对接焊缝残余应力的分布规律及对疲劳寿命的影响

摘要

为了研究钢桥对接焊接接头温度场、残余应力场和变形场的分布规律，利用有限元软件建立16 mm厚桥钢板对接焊缝三维有限元模型，并通过盲孔法试验实测数据对模型的正确性加以验证.基于此，进一步分析了焊件温度场、残余应力场和变形场的分布规律，并在焊件中引入初始裂缝，探讨了初始缺陷和焊接残余应力对焊缝疲劳寿命的影响.研究结果表明：沿垂直焊缝方向，纵向残余应力呈现拉-压分布状态，焊缝附近60 mm的热影响区内，主要为拉应力，峰值达415 MPa，超过材料的屈服强度，当远离热影响区时，纵向残余拉应力转变为压应力.横向残余应力在焊趾处达到峰值205 MPa.在无约束条件下，焊接引起的变形为典型的平面外角变形，随着与焊缝中心的距离增加，各测点的变形呈线性增长，最大变形出现在焊件外边缘，为14.58 mm.即使是较小的残余应力，无论其状态如何，均会影响疲劳寿命. 3%和8%的残余拉-压应力分别导致疲劳寿命降低16.7%和提高68.4%；残余拉应力随着应力的增大导致疲劳寿命降低，但降低速率逐渐衰减.当拉/压应力数值相近时，压应力对疲劳寿命的影响远大于拉应力.在实际构件的预制过程中，应通过预变形等方法来控制焊件的变形；焊后通过表面处理技术控制残余拉应力，以提高材料的疲劳寿命和延长结构的使用寿命.

关键词

盲孔法检测 / 残余应力 / 热力耦合分析 / 数值模型 / 疲劳裂纹扩展

基金资助

甘肃省交通运输厅科研项目（2022-26）; 中央引导地方科技发展资金项目（22ZY1QA005）; 甘肃省科技厅技术创新引导计划资助项目（24CXGA018）