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焊接残余应力对钢结构疲劳性能影响研究

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２００９年第２期　　　　２００９年３月１０日

机　　车　　电　　传　　动ELECTRICDRIVEFORLOCOMOTIVES

№２，　２００９Ｍａｒ．１０，　２００９

研究开发

摘

焊接残余应力对钢结构疲劳性能影响研究

周张义，李芾

６１００３１）

作者简介：

周张义（１９８２－），

（西南交通大学机械工程学院，四川成都

要：

针对机车车辆各焊接承载部件的结构疲劳性能，在广泛参考和借鉴国际上动态承载焊

男，博士研究生，从事机车车辆结构设计和疲劳研究。

接结构的疲劳研究成果，并对各种现行国内外工业设计标准或规范进行对比研究的基础上，主要就焊接残余应力的结构疲劳性能影响及其考虑方式相关内容进行了详细和深入的探讨。

明确在机车车辆各焊接承载部件的焊缝接头疲劳设计、强度评定及寿命预测分析中，必须重视焊接残余应力的疲劳影响作用，并应依据实际结构几何及焊缝接头形式、承载特点、残余应力真实分布等因素，采取适当方法予以合理考虑。

关键词：

焊接残余应力；钢结构；焊接接头；疲劳影响；机车车辆；疲劳分析中图分类号：

Ｕ２６０．３２；ＴＧ４５７．１　文献标识码：

Ａ文章编号：

１０００－１２８Ｘ（２００９）０２－００２４－０６

StudyontheEffectofWeldingResidualStressesontheFatigueBehaviorofSteelStructures

ＺＨＯＵ　Ｚｈａｎｇ－ｙｉ，ＬＩ　Ｆｕ

（SchoolofMechanicalEng.,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan610031,China）

Abstract:

Consideringthestructurefatiguebehaviorofweldedloadedcomponentsofrollingstock,basedonwidelyreferringtheinternationalfatigueresearchresultsofdynamicallyloadedweldedstructuresandanalyzingthevarioustechnicaldesignstandardsorcriterionsofdomesticandinternational,theinfluenceofweldingresidualstressesonthefatiguebehaviorofsteelstructuresanditsconsideringmethodhavebeendiscusseddetailedanddeeply.Itisindicatedthatthefatigueeffectofweldingresidualstressesmustbeemphasizedinthefatiguedesign,strengthassessmentandlifepredictionofweldedjointsofrollingstockweldedloadedstructures.Appropriatemethodsshouldbeadaptedreasonableconsideringitseffect,accordingtothepracticalstructuralgeometry,patternoftheweldedjoints,loadconditions,truedistributionofresidualstressesandsoon.Keywords:

weldingresidualstresses;steelstructures;weldedjoints;fatigueeffect;rollingstock;fatigueanalysis

０

引言

近年来，随着铁路运输跨越式发展战略的实施，为满足客运高速、货运重载及快速的各项技术和运行性能指标，焊接承载结构轻量化设计技术和中高强度钢得到了广泛应用。

一方面，速度提高和载重增大都将导致结构部件承受的静、动应力大幅上升，疲劳加载更为恶劣；另一方面，高强钢与低强钢制成的焊接构件几乎具有相同的疲劳强度，各接头危险部位的疲劳抗力并未得到相应提高。

因此，焊接承载结构的疲劳问题变得十分突出，新近投入运用的机车车辆产品

收稿日期：

２００８－０９－２１；收修改稿日期：

２００８－１２－２９基金项目：

国家科技支撑计划项目（２００７ＢＡＧ０５Ｂ００）；教育部基金项目：

高等学校骨干教师资助计划项目-２４-

频繁发生焊缝疲劳破坏［１￣３］。

鉴于此，当前焊接结构的疲劳研究在机车车辆行业开始得到广泛关注和重视，研究重点集中于利用现有行业标准（如美国铁路学会ＡＡＲ标准）或借鉴其他行业及国外设计规范（如国际焊接协会ＩＩＷ规范，英国标准学会ＢＳ　７６０８规程等）提供的分析方法和数据，对各焊接承载部件进行疲劳强度评定及寿命预测［４￣６］。

众所周知，焊接结构的疲劳极为复杂，其分析精度直接依赖于各环节及影响因素的合理考虑［７￣１０］。

尽管当前国内外各行业均已建立起了较为完善的焊接构件疲劳设计方法和支撑数据库，且在实际工程应用中［１１２０］￣也趋于成熟，但由于影响焊接构件疲劳性能的因素众多，且各因素间又存在错综复杂的交互作用，许多问题仍未研究清楚，焊接结构的疲劳仍是当前国际

第２期

周张义，李

芾：

焊接残余应力对钢结构疲劳性能影响研究

上的研究热门。

至今，国内外研究文献和工业设计标准在不同分析环节及对各疲劳影响因素的考虑方式上均存在争论，未能完全达成一致。

尤其是对于国内机车车辆行业，焊接承载结构的疲劳研究和工程分析应用还处于起步阶段，标准化的疲劳设计方法和数据尚未建立，缺乏对焊接结构疲劳的全方面细致深入研究。

基于此，本文将重点针对焊接残余应力对钢结构疲劳性能的影响作用，在分析和参考国际上特别是国外的研究成果及对各设计标准进行比较的基础上，就相关内容进行详细和深入的探讨，提出在机车车辆焊接承载结构的疲劳设计及评定中，必须重视焊接残余应力的疲劳影响作用，并采取适当方法予以合理考虑。

１

焊接残余应力分析

１．１焊接残余应力形成及分布各种制造工艺如铸造、锻造、轧制、挤压及焊接等均可在产品内部产生残余应力，其中焊接工艺尤其突出。

残余应力是一组作用在结构不同部位的拉压应力自平衡力系，其存在独立于外部载荷。

焊接结构中，残余应力是在整个焊接快速加热及后续冷却的局部温度变化过程中，由于热源及其临近区域材料的膨胀和收缩受到低温区材料约束作用抑制，局部区域发生塑性变形，而最终在冷却状态的焊缝接头区域形成自相平衡的拉压应力系统［７］，如图１所示。

通常情况下，焊缝及临近热影响区分布着拉应力，且其值较高，往往可达到材料的屈服极限。

有在残余压应力区叠加应力值也达到屈服极限才会导致最终失效。

对于弹性失稳，当潜在的屈曲部位分布着残余压应力时，可见其临界失效外加压应力值将较无残余应力时要小，即焊接残余应力影响其承载性能，但这种影响取决于整体或至少是较大部分截面上的残余应力分布状态。

然而，对于动态承载部件，其疲劳性能由局部结构应力集中点的应力状态决定。

应力范围和平均应力同时影响疲劳强度，在给定疲劳寿命下，许用应力范围随平均应力的增大而减小。

对于焊接结构，应力集中点常与高焊接残余应力点重合。

当视残余应力为静态加载应力时，可见其将改变外加应力循环的平均应力值，因此可以预期在给定疲劳寿命下，残余拉应力因可增大平均应力值而趋于降低许用应力范围，残余压应力因可减小平均应力值而趋于提高许用应力范围。

因此，对于动态承载焊接部件，应主要关注焊缝接头应力集中局部区域的残余应力分布情况。

２

焊接残余应力的疲劳影响

图１

焊接残余应力的形成及分布特征

１．２焊接残余应力的疲劳考虑对于弹塑性材料，焊接残余应力对结构静态和动态疲劳承载性能的影响完全不同［８］。

在静态载荷下，塑性断裂和弹性失稳是结构的２种潜在失效方式。

对于前者，焊接残余应力是否存在对其承载性能并无影响，这是由于作为一组自平衡力系，焊接残余应力与外加应力的叠加虽可在残余拉应力区很快达到屈服极限，但塑性断裂是整个承载截面发生全屈服的结果，即只

２．１疲劳试验研究２０世纪６０年代之前，用于焊接结构工业设计的疲劳抗力极限数据或Ｓ－Ｎ曲线主要使用小尺寸接头试件的常幅疲劳试验结果导出。

为验证焊接残余应力是否影响疲劳强度，Ｗｉｌｓｏｎ、Ｎｅｗｍａｎ、Ｎａｖｒｏｔｓｋｉｉ等分别对焊态及经应力释放的各种对接焊缝接头试件，在脉动拉伸循环载荷下进行了大量常幅疲劳试验。

Ｇｕｒｎｅｙ对结果的综合分析表明：

少数情况下应力释放并未改善疲劳强度，多数情况下尽管疲劳强度有所提高，但提高幅度很小，一般２００万次应力循环对应的疲劳强度提高约１０％，最大也仅提高约１７％［１０］。

这些早期研究结果体现在工业疲劳设计标准中，认为焊接残余应力对结构疲劳强度的影响可忽略不计。

Ｋｕｄｒｙａｖｔｓｅｖ、Ｔｒｕｆｙａｋｏｖ、Ｇｕｒｎｅｙ、Ｆｉｓｈｅｒ、Ｍａｄｄｏｘ、Ｏｈｔａ等随后进行的试验研究得出了相反的结论。

认为由于早期疲劳试验使用的接头试件尺寸相当小，残余应力水平较低，且试验加载主要为脉动循环载荷，故焊接残余应力的疲劳强度影响有限。

苏联学者Ｋｕｄｒｙａｖｔｓｅｖ和Ｔｒｕｆｙａｋｏｖ　［１０］最早发现残余应力对疲劳强度有显著影响，其分别使用一系列含残余应力水平较高的纵向不承载角焊缝和对接焊缝接头试件，进行交变弯曲常幅疲劳试验，首次得出高值残余拉应力的存在会导致焊缝接头长寿命区疲劳强度大幅降低的结论。

如分别使用低强钢和高强钢制成的板端面纵向不承载角焊缝接头焊态件及应力释放件的交变弯曲疲劳试验结果均表明，应力释放工艺在２００万次循环下可提高疲劳强度近１５０％。

英国焊接研究所学者Ｇｕｒｎｅｙ［１０，２１］随后使用板表面纵向不承载角焊缝接头试件，对残余拉应力和外载应

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力比的疲劳强度联合影响进行了大量研究，其分别在４种应力比（－４，０及０．５）－１，下对焊态件及应力释放件进行常幅疲劳试验。

结果表明：

焊态试件在不同应力比外载作用下与应力范围表征的疲劳强度基本相同；当应力比为０及０．５时，应力释放件疲劳强度与焊态件基本相同，焊接残余应力对脉动及拉伸循环加载下的疲劳强度影响不明显；应力比为－１时应力释放件２００万次循环对应的疲劳强度较焊态件提高约５０％，而应力比为－４时提高近１．５倍，焊接残余应力对交变及压缩为主外载作用下的疲劳强度有较大影响，且对高压缩循环外载下的疲劳强度影响尤其显著。

美国学者Ｆｉｓｈｅｒ［２２］于１９６７年开始进行的大量反映桥梁实际结构的全尺寸焊态接头试件的常幅及变幅疲劳试验也表明：

大尺寸试件的疲劳强度要明显低于早期疲劳设计标准中使用的由小尺寸试件试验结果导出的疲劳抗力值，尤其是在长寿命区；以往疲劳设计标准中常假设常幅疲劳极限为２００万次应力循环对应的疲劳强度，而由大尺寸试件疲劳试验结果导出的Ｓ－Ｎ曲线却与之不符，其疲劳极限对应的应力循环数远高于２００万次；由于在大尺寸焊态接头试件的焊趾、焊根、热影响区等疲劳危险部位存在达到或接近母材屈服极限的高值残余拉应力（经实测证实）其是导致疲劳强，度下降的主要影响因素。

Ｆｉｓｈｅｒ的试验结果数据构成了美国现行诸如ＡＡＳＨＴＯ、ＩＳＣ、ＷＳ等许多工业设计ＡＡ标准的基础。

英国焊接研究所学者Ｍａｄｄｏｘ［２３，２４］使用屈服点在３３２￣７２７ＭＰａ间的４种强度钢制成的板表面纵向不承载角焊缝接头试件，对不同加载应力比∞，（－－１，０，０．５，０．６７）和不同拉伸强度钢下残余拉应力对角焊缝接头疲劳强度的影响进行了大量试验研究。

结果表明：

对于试验的试件，高强钢焊态件的残余拉应力水平并不比低强钢焊态件高；材料拉伸强度对焊态件及应力释放件的疲劳强度均无影响；在各应力比外载作用下，焊态件的疲劳强度试验结果均与外载应力范围相关，而不依赖于加载应力比；在正应力比外载下，焊态件与应力释放件的疲劳强度基本相同；应力释放工艺只在全压缩循环下可显著提高疲劳强度，部分压缩循环下提高较小，且提高程度直接与应力释放后仍驻留的残余拉应力水平相关。

Ｍａｄｄｏｘ同时指出，对于实际焊接结构，即使经应力释放，但其残留的拉应力水平仍大幅高于在应力释放试件中测得的应力水平，因此建议认为应力释放工艺对承受以拉伸为主（应力比大于－１）循环载荷作用的焊缝接头疲劳强度无影响。

日本国立材料科学研究所也于２０世纪８０年代起，对焊接残余拉应力、应力比、材料拉伸强度等因素对

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角焊缝及对接焊缝接头的疲劳强度影响进行了深入研究［２５～２８］。

其中，Ｏｈｔａ［２６］等的试验研究同样证实了焊接残余应力对结构疲劳强度具有重要影响，认为由于在实际焊接结构中常存在有达到母材屈服极限的残余拉应力，其将大幅提高疲劳裂纹扩展速率，从而降低结构的疲劳强度。

同时，通过大量对比试验研究进一步发现，其他诸如外载应力比、材料钢种和拉伸强度、焊接方法和工艺参数等因素对焊态接头的疲劳裂纹扩展速率基本无影响。

２．２近似理论分析对于以上经大量试验所证实的残余应力对焊态接头疲劳强度不利影响的结论，至今普遍接受的解释认为：

一方面，由于在焊缝接头应力集中点存在有高值残余拉应力，其将大幅提高外加应力循环的平均应力，从而增大外载循环的疲劳损伤程度并使得压缩循环与拉伸循环一样具有危害性，故将降低焊缝接头疲劳强度，并使得外载应力比对疲劳强度的影响很小；另一方面，高值残余拉应力与外加应力循环的叠加使得疲劳裂纹部位始终承受拉应力作用，从而导致裂纹尖端在所有加载循环过程中均处于展开状态，并在拉应力作用下不断扩展，故导致接头疲劳强度较低，且对平均应力不敏感。

图２所示的简单示例对焊接残余应力和外加应力循环的叠加效应进行了近似分析，其中假设横向承载对接焊缝承受均布的名义常幅循环载荷，其疲劳危险截面上的初始焊接残余应力分布如图２所示（焊缝中部为疲劳危险点，存在达到母材屈服极限的残余拉应力）且假设材料具有理想弹塑性能，，并不考虑应力集［１０］中作用。

图２

焊接残余应力与外加名义应力循环的叠加效应

在图２的各应力叠加图中，曲线①表征加载前原始残余应力分布；曲线②表征加载状态下假设材料为无限弹性时的叠加应力分布；曲线③表征加载状态下真

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实叠加应力分布（达到屈服极限的部位要发生塑性变形，应力不再上升）；曲线④表征卸载后应力分布。

可见，应力叠加作用使得真实加载循环为应力在曲线③和④之间波动，其中当叠加压缩应力不会达到压缩屈服极限时，真实加载循环为应力在曲线①和②之间波动。

在焊缝中部分布着残余拉应力的疲劳危险点，当外加名义应力循环分别为应力范围相等的常幅全拉伸、交变及全压缩循环时，应力叠加作用导致在该部位的实际名义疲劳加载基本都是从母材的屈服点向下摆动的具有相同应力范围、应力比及高值拉伸平均应力的循环应力。

即残余拉应力将明显提高外加应力循环的平均应力或应力比，形成可引起更大疲劳损伤的实际加载应力循环，并导致理论上不会造成或造成较小疲劳损伤的全压缩或部分压缩应力循环变得与全拉伸应力循环一样具有危害性，从而大幅降低焊接接头的疲劳强度，并使得外加应力循环的平均应力或应力比成为影响疲劳强度的次要因素，应力范围更适合用于表征焊接接头的疲劳强度性能及作为其疲劳分析的应力控制参数。

可见，以上理论分析是在较实际情形相当简化的条件下进行的，如分析中未考虑临界部位，如焊趾处应力集中作用、宏观焊接残余应力与裂纹尖端局部塑性区可能存在的微观残余应力的耦合作用等。

然而，应用该简单模型得出的结论具有普遍性，可对残余拉应力的一般影响作出足够预测。

２．３现行标准或规范中的考虑方式综上所述，试验研究与理论分析均表明，焊缝接头应力集中部位存在高值焊接残余拉应力时的疲劳承载性能，相应于其在无残余应力状态下承载具有高值拉伸平均应力循环载荷时的疲劳性能。

这一简单结论形成了当前众多焊接结构疲劳设计标准或规范的理论和工程应用基础ＡＲ标准除外）具体考虑方式为：

（Ａ，①假设实际结构的焊缝接头应力集中部位常存在有可达到母材屈服极限的初始高值残余拉应力，且不考虑运用中外载作用可能导致的残余应力松弛效应，或者认为其对残余应力水平和分布的改变较小，对疲劳强度影响有限，可忽略不计。

②焊态接头疲劳强度与应力比无关，即压缩应力与拉伸应力具有同等疲劳危害性，使用应力范围表征焊接接头的疲劳强度并作为疲劳分析的应力控制参数。

③焊接残余应力的疲劳影响在强度设计数据中考虑，各典型焊接接头的疲劳性能由大尺寸焊态试件或小尺寸试件在较高应力比（通常大于等于０）循环加载下导出。

对于应力释放工艺，多数规范认为其对实际结构焊缝接头的疲劳强度无影响［１２，１４，１５，１９，２０］，疲劳分析不区分焊态和应力释放件　ＢＳ　７６０８和Ｅｕｒｏｃｏｄｅ　３通过计算；

部分压缩载荷循环的等效应力范围来考虑其对疲劳强度的改进影响［１７，１８］，认为载荷循环中只有６０％的压缩应力可导致疲劳损伤，如图３所示；ＩＩＷ则通过使用疲劳增强系数ｆ（Ｒ）提高相应疲劳抗力值，以考虑不同情［１６］况下应力比对疲劳强度的影响，如图４所示；ＡＡＲ标准不考虑焊接残余应力的影响，其使用常规的应力幅分析法，并结合改进的Ｇｏｏｄｍａｎ平均应力修正方式考虑应力比对结构疲劳强度的影响［１１］。

研究认为，ＡＲＡ采用的方法已不适合应用于焊接结构的疲劳设计和分析，工程应用中不推荐采用。

图３

ＢＳ　７６０８及Ｅｕｒｏｃｏｄｅ　３建议的等效应力范围计算

图４

ＩＩＷ建议的疲劳增强系数ｆ（Ｒ）

３

焊接残余应力的工程实用考虑

３．１不同观点和近期研究结果尽管以上的研究结论已在工程中得到广泛应用，但至今对焊接残余应力疲劳影响机理的研究仍有待于系统和深入，特别是其在实际复杂结构中的真实疲劳影响作用。

当前，国际上对设计标准或规范中采用的焊接残余应力疲劳影响考虑方式的正确性及适用性，尚存在不同观点和争论，主要包括：

①接头疲劳危险部位常存在接近或达到母材屈服点的残余拉应力的假设，可能与实际结构的残余应力分布不符，从而导致错误的疲劳评定结果。

复杂焊接结构的残余应力分布极为复杂，一些常被假设认为存在高残余拉应力的接头部位，实际上分布着有益于疲劳性能的残余压应力，或者分布的残余拉应力水平很低，故其疲劳危险程度并没有预期严重。

Ｆｒｉｃｋｅ［２９］的试验研究证实了这一观点，提出为确保疲劳分析的可靠性，建议预先确定出由焊接引入的残余应力的真实分布状态，以视具体情况进行分析考虑，如可使用日益发展的有限元数值焊接模拟仿真。

②类似于振动时效应力消除工艺，结构运用中外载作用可导致其焊接残余应力松弛，应力分布和水平发生改变，从而可能降低其对疲劳强度的不利影响。

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针对该问题，与现行标准或规范中处理方式相同，Ｍａｄｄｏｘ［２４］较笼统地认为当确实存在高值残余拉应力，且为满足高周设计寿命绝大部分实际载荷循环的应力水平相对较低时，因疲劳加载引起的应力释放有限，驻留的残余拉应力仍可明显提高外加循环应力的平均应力，故残余拉应力在运用中得到一定释放并不会明显改善疲劳强度。

与此相反，Ｋｒｅｂｓ［３０］等近期的大量试验对比研究结果表明，多数情况下外载作用导致的残余应力改变对结构疲劳强度的影响较为显著，通常比热应力释放工艺的影响还要大，应得到足够重视。

其提出只考虑初始残余应力分布和水平，不足以分析其对疲劳强度的影响作用，尚需进一步明确各种因素尤

表１

情况焊缝

其是外载作用可能导致的残余应力改变情况。

由于残余应力变化是在呈多轴应力状态的整个结构范围内发生，故受各种因素联合影响，如加载状态（常幅或变幅，平均应力大小）板厚及接头在结构中的几何位置、（多轴约束效应）接头缺口严重程度及焊接区冶金状、态等。

通过综合分析，Ｋｒｅｂｓ提出了一个类似ＩＩＷ但更易操作的应力比修正方案，如表１所示，认为残余应力和加载应力的多轴率是影响残余应力改变的主要因素。

此外，由于接头缺口严重程度对残余应力改变也有较大影响，中的建议仅适用于接头疲劳缺口系数表１小于２．５的情况。

Ｋｒｅｂｓ建议的典型焊接部件残余应力降低时的应力比修正方案

Ａ１Ａ２长度小于３００ｍｍ的横向焊缝薄板连接Ｂ１纵向焊缝宽梁上的连接板Ｂ２纵向焊缝、横向焊缝高多轴率承载结构

纵向焊缝、长度小于３００ｍｍ的横向焊缝棒、窄梁、箱形主梁

结构形式

残余应力及外载应力状态残余应力降低疲劳增强系数ｆ（Ｒ＝－１）

主要为单轴状态作用方向平行显著１．２５

主要为单轴状态作用方向垂直显著或较大１．２５（板厚＜１０ｍｍ）

低多轴率状态较大１．２５（板厚＜１６ｍｍ）

高多轴率状态有待考虑１．０

注：

表中σ为加载应力，σ１和σ２分别为第一和第二主应力

③复杂及不同条件下的残余应力疲劳影响研究仍有待于系统和深入，如不同加载状态（包括常幅或变幅加载、轴向或弯曲加载、高周或低周加载等）及应力集中程度（包括各类焊缝接头形式、焊后改善工艺等）下，焊接残余应力的疲劳影响程度可能存在较大差异。

Ｓｏｎｓｉｎｏ［３１］于近年来针对该问题进行了大量试验研究，作出了有益探讨。

其研究的主