試析焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響

李彬

摘要：現(xiàn)階段，國內(nèi)外工業(yè)設(shè)計指標在差異化分析過程與對疲勞影響因素的分析方法上沒有一個統(tǒng)一的標準。特別是針對國內(nèi)機車車輛領(lǐng)域，焊接承載結(jié)構(gòu)的疲勞分析與工程分析應(yīng)用還處在發(fā)展中階段，指標化的疲勞設(shè)計模式與參數(shù)還沒有一個硬性的標準，且對焊接結(jié)構(gòu)疲勞的研究不足。文章將以試析焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響作為切入點，在此基礎(chǔ)上予以深入的探究，相關(guān)內(nèi)容如下所述。

關(guān)鍵詞：焊接殘余應(yīng)力；鋼結(jié)構(gòu)；疲勞性能；影響

1 焊接殘余應(yīng)力（Welding residual stress）研究

1.1 焊接殘余應(yīng)力分布與形成

鍛造、鑄造、擠壓、軋制與焊接等都能夠在產(chǎn)品中生成殘余應(yīng)力（Residual stress），而焊接技術(shù)所生成的Residual stress較為顯著。Residual stress即為一組作用在結(jié)構(gòu)差異化區(qū)域，殘余應(yīng)力具有單獨的外部載荷。焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)，Residual stress出現(xiàn)在焊接快速加熱和后續(xù)冷卻的局部溫度變化環(huán)節(jié)，因為熱源與其周圍材料的膨脹與收縮會因低溫區(qū)域的材料所約束，部分區(qū)域出現(xiàn)塑性形變，進而在冷卻的焊縫接頭周圍出現(xiàn)自相平衡的拉壓應(yīng)力。一般狀態(tài)下，焊縫與周圍熱影響區(qū)存在著一定的拉應(yīng)力，同時具有一定的強度，通常會超過材料的屈服極值。

1.2.焊接殘余應(yīng)力的疲勞性分析

針對彈塑性材料，Welding residual stress對結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)疲勞承載能力的作用存在較大差異。靜態(tài)載荷狀態(tài)，塑性斷裂與彈性損失是結(jié)構(gòu)的兩類失效因素。Welding residual stress對彈性斷裂承載能力不存在顯著的影響，這是因為自平衡力系，Welding residual stress和外在應(yīng)力的累積能夠在殘余拉應(yīng)力中達到屈服極值，不過塑性斷裂即承載截面出現(xiàn)全屈服的結(jié)果，僅在殘余壓應(yīng)力范圍內(nèi)，同時疊加應(yīng)力參數(shù)超過屈服極值才能夠造成失效問題。針對彈性失穩(wěn)問題，在隱藏的區(qū)間分布著殘余壓應(yīng)力狀態(tài)下，能夠發(fā)現(xiàn)其臨界失效外加壓應(yīng)力值會小于無殘余應(yīng)力狀態(tài)，也就是Welding residual stress影響其承載能力，不過此類影響在很大程度上會依附于整體截面上的Residual stress分布情況。

針對動態(tài)承載部件而言，其疲勞性會因個別區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中點的應(yīng)力強度所影響。應(yīng)力區(qū)間與制衡性會對疲勞強度產(chǎn)生影響，在給定抗疲勞周期條件下，可以依附于應(yīng)力區(qū)間根據(jù)平均應(yīng)力的提高而減小。針對焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中點一般都會與Welding residual stress點重合。在Residual stress為靜態(tài)加載應(yīng)力狀態(tài)下，我們可以發(fā)現(xiàn)Residual stress會改變外加應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力參數(shù)。所以，針對動態(tài)承載焊接部件，我們需側(cè)重于焊縫接頭應(yīng)力集中區(qū)域的Residual stress分布狀態(tài)。

2 焊接殘余應(yīng)力的疲勞影響

Residual stress對焊態(tài)接頭疲勞強度影響的結(jié)論，個人認為最容易讓人接受的解釋即：（1）因為在焊縫接頭應(yīng)力集中區(qū)域存在有較強的殘余拉應(yīng)力，因此殘余拉應(yīng)力會在一定程度上提升外加應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力，因此提高外載循環(huán)的疲勞損傷性，在此基礎(chǔ)上造成壓縮循環(huán)和拉伸循環(huán)均具備較強的危害性，所以會遏制焊縫接頭疲勞強度，同時促使外載應(yīng)力的影響弱于疲勞強度；（2）較強的殘余拉應(yīng)力和外加應(yīng)力循環(huán)的疊加會造成疲勞裂紋區(qū)域長時間受到拉應(yīng)力，因此造成裂紋周圍在加載循環(huán)時處于展開狀態(tài)，同時在拉應(yīng)力作用下持續(xù)蔓延，因此造成接頭疲勞強度下降，進而對平均應(yīng)力的敏感度降低。見下圖。

下圖對Welding residual stress與外加應(yīng)力循環(huán)的疊加效應(yīng)予以了分析，其疲勞危險區(qū)域的初始Welding residual stress分布一目了然。

Welding residual stress與外加名義應(yīng)力循環(huán)疊加效應(yīng)示意圖

圖中曲線①即為加載前原始Residual stress區(qū)域；②即為加載下擬定材料為無限彈性狀態(tài)下的疊加應(yīng)力區(qū)域；③即為加載狀態(tài)實際疊加應(yīng)力區(qū)域；④即為卸載后應(yīng)力區(qū)域。通過上述我們不難看出，應(yīng)力疊加性造成實際加載循環(huán)為應(yīng)力在曲線③與④間波動，而在疊加壓縮應(yīng)力無法超越壓縮屈服極值的狀態(tài)下，實際加載循環(huán)應(yīng)力游離于曲線①與②間。因此Residual stress會顯著增加，在此基礎(chǔ)上導致更大疲勞損傷的實際加載應(yīng)力循環(huán)，這會在一定程度上減少焊接接頭的疲勞性，同時外加應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力與應(yīng)力比成為影響疲勞性的非主要因素，應(yīng)力可以很好的用在表征焊接接頭的疲勞強度與作為疲勞分析的應(yīng)力控制數(shù)據(jù)。

上述理論分析，即在實際情形簡化的條件下實施的，若分析中不存在臨界區(qū)間，其中包括：（1）宏觀Welding residual stress（2）裂紋周圍區(qū)域塑性區(qū)間可能存在的微觀Residual stress耦合作用（3）焊趾區(qū)域應(yīng)力集中作用。不過，應(yīng)用簡單模型所計算的結(jié)論有較強的客觀性，能夠?qū)esidual stress的影響提供有效的預(yù)測。

3 焊接殘余應(yīng)力的工程實用性分析

針對實際相對繁瑣的焊接承載結(jié)構(gòu)，例如：（1）車體鋼結(jié)構(gòu)（2）機車車輛焊接構(gòu)架，已知其直接擇取設(shè)計指標中的Welding residual stress分析方式偏于安全，尤其是在結(jié)構(gòu)需要一定輕量化程度時，那么其保守性特性不利于結(jié)構(gòu)的減重。

所以，建議依附于實際結(jié)構(gòu)與焊縫接頭的相關(guān)連接方法及承載特性等因素，有指向性的分析Residual stress對疲勞強度的影響，本人總結(jié)如下：（1）在繁瑣連接區(qū)域，應(yīng)力相對集中，同時具有一定的板厚，以承受拉伸為基礎(chǔ)循環(huán)載荷的焊縫接頭，其中包括相關(guān)安裝座及基本結(jié)構(gòu)的焊縫接頭，基本結(jié)構(gòu)內(nèi)，梁間的繁瑣連接焊縫接頭，組焊梁承受彎曲拉應(yīng)力循環(huán)蓋板與腹板區(qū)域的相關(guān)橫向焊縫接頭，以上所述在疲勞分析時無需顧及平均應(yīng)力與應(yīng)力比疲勞強度修正。上述焊縫接頭疲勞強度的增加與附近結(jié)構(gòu)的減重，我們要側(cè)重于分析如何降低接頭周圍整體結(jié)構(gòu)與接頭區(qū)間幾何應(yīng)力集中的問題。（2）在簡單連接區(qū)域，應(yīng)力集中相對隱蔽，同時板較薄，承受壓縮為主循環(huán)載荷的焊縫接頭，其中包括相關(guān)平板對接接頭、基本結(jié)構(gòu)內(nèi)各梁間的連接焊縫接頭，組焊梁承受彎曲壓應(yīng)力循環(huán)的蓋板與腹板區(qū)域的橫向焊縫接頭。因為上述焊縫接頭隸屬次一級的疲勞危險區(qū)域，其周圍具備結(jié)構(gòu)減重的空間，同時這些區(qū)域的Residual stress水平偏低，所以在疲勞分析中要根據(jù)實際情況分析其對長壽命區(qū)疲勞強度的不利影響作用。

4 總結(jié)

綜上所述，焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)，Residual stress出現(xiàn)在焊接快速加熱和后續(xù)冷卻的局部溫度變化環(huán)節(jié)，因為熱源與其周圍材料的膨脹與收縮會因低溫區(qū)域的材料所約束，部分區(qū)域出現(xiàn)塑性形變，進而在冷卻的焊縫接頭周圍出現(xiàn)自相平衡的拉壓應(yīng)力。彈性失穩(wěn)問題，在隱藏的區(qū)間分布著殘余壓應(yīng)力狀態(tài)下，能夠發(fā)現(xiàn)其臨界失效外加壓應(yīng)力值會小于無殘余應(yīng)力狀態(tài)，也就是Welding residual stress影響其承載能力，不過此類影響在很大程度上會依附于整體截面上的Residual stress分布情況。以鐵路機車車輛各動態(tài)承載焊接鋼結(jié)構(gòu)的強度分析、疲勞設(shè)計與壽命預(yù)測研究作為基點，本人在分析國內(nèi)外的相關(guān)研究成果后，在現(xiàn)行相關(guān)工業(yè)設(shè)計指標及規(guī)范的對比分析基礎(chǔ)上，針對Welding residual stress的結(jié)構(gòu)疲勞影響與其分析方式等相關(guān)內(nèi)容予以研究。明確在機車車輛焊接承載部件的疲勞分析中，一定要側(cè)重于Residual stress疲勞影響作用。不宜照搬指標及規(guī)范中的分析方式，我們要依附于實際幾何結(jié)構(gòu)與焊縫接頭形式及承載特性等因素，根據(jù)實際情況有指向性的予以分析。最后總結(jié)的幾類情況下的Welding residual stress分析方式對工程應(yīng)用意義深遠。

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