殘余應力對焊接結構疲勞性能的影響

田蟠寅，張云婷，夏建新，李鑫，丁遵永 （中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

1 引言

焊接過程中，鋼材往往因加熱不均和冷卻不均而產(chǎn)生殘余應力，而殘余應力對焊接節(jié)點強度有很大影響。因此，眾多學者開展了殘余應力對焊接節(jié)點疲勞壽命影響的研究。

殷志歡等[1]利用ANSYS軟件建立大橋索梁錨固區(qū)有限元模型，模擬焊接溫度場、高溫錘擊作用下錨固區(qū)焊接節(jié)點殘余應力分布，以及基于英國設計規(guī)范和歐洲設計規(guī)范對焊接節(jié)點疲勞壽命進行預測。試驗結果表明，不同設計規(guī)范下的節(jié)點疲勞壽命不同，采用英國設計規(guī)范的焊接節(jié)點疲勞壽命預測結果更保守。顧穎等[2]利用有限元法計算殘余應力，考慮殘余應力分布情況，研究焊接殘余應力對節(jié)點裂紋擴展的影響。試驗證明殘余應力會降低焊接節(jié)點疲勞壽命，通過在材料表面施加預壓應力的措施可減少殘余應力的產(chǎn)生，以此達到提高材料疲勞壽命的目的。郭妍寧等[3]利用ANSYS 軟件建立多焊縫壁板有限元模型，計算分析焊縫殘余應力，試驗結果表明殘余應力對壁板穩(wěn)定性影響較大，壁板屈曲荷載顯著降低。馬家智等[4]利用有限元軟件模擬鋼結構焊接過程，計算分析焊縫殘余應力及分布情況，對比分析考慮殘余應力和不考慮殘余應力下的模型滯回曲線。試驗表明，殘余應力減少了鋼材塑性性能，其滯回曲線面積較小，建議采用錘擊法的焊接工藝，以減少焊縫中的殘余應力。馬廷霞等[5]利用ABAQUS 有限元軟件和擴展有限元法，計算分析焊縫殘余應力對含焊縫管道疲勞壽命的影響。試驗結果表明，殘余應力會明顯降低管道的疲勞壽命。趙東升等[6]利用有限元軟件模擬Invar鋼的焊接行為，采用S-N 曲線法計算分析焊接殘余應力對焊縫疲勞壽命的影響。試驗表明，殘余應力使焊縫疲勞壽命降低了10%。

本文通過有限元軟件建立T 型節(jié)點焊縫模型，對焊縫焊接殘余應力的產(chǎn)生和分布情況進行分析，并進一步考慮殘余應力及溫度場對節(jié)點疲勞壽命的影響。

2 工程概況

龍崗區(qū)園山街道新坡塘片區(qū)及新園路石化塑膠城城市更新單元一03 地塊，總承包工程設計為1 棟，1 棟一單元、二單元為42 層超高層建筑，高136.1m，1棟三單元為43層超高層建筑，高139m，裙房商業(yè)建筑4 層，地下共2 層，為地下汽車庫以及配套設備房等。3 棟超高層住宅結構體系為部分框支抗震墻結構，商業(yè)為框架結構，結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級，抗浮工程設計等級為甲級。項目東臨安塘路（規(guī)劃次干道），北臨水石路（規(guī)劃支路），西側為水新路（規(guī)劃支路），南側為永勤路（規(guī)劃次干道）。項目周邊以工業(yè)區(qū)和民宅為主，周邊城市更新項目主要為188 工業(yè)區(qū)城市更新單元與保安村片區(qū)城市更新單元，改造方向以商業(yè)、辦公、居住等功能為主。本文以工程中所使用的T 型焊接為研究對象，開展T 型焊接節(jié)點的殘余應力分析。

3 數(shù)值模型建立

3.1 焊接數(shù)值模型

利用有限元軟件建立T 型節(jié)點焊接模型，如圖1 所示，鋼板連接處采用全熔透方式焊接，模型基本參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

圖1 焊接模型示意圖

在模型中采用熱力耦合算法模擬焊接行為，假設鋼板和裂縫物理、力學參數(shù)相同，主要參數(shù)如圖2、圖3 所示?？梢钥闯霾牧蠠嵛锢韰?shù)和彈性模量受溫度影響較大，材料泊松比、線膨脹系數(shù)等熱力學性能參數(shù)較為穩(wěn)定。

圖2 物理參數(shù)圖

3.2 焊后熱處理數(shù)值模型

將上述焊接殘余應力計算結果作為初始條件，開展焊接后處理有限元分析。焊接后將其冷卻到室內(nèi)溫度，把焊接節(jié)點以20℃/min 勻速加熱到600℃，再恒溫保持0.5h，隨后冷卻，圖4 給出了熱處理曲線。主要從兩個方面進行應力釋放，一是模擬過程所用材料參數(shù)隨溫度而變化的，因而在焊后處理中材料強度隨溫度提升而緩慢減??；二是在熱處理過程中，考慮了由材料蠕變造成的塑性變形易引起應力松弛。

圖4 熱處理曲線

3.3 疲勞數(shù)值模型

T 型節(jié)點疲勞數(shù)值模型與焊接數(shù)值模型幾何尺寸一樣，如圖1 所示。當節(jié)點中空隙較大時，空隙的長寬比對疲勞壽命影響有限，因而將初始裂紋模擬為半圓形表面缺陷，半圓形的半徑為1mm。一般腹板周邊兩條焊縫只有一條會產(chǎn)生裂紋并發(fā)展，另外一條焊縫仍舊完整，故建模時，半圓形初始裂紋只設置在其中一條焊縫上。為提升計算速度，僅對焊接接頭局部網(wǎng)格進行加密，焊趾周邊網(wǎng)格大小為1mm，其余部分網(wǎng)格大小為2mm、4mm，模型共112150 個單元。焊接鋼有兩個Paris 常數(shù)m 和C，分別取值2.9和6.78×10-13MPa·m1/2，同時裂縫發(fā)展過程中超強匹配接頭的影響。材料其他參數(shù)如表1 所示。施加頻率3Hz 循環(huán)荷載于T 型節(jié)點腹板上，循環(huán)荷載幅值為35kN，應力比為-1。模型兩側邊界條件為固定約束。

4 殘余應力和疲勞壽命分析

4.1 殘余應力分析

4.1.1 焊接應力場分析

鋼板焊接過程中，由于加熱不均和鋼板冷卻不均導致局部形變，進而產(chǎn)生殘余應力。圖5 為焊縫殘余應力分布情況。焊縫殘余應力延長度方向逐漸減小，焊縫起始位置最大殘余應力為286.4MPa，焊縫中間區(qū)域殘余應力逐漸減小，中間區(qū)域最大殘余應力值為48.5MPa。焊縫殘余應力分布存在較大差異，這主要是因為在焊接過程中，材料散熱不均、散熱條件存在差異。數(shù)值計算結果顯示，對于橫向焊接殘余應力，其起始部位和終止部位的殘余應力均為壓應力，壓應力峰值達到131MPa。焊接中間部位殘余應力為拉應力，拉應力峰值達到141MPa。殘余應力在左側焊接部位的分布范圍略大于右側焊接部位，這是因為，即使兩側焊接條件一樣，但焊接從右側部位開始，兩側的散熱條件和約束條件不一致，因而造成兩側殘余應力分布范圍存在差異。對于縱向焊接殘余應力，其起始部位和終止部位的殘余應力均為壓應力，壓應力峰值達到92.2MPa。同樣，焊接中間部位殘余應力為拉應力，拉應力峰值達到293.1MPa。

圖5 縱向殘余應力

4.1.2 焊后熱處理分析

對比熱處理前后焊縫兩個方向的殘余應力可知，殘余應力分布規(guī)律基本一致。拉伸殘余應力在熱處理后顯著降低，但熱處理對壓縮殘余應力影響較小，這表明焊后熱處理能較好地控制焊接引起的拉伸殘余應力。熱處理后橫向殘余應力最大值從141MPa減小至59.2MPa，減小了約58%；熱處理后縱向殘余應力最大值從293.1MPa 減小至98.6MPa，減小了約67%。

4.2 疲勞壽命分析

4.2.1 不考慮殘余應力的疲勞壽命分析

當裂紋擴展長度達到鋼板厚度的1/2 時（16/2=8mm），認為裂縫強度失效。圖6 對比分析焊縫疲勞試驗結果與有限元模擬結果。由圖6 可知，兩次試驗失效循環(huán)次數(shù)平均為13813 次，有限元模擬裂縫失效循環(huán)次數(shù)為14009 次，有限元模擬結果與實際試驗結果存在略微差異，但整體上規(guī)律一致，表明采用有限元模型模擬驗證焊縫受力分析具有可靠性及參考價值。模擬結果與試驗結果出現(xiàn)差異的主要原因是通過設定參數(shù)建立的焊接節(jié)點模型均一化高，實際中鋼材性能與模型中較理想化的材料存在一定差異，并且在數(shù)值模擬中忽略掉實際焊接作業(yè)中人為因素，這些因素會對結構疲勞性能產(chǎn)生影響。

圖6 試驗和有限元模擬下的裂縫擴展長度對比結果

4.2.2 考慮溫度場的疲勞壽命分析

圖7 為循環(huán)荷載下，不同殘余應力條件的T 型節(jié)點焊縫擴展長度結果。由圖7 可知，考慮殘余應力的焊縫強度失效循環(huán)次數(shù)為14009 次，不考慮殘余應力下的焊縫強度失效循環(huán)次數(shù)為13056次，經(jīng)過熱處理消除殘余應力的焊縫在經(jīng)13411次循環(huán)荷載后強度失效。裂縫裂紋長度前期擴展較慢，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫長度擴展速率逐漸增大，直至節(jié)點達到疲勞壽命。圖中結果表明，減小材料殘余應力可提高材料的疲勞壽命。

圖7 不同處理條件下的裂縫擴展長度

由圖7 可知，不考慮殘余應力的焊接節(jié)點疲勞壽命相較于考慮殘余應力的焊接節(jié)點強度提高了6.8%。對比不考慮殘余應力下的焊接節(jié)點疲勞壽命和熱處理消除殘余應力的焊接節(jié)點疲勞壽命（實為溫度場對節(jié)點疲勞壽命的影響），試驗數(shù)據(jù)表明，熱處理對焊縫節(jié)點疲勞強度壽命影響較小，兩者裂紋擴展長度發(fā)展規(guī)律較為一致。

5 結論

本文通過有限元軟件建立T 型節(jié)點焊縫模型，對焊縫焊接殘余應力的產(chǎn)生和分布情況進行分析，并進一步考慮殘余應力及溫度場對節(jié)點疲勞壽命的影響，主要得出以下結論。

①焊縫殘余應力分布存在較大差異。焊縫殘余應力延長度方向逐漸減小，焊縫起始位置最大殘余應力為286.4MPa，焊縫中間區(qū)域殘余應力逐漸減小，中間區(qū)域最大殘余應力值為48.5MPa。

②不考慮殘余應力的有限元焊接節(jié)點模型疲勞壽命分析結果與現(xiàn)場試驗結果較為一致，節(jié)點強度失效循環(huán)次數(shù)分別為14009、13813次。

③減小材料殘余應力可提高材料的疲勞壽命?？紤]殘余應力的節(jié)點強度失效循環(huán)次數(shù)為14009 次；不考慮殘余應力下的焊接節(jié)點強度失效循環(huán)次數(shù)為13056 次；經(jīng)過熱處理消除殘余應力的焊接節(jié)點強度失效循環(huán)次數(shù)為13411次。此外，熱處理對焊縫節(jié)點疲勞壽命影響較小，不考慮殘余應力和熱處理消除殘余應力的焊接節(jié)點裂紋發(fā)展長度規(guī)律基本一致。