殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響

田蟠寅，張?jiān)奇茫慕ㄐ?，李鑫，丁遵?（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(yīng)力，而殘余應(yīng)力對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度有很大影響。因此，眾多學(xué)者開展了殘余應(yīng)力對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)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(chǎng)、高溫錘擊作用下錨固區(qū)焊接節(jié)點(diǎn)殘余應(yīng)力分布，以及基于英國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范和歐洲設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同設(shè)計(jì)規(guī)范下的節(jié)點(diǎn)疲勞壽命不同，采用英國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范的焊接節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果更保守。顧穎等[2]利用有限元法計(jì)算殘余應(yīng)力，考慮殘余應(yīng)力分布情況，研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)裂紋擴(kuò)展的影響。試驗(yàn)證明殘余應(yīng)力會(huì)降低焊接節(jié)點(diǎn)疲勞壽命，通過在材料表面施加預(yù)壓應(yīng)力的措施可減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，以此達(dá)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(jì)算分析焊縫殘余應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)果表明殘余應(yīng)力對(duì)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(jié)構(gòu)焊接過程，計(jì)算分析焊縫殘余應(yīng)力及分布情況，對(duì)比分析考慮殘余應(yīng)力和不考慮殘余應(yīng)力下的模型滯回曲線。試驗(yàn)表明，殘余應(yīng)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(yīng)力。馬廷霞等[5]利用ABAQUS 有限元軟件和擴(kuò)展有限元法，計(jì)算分析焊縫殘余應(yīng)力對(duì)含焊縫管道疲勞壽命的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，殘余應(yīng)力會(huì)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(jì)算分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊縫疲勞壽命的影響。試驗(yàn)表明，殘余應(yīng)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(diǎn)焊縫模型，對(duì)焊縫焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布情況進(jìn)行分析，并進(jìn)一步考慮殘余應(yīng)力及溫度場(chǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)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(kù)以及配套設(shè)備房等。3 棟超高層住宅結(jié)構(gòu)體系為部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)，商業(yè)為框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，抗浮工程設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。項(xiàng)目東臨安塘路（規(guī)劃次干道），北臨水石路（規(guī)劃支路），西側(cè)為水新路（規(guī)劃支路），南側(cè)為永勤路（規(guī)劃次干道）。項(xiàng)目周邊以工業(yè)區(qū)和民宅為主，周邊城市更新項(xiàng)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(duì)象，開展T 型焊接節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)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(diǎn)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(shè)鋼板和裂縫物理、力學(xué)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(xué)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(yīng)力計(jì)算結(jié)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(diǎn)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(gè)方面進(jìn)行應(yīng)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(qiáng)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?cè)斐傻乃苄宰冃我滓饝?yīng)力松弛。

圖4 熱處理曲線

3.3 疲勞數(shù)值模型

T 型節(jié)點(diǎn)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(dāng)節(jié)點(diǎn)中空隙較大時(shí)，空隙的長(zhǎng)寬比對(duì)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(huì)產(chǎn)生裂紋并發(fā)展，另外一條焊縫仍舊完整，故建模時(shí)，半圓形初始裂紋只設(shè)置在其中一條焊縫上。為提升計(jì)算速度，僅對(duì)焊接接頭局部網(wǎng)格進(jìn)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(gè)單元。焊接鋼有兩個(gè)Paris 常數(shù)m 和C，分別取值2.9和6.78×10-13MPa·m1/2，同時(shí)裂縫發(fā)展過程中超強(qiáng)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(diǎn)腹板上，循環(huán)荷載幅值為35kN，應(yīng)力比為-1。模型兩側(cè)邊界條件為固定約束。

4 殘余應(yīng)力和疲勞壽命分析

4.1 殘余應(yīng)力分析

4.1.1 焊接應(yīng)力場(chǎng)分析

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

圖5 縱向殘余應(yīng)力

4.1.2 焊后熱處理分析

對(duì)比熱處理前后焊縫兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力可知，殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。拉伸殘余應(yīng)力在熱處理后顯著降低，但熱處理對(duì)壓縮殘余應(yīng)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(yīng)力。熱處理后橫向殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)力的疲勞壽命分析

當(dāng)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度達(dá)到鋼板厚度的1/2 時(shí)（16/2=8mm），認(rèn)為裂縫強(qiáng)度失效。圖6 對(duì)比分析焊縫疲勞試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果。由圖6 可知，兩次試驗(yàn)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(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)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(yàn)證焊縫受力分析具有可靠性及參考價(jià)值。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差異的主要原因是通過設(shè)定參數(shù)建立的焊接節(jié)點(diǎn)模型均一化高，實(shí)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(shí)際焊接作業(yè)中人為因素，這些因素會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能產(chǎn)生影響。

圖6 試驗(yàn)和有限元模擬下的裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度對(duì)比結(jié)果

4.2.2 考慮溫度場(chǎng)的疲勞壽命分析

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

圖7 不同處理?xiàng)l件下的裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度

由圖7 可知，不考慮殘余應(yīng)力的焊接節(jié)點(diǎn)疲勞壽命相較于考慮殘余應(yīng)力的焊接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度提高了6.8%。對(duì)比不考慮殘余應(yīng)力下的焊接節(jié)點(diǎn)疲勞壽命和熱處理消除殘余應(yīng)力的焊接節(jié)點(diǎn)疲勞壽命（實(shí)為溫度場(chǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的影響），試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，熱處理對(duì)焊縫節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度壽命影響較小，兩者裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度發(fā)展規(guī)律較為一致。

5 結(jié)論

本文通過有限元軟件建立T 型節(jié)點(diǎn)焊縫模型，對(duì)焊縫焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布情況進(jìn)行分析，并進(jìn)一步考慮殘余應(yīng)力及溫度場(chǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的影響，主要得出以下結(jié)論。

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

②不考慮殘余應(yīng)力的有限元焊接節(jié)點(diǎn)模型疲勞壽命分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果較為一致，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度失效循環(huán)次數(shù)分別為14009、13813次。

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