Meneghetti（University of Padova）。

本期小编：刘昊东 （整理）

董乃健 （校对）

程 航 （审核）

董乃健 （发布）