试析焊接残余应力对钢结构疲劳性能的影响

李彬

摘要：现阶段，国内外工业设计指标在差异化分析过程与对疲劳影响因素的分析方法上没有一个统一的标准。特别是针对国内机车车辆领域，焊接承载结构的疲劳分析与工程分析应用还处在发展中阶段，指标化的疲劳设计模式与参数还没有一个硬性的标准，且对焊接结构疲劳的研究不足。文章将以试析焊接残余应力对钢结构疲劳性能的影响作为切入点，在此基础上予以深入的探究，相关内容如下所述。

关键词：焊接残余应力；钢结构；疲劳性能；影响

1 焊接残余应力（Welding residual stress）研究

1.1 焊接残余应力分布与形成

锻造、铸造、挤压、轧制与焊接等都能够在产品中生成残余应力（Residual stress），而焊接技术所生成的Residual stress较为显著。Residual stress即为一组作用在结构差异化区域，残余应力具有单独的外部载荷。焊接结构内，Residual stress出现在焊接快速加热和后续冷却的局部温度变化环节，因为热源与其周围材料的膨胀与收缩会因低温区域的材料所约束，部分区域出现塑性形变，进而在冷却的焊缝接头周围出现自相平衡的拉压应力。一般状态下，焊缝与周围热影响区存在着一定的拉应力，同时具有一定的强度，通常会超过材料的屈服极值。

1.2.焊接残余应力的疲劳性分析

针对弹塑性材料，Welding residual stress对结构静、动态疲劳承载能力的作用存在较大差异。静态载荷状态，塑性断裂与弹性损失是结构的两类失效因素。Welding residual stress对弹性断裂承载能力不存在显著的影响，这是因为自平衡力系，Welding residual stress和外在应力的累积能够在残余拉应力中达到屈服极值，不过塑性断裂即承载截面出现全屈服的结果，仅在残余压应力范围内，同时叠加应力参数超过屈服极值才能够造成失效问题。针对弹性失稳问题，在隐藏的区间分布着残余压应力状态下，能够发现其临界失效外加压应力值会小于无残余应力状态，也就是Welding residual stress影响其承载能力，不过此类影响在很大程度上会依附于整体截面上的Residual stress分布情况。

针对动态承载部件而言，其疲劳性会因个别区域结构应力集中点的应力强度所影响。应力区间与制衡性会对疲劳强度产生影响，在给定抗疲劳周期条件下，可以依附于应力区间根据平均应力的提高而減小。针对焊接结构，应力集中点一般都会与Welding residual stress点重合。在Residual stress为静态加载应力状态下，我们可以发现Residual stress会改变外加应力循环的平均应力参数。所以，针对动态承载焊接部件，我们需侧重于焊缝接头应力集中区域的Residual stress分布状态。

2 焊接残余应力的疲劳影响

Residual stress对焊态接头疲劳强度影响的结论，个人认为最容易让人接受的解释即：（1）因为在焊缝接头应力集中区域存在有较强的残余拉应力，因此残余拉应力会在一定程度上提升外加应力循环的平均应力，因此提高外载循环的疲劳损伤性，在此基础上造成压缩循环和拉伸循环均具备较强的危害性，所以会遏制焊缝接头疲劳强度，同时促使外载应力的影响弱于疲劳强度；（2）较强的残余拉应力和外加应力循环的叠加会造成疲劳裂纹区域长时间受到拉应力，因此造成裂纹周围在加载循环时处于展开状态，同时在拉应力作用下持续蔓延，因此造成接头疲劳强度下降，进而对平均应力的敏感度降低。见下图。

下图对Welding residual stress与外加应力循环的叠加效应予以了分析，其疲劳危险区域的初始Welding residual stress分布一目了然。

Welding residual stress与外加名义应力循环叠加效应示意图

图中曲线①即为加载前原始Residual stress区域；②即为加载下拟定材料为无限弹性状态下的叠加应力区域；③即为加载状态实际叠加应力区域；④即为卸载后应力区域。通过上述我们不难看出，应力叠加性造成实际加载循环为应力在曲线③与④间波动，而在叠加压缩应力无法超越压缩屈服极值的状态下，实际加载循环应力游离于曲线①与②间。因此Residual stress会显著增加，在此基础上导致更大疲劳损伤的实际加载应力循环，这会在一定程度上减少焊接接头的疲劳性，同时外加应力循环的平均应力与应力比成为影响疲劳性的非主要因素，应力可以很好的用在表征焊接接头的疲劳强度与作为疲劳分析的应力控制数据。

上述理论分析，即在实际情形简化的条件下实施的，若分析中不存在临界区间，其中包括：（1）宏观Welding residual stress（2）裂纹周围区域塑性区间可能存在的微观Residual stress耦合作用（3）焊趾区域应力集中作用。不过，应用简单模型所计算的结论有较强的客观性，能够对Residual stress的影响提供有效的预测。

3 焊接残余应力的工程实用性分析

针对实际相对繁琐的焊接承载结构，例如：（1）车体钢结构（2）机车车辆焊接构架，已知其直接择取设计指标中的Welding residual stress分析方式偏于安全，尤其是在结构需要一定轻量化程度时，那么其保守性特性不利于结构的减重。

所以，建议依附于实际结构与焊缝接头的相关连接方法及承载特性等因素，有指向性的分析Residual stress对疲劳强度的影响，本人总结如下：（1）在繁琐连接区域，应力相对集中，同时具有一定的板厚，以承受拉伸为基础循环载荷的焊缝接头，其中包括相关安装座及基本结构的焊缝接头，基本结构内，梁间的繁琐连接焊缝接头，组焊梁承受弯曲拉应力循环盖板与腹板区域的相关横向焊缝接头，以上所述在疲劳分析时无需顾及平均应力与应力比疲劳强度修正。上述焊缝接头疲劳强度的增加与附近结构的减重，我们要侧重于分析如何降低接头周围整体结构与接头区间几何应力集中的问题。（2）在简单连接区域，应力集中相对隐蔽，同时板较薄，承受压缩为主循环载荷的焊缝接头，其中包括相关平板对接接头、基本结构内各梁间的连接焊缝接头，组焊梁承受弯曲压应力循环的盖板与腹板区域的横向焊缝接头。因为上述焊缝接头隶属次一级的疲劳危险区域，其周围具备结构减重的空间，同时这些区域的Residual stress水平偏低，所以在疲劳分析中要根据实际情况分析其对长寿命区疲劳强度的不利影响作用。

4 总结

综上所述，焊接结构内，Residual stress出现在焊接快速加热和后续冷却的局部温度变化环节，因为热源与其周围材料的膨胀与收缩会因低温区域的材料所约束，部分区域出现塑性形变，进而在冷却的焊缝接头周围出现自相平衡的拉压应力。弹性失稳问题，在隐藏的区间分布着残余压应力状态下，能够发现其临界失效外加压应力值会小于无残余应力状态，也就是Welding residual stress影响其承载能力，不过此类影响在很大程度上会依附于整体截面上的Residual stress分布情况。以铁路机车车辆各动态承载焊接钢结构的强度分析、疲劳设计与寿命预测研究作为基点，本人在分析国内外的相关研究成果后，在现行相关工业设计指标及规范的对比分析基础上，针对Welding residual stress的结构疲劳影响与其分析方式等相关内容予以研究。明确在机车车辆焊接承载部件的疲劳分析中，一定要侧重于Residual stress疲劳影响作用。不宜照搬指标及规范中的分析方式，我们要依附于实际几何结构与焊缝接头形式及承载特性等因素，根据实际情况有指向性的予以分析。最后总结的几类情况下的Welding residual stress分析方式对工程应用意义深远。

参考文献：

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