試析焊接殘余應力對鋼結構疲勞性能的影響

李彬

摘要：現階段，國內外工業設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一的標準。特別是針對國內機車車輛領域，焊接承載結構的疲勞分析與工程分析應用還處在發展中階段，指標化的疲勞設計模式與參數還沒有一個硬性的標準，且對焊接結構疲勞的研究不足。文章將以試析焊接殘余應力對鋼結構疲勞性能的影響作為切入點，在此基礎上予以深入的探究，相關內容如下所述。

關鍵詞：焊接殘余應力；鋼結構；疲勞性能；影響

1 焊接殘余應力（Welding residual stress）研究

1.1 焊接殘余應力分布與形成

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

1.2.焊接殘余應力的疲勞性分析

針對彈塑性材料，Welding residual stress對結構靜、動態疲勞承載能力的作用存在較大差異。靜態載荷狀態，塑性斷裂與彈性損失是結構的兩類失效因素。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和外在應力的累積能夠在殘余拉應力中達到屈服極值，不過塑性斷裂即承載截面出現全屈服的結果，僅在殘余壓應力范圍內，同時疊加應力參數超過屈服極值才能夠造成失效問題。針對彈性失穩問題，在隱藏的區間分布著殘余壓應力狀態下，能夠發現其臨界失效外加壓應力值會小于無殘余應力狀態，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。

針對動態承載部件而言，其疲勞性會因個別區域結構應力集中點的應力強度所影響。應力區間與制衡性會對疲勞強度產生影響，在給定抗疲勞周期條件下，可以依附于應力區間根據平均應力的提高而減小。針對焊接結構，應力集中點一般都會與Welding residual stress點重合。在Residual stress為靜態加載應力狀態下，我們可以發現Residual stress會改變外加應力循環的平均應力參數。所以，針對動態承載焊接部件，我們需側重于焊縫接頭應力集中區域的Residual stress分布狀態。

2 焊接殘余應力的疲勞影響

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

下圖對Welding residual stress與外加應力循環的疊加效應予以了分析，其疲勞危險區域的初始Welding residual stress分布一目了然。

Welding residual stress與外加名義應力循環疊加效應示意圖

圖中曲線①即為加載前原始Residual stress區域；②即為加載下擬定材料為無限彈性狀態下的疊加應力區域；③即為加載狀態實際疊加應力區域；④即為卸載后應力區域。通過上述我們不難看出，應力疊加性造成實際加載循環為應力在曲線③與④間波動，而在疊加壓縮應力無法超越壓縮屈服極值的狀態下，實際加載循環應力游離于曲線①與②間。因此Residual stress會顯著增加，在此基礎上導致更大疲勞損傷的實際加載應力循環，這會在一定程度上減少焊接接頭的疲勞性，同時外加應力循環的平均應力與應力比成為影響疲勞性的非主要因素，應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力控制數據。

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間，其中包括：（1）宏觀Welding residual stress（2）裂紋周圍區域塑性區間可能存在的微觀Residual stress耦合作用（3）焊趾區域應力集中作用。不過，應用簡單模型所計算的結論有較強的客觀性，能夠對Residual stress的影響提供有效的預測。

3 焊接殘余應力的工程實用性分析

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

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

4 總結

綜上所述，焊接結構內，Residual stress出現在焊接快速加熱和后續冷卻的局部溫度變化環節，因為熱源與其周圍材料的膨脹與收縮會因低溫區域的材料所約束，部分區域出現塑性形變，進而在冷卻的焊縫接頭周圍出現自相平衡的拉壓應力。彈性失穩問題，在隱藏的區間分布著殘余壓應力狀態下，能夠發現其臨界失效外加壓應力值會小于無殘余應力狀態，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承載焊接鋼結構的強度分析、疲勞設計與壽命預測研究作為基點，本人在分析國內外的相關研究成果后，在現行相關工業設計指標及規范的對比分析基礎上，針對Welding residual stress的結構疲勞影響與其分析方式等相關內容予以研究。明確在機車車輛焊接承載部件的疲勞分析中，一定要側重于Residual stress疲勞影響作用。不宜照搬指標及規范中的分析方式，我們要依附于實際幾何結構與焊縫接頭形式及承載特性等因素，根據實際情況有指向性的予以分析。最后總結的幾類情況下的Welding residual stress分析方式對工程應用意義深遠。

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