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平板对接焊缝焊接残余应力分析与延迟裂纹萌生位置预测

朱爱珠 张满辉 柳岸

朱爱珠, 张满辉, 柳岸. 平板对接焊缝焊接残余应力分析与延迟裂纹萌生位置预测[J]. 钢结构(中英文), 2025, 40(1): 58-67. doi: 10.13206/j.gjgS23122602
引用本文: 朱爱珠, 张满辉, 柳岸. 平板对接焊缝焊接残余应力分析与延迟裂纹萌生位置预测[J]. 钢结构(中英文), 2025, 40(1): 58-67. doi: 10.13206/j.gjgS23122602
Aizhu Zhu, Manhui Zhang, An Liu. Analysis of Welding Residual Stresses and Prediction of Delayed Crack Initiation Location in Flat Butt Welds[J]. STEEL CONSTRUCTION(Chinese & English), 2025, 40(1): 58-67. doi: 10.13206/j.gjgS23122602
Citation: Aizhu Zhu, Manhui Zhang, An Liu. Analysis of Welding Residual Stresses and Prediction of Delayed Crack Initiation Location in Flat Butt Welds[J]. STEEL CONSTRUCTION(Chinese & English), 2025, 40(1): 58-67. doi: 10.13206/j.gjgS23122602

平板对接焊缝焊接残余应力分析与延迟裂纹萌生位置预测

doi: 10.13206/j.gjgS23122602
基金项目: 

国家自然科学基金项目(52078230)。

详细信息
    作者简介:

    朱爱珠,教授,博士生导师,主要从事钢结构疲劳、钢-混组合结构力学性能等研究。Email:zhuaizhu1228@hust.edu.cn

Analysis of Welding Residual Stresses and Prediction of Delayed Crack Initiation Location in Flat Butt Welds

  • 摘要: 延迟裂纹具有极强的隐蔽性和危害性,其产生位置难以预测,若未被及时发现,可能会在桥梁运营期间扩展,引起结构脆断,严重威胁焊接结构安全。目前,对延迟裂纹的研究集中在其产生和扩展机理方面,对于延迟裂纹的产生位置以及初始形态研究较少,而不同裂纹位置、不同裂纹形态对结构性能产生的影响大不相同。因此,在考虑残余应力的条件下针对延迟裂纹的开裂位置进行预测研究,首先设计了斜Y坡口焊接试验预制延迟裂纹,焊接过程中采用数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)测试系统测量焊接过程产生的残余应力,利用有限元软件ABAQUS计算焊接残余应力结果并与测试结果进行对比,验证并完善有限元分析方法;然后基于焊后残余应力结果进一步模拟焊后扩散氢的分布,基于应力场分布以及扩散氢富集情况预测裂纹萌生位置。同时观察试验中延迟裂纹产生位置和初始形态,与有限元预测结果对比验证该预测方法的可行性。
    结果表明:1)平板对接焊接结构中试板端部与中部的残余应力分布不一致,中部应力相对较为均匀,纵向应力和横向应力是主要的残余应力,其呈现拉-压分布的趋势,纵向残余应力在焊缝中心表现为较大的拉应力,最大值为320 MPa,随着与焊缝中心距离增大逐渐减小,转化为压应力;而横向残余应力呈现"M"形分布,最大值为336 MPa,在焊缝中线处为压应力。横向与纵向残余应力均未超过材料的初始屈服强度,符合焊接残余应力在焊接结构内部存在自平衡状态的情况。总体上看,数值模型的模拟值与残余应变DIC实测值吻合较好。2)由于焊缝区的残余应力要高于热影响区及母材区,并且在焊缝向热影响区过渡的区域存在残余应力的突变,因此焊缝以及热影响区的扩散氢浓度显著高于周边的母材,其中焊缝根部热影响区呈现明显的氢富集现象,在该区域内氢的浓度最大,焊缝区浓度次之,母材最低。3)试验焊缝裂纹都启裂于焊缝根部热影响区,启裂后在焊缝金属中向上扩展,止裂于焊缝中,故有限元模拟中氢富集以及应力集中位置符合试验焊缝裂纹开裂位置。可以看出,氢的聚集区域决定启裂部位,富氢区部位的变化导致裂纹走向的变化。
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  • 收稿日期:  2023-12-26

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