焊接残余应力对对接接头疲劳裂纹扩展的影响

顾颖，冯倩，任松波，孔超，古松

(1.西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；2.工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室，四川 绵阳 621010)

焊接残余应力是自平衡应力，其在焊缝区表现为达到或超过材料屈服强度σy的拉应力[1]，在远离焊缝的区域为较小的压应力。这意味着焊接结构在未受任何外载的情况下，局部就已经存在高达材料屈服强度的拉应力状态。研究表明[2]，由于高值焊接残余拉应力的存在，即使在纯压循环荷载下，焊接接头也可能出现裂纹萌生与扩展。对此，FISHER[3]对大尺寸焊接构件进行了大量的疲劳试验，发现存在于焊缝区的高值残余拉应力是导致疲劳强度降低主要因素。相对于疲劳试验，数值模拟的方式更为方便。当前，采用数值模拟来研究焊接残余应力对疲劳性能影响的方法主要是基于断裂力学，通过有效应力比Reff，有效应力强度因子范围ΔKeff来计入焊接残余应力对疲劳裂纹扩展速率da/dN的影响[4−7]。该方法一般先通过有限元法或测试获得焊接残余应力，再采用权函数法[8]、虚拟裂纹闭合法[4]或J积分法[9]计算焊接残余应力引起的应力强度因子Kres。求得Kres后，就可以采用考虑应力比影响的疲劳裂纹扩展公式求解da/dN。常见的公式有Walker公式、Harter T方法、NASGRO公式等[10]。该方法一般将焊接残余应力作为初始状态或直接拟合为位置的函数，并假定在裂纹扩展过程中保持不变，以此来计入其对da/dN的影响。然而，实际上焊接残余应力在疲劳开裂过程中会发生重分布[6−7]，它会因裂纹的扩展而释放，因裂尖的塑性变形而松弛[11]。……