文 |虚浮記憶
编辑 | 虚浮記憶
引言近年来，焊接技术在工程领域得到广泛应用，然而，焊接点的疲劳损伤，对结构的安全性造成了重大威胁，为了更好地理解焊接点试样的疲劳损伤机制，以及应力集中对结构安全性的影响，科研人员进行了深入的研究，并通过数值分析和实验验证，来探索解决方案。
焊接点试样疲劳破坏模式的数值分析和验证
焊接两张钢板时，焊点的形状会导致周围产生高应力集中，这些应力会在循环载荷下，引起裂纹的产生和扩展，最终导致钢板或焊点的破裂，因此，钢板的开裂和焊点的剪切，是焊接点疲劳损伤的两种主要模式。
为了能更好地理解焊接点试样的疲劳损伤，科研人员通过模拟焊接过程和计算结构中的应力，来分析不同受拉力和剪切力作用下试样的破裂情况。
研究中考虑了焊接点直径、钢板界面和缺口形状等几何参数，并使用有限元软件FEMAP-NASTRAN计算了应力分布，通过这些分析，科研人员可以更好地了解焊接点试样中，应力的分布情况。
数值模型的焊接试样 2.1 几何模型，几何模型中的试管，由两个尺寸为124×30毫米的薄板组成，两张薄板之间有一个长度为38毫米的连接部分，为了定位两张薄板接触面上的拉伸剪切应力，使用两个尺寸为38×30毫米的矩形楔形块。
这两张薄板和楔形块通过电阻焊接工艺，产生的焊点连接在一起，为了确定焊点内的正应力和剪切应力分布，科研人员通过有限元分析对试样进行了三维分析，科研人员的目标是尝试将常见的两种疲劳破坏模式，与拉伸-剪切应力产生的应力值相联系。
其中一种疲劳机制是薄板首先在厚度方向上发生裂纹，然后横向传播，另一种机制是焊点熔化芯的横向剪切，在整个研究中，科研人员使用的正交参考系如下图所示，由于试管具有对称加载平面，因此科研人员只对试管的一半进行了建模。
为了减少计算时间，科研人员使用了高质量的网格，来对焊点附近的底部缺口进行建模，试管的上部受到均匀拉伸应力40 MPa 的作用，而下部被固定住，科研人员使用了FEMAP-NASTRAN软件进行计算。
采用了钢材的弹性力学性能参数，杨氏模量为210,000 MPa，泊松比为0.3，试样经受着拉伸-剪切应力，也就是试管上部施加的均匀拉伸，应力为40 MPa，这种应力相当于试管上，承受的拉力为6000 N。
科研人员在材料呈纯弹性行为的情况下进行计算，但实际上，底部缺口的尖锐度和材料的弹塑性行为，会导致局部塑性，试样的破裂取决于两种竞争破裂模式的优势，焊接条件和应力水平，可能会更有利于其中一种模式，解释了为什么其中一种模式，比另一种更容易导致破裂。
下图展示了两个类似的试样，一个是由于一张薄板开裂导致破裂，另一个是由于焊点剪切导致破裂，根据使用的试样形状，科研人员进行了三维建模研究，因此需要使用体积元素。
模型在半宽度方向上有16个单元，在厚度方向上有34个单元，在焊点熔化芯和两个薄板的圆角连接处，也就是应力集中区域，科研人员选择了一个更密集的网格，以获得更准确的结果。
为了研究网格的收敛性，科研人员使用了几种不同尺寸的单元进行初步实验，科研人员选择了最终的网格，使得单元的大小不再对约束计算结果产生影响，为了比较不同类型网格的结果，科研人员选择了两个特定的区域进行对比。
这些区域包含了焊点两种疲劳破坏模式的起点，并在下图中做了定义。这两个区域都位于试件的对称平面上。第一个区域是AB线段，位于两个连接板的内表面；其中点A位于上层板上，也就是受到拉力作用的一侧。第二个区域是以中心点O为中心的熔核的垂直直径CD。
下图展示了试件焊点，沿着垂直直径CD位置处的正应力σ33，随着四种不同网格的变化情况，这四种网格分别对应的斜角，平均网格宽度为0.0754毫米、0.0546毫米、0.0336毫米和0.0294毫米。
在下图中，CD和AB表示试件上的两个维度，它们与整体参考系中的z维度相反，根据这个关系，点A、B、C和D在图中的X坐标分别为-15、+15、-4和+4，观察下图，可以发现当网格尺寸为492,192个单元和524,064个单元时，正应力σ33的变化趋势变得混乱不清。
为了更清楚地展示结果，科研人员在下图中，展示了最后两种网格尺寸的计算结果，这两条曲线，显示了应力计算结果的收敛性，因此，科研人员选择了包含492,192个单元的网格，进行接下来的有限元计算。
从最后两个网格的结果来看，科研人员可以观察到AB上的正应力σ33的变化趋势非常相似，这意味着计算结果是趋于一致的，基于这个原因，科研人员选择了包含492,192个单元的网格进行接下来的计算。
应力集中对结构安全性的影响
当结构的几何形状，在受到单调或循环加载发生局部变化时，会导致应力场在某些地方比其正常值高很多，任何突然的横截面变化都会在局部放大应力，这通常导致结构在安全性方面，变得非常脆弱。
例如在一个由两片薄板焊接而成，受到单轴张力的试管中，力线会集中在连接焊点和两片薄板的角处，这会大幅增加该处的应力强度，应力集中的影响，对于承受变动载荷时的疲劳强度非常重要。
所以在应力集中的区域，分析应力分布非常关键，可以通过比较应力水平，来确定疲劳裂纹初始位置，以及其危险程度，上图显示了在6000N的拉伸应力下，变形试样的形状，焊接点对称平面上法向应力σ33的分布，以及焊接点对称平面上切应力σ23的分布。
上图展示了“焊接点”试样，在受到剪切拉伸应力时的行为，包括试样的变形情况、焊接点对称平面上法向应力σ33的分布，以及切应力σ23的分布，AB和CD两个部分被认为是研究和比较受拉伸-剪切载荷下，焊接点内应力的理想位置，因为它们包含了约束最大的区域。
在波形加载的情况下，这些区域是应力幅值最大的地方，也是最容易疲劳损坏的关键区域，因此，科研人员需要特别关注这些区域的应力分布情况，在对材料板上焊点熔核的观察中发现，不论使用相似的焊接条件和协议进行测试，切口底部和板材之间的界面形状都变化很大。
拉达吉和桑西诺指出，切口底部的形状会随着焊接条件的不同而变化，并且在整个焊点周围并不一致或相同，试样几何形状在焊点区域的变化可能对相同条件下试样寿命的差异有重要影响。
为了理解这一现象并尝试解释观察到的两种破坏模式，科研人员将分析可能对试样机械性能产生影响的参数，这些参数包括熔核直径D、板材之间的距离d，以及两张板上熔核圆角的半径R。
科研人员进行了一项参数研究，并且所有的计算都基于弹性假设，为了方便比较，科研人员对每个样本施加了6000 N的拉剪力， 焊接点AB段和直径CD上的应力分布和三轴应力情况。
科研人员首次确定，并展示了沿着两个比较段的应力性质和分布，下图 展示了上层材料AB段的应力张量的六个分量的变化情况，以及相同加载条件下直径CD上的应力变化情况。
在切口底部与熔核周围的区域，由于局部形状和试样加载方式的原因，科研人员可以清楚地看到应力峰值的出现，这是因为这个区域产生了应力集中，约束的分量σ33和σ23起主导作用，它们是对焊点机械强度最具影响力的约束分量，因此科研人员将重点进行数值研究。
试样的切口底部和板材界面的变化可能会起到重要作用，这解释了测试样本寿命结果的差异，为了理解它们对材料两种疲劳失效模式的影响，科研人员进行了参数敏感性分析，科研人员关注的参数包括熔核直径D、板材之间的距离d，以及切口底部的半径R。
科研人员将改变这些参数，并分析它们对AB段和CD段应力分布的影响，通过对直径为5、8或10毫米的焊接点熔核进行测试，科研人员可以观察到以下结果，下图显示了焊接点熔核直径对正应力σ33和剪应力σ23分布的影响。
下图中展示了当焊接点熔核直径为不同值时，段AB上正应力σ33的分布情况，b展示了当焊接点熔核直径为不同值时，段AB上剪应力σ23的分布情况，这项研究发现，焊接点熔核直径减小会导致应力σ33和σ23增加，是因为在恒定的拉力作用下，这种变化是合理的。
从该研究中还可以得出两个重要结论，焊接点核心直径减小时，切向应力σ23在焊接点直径CD上比法向应力σ33更为显著，这解释了当观察到剪切断裂时，熔核中心出现这种破坏模式的原因，σ23max与σ33max之间的比值约为1.4。
而位于薄板内部面的AB段上，法向应力σ33明显优于切向应力σ23，因此，当疲劳破坏发生在AB段时，薄板的开裂是有道理的，直径CD和AB段上的开裂机制是不同的，这两种破坏模式在竞争中，一种是在直径CD上的剪切断裂，另一种是在薄板内部面上的开裂。
它们各自的裂纹扩展速率，最终导致其中一种破坏模式占主导地位，需要指出的是，当焊点发生剪切破裂时，一般会在至少一个或两个焊接点连接的薄板中，观察到裂纹的存在，相反的情况较难观察，但这在一些研究之中，已经有相关实验证明。
两片板材之间的界面对应力的影响，随着两片板材之间界面不同，正应力σ33和剪应力σ23如何变化，在研究中，科研人员选择了焊接点熔核直径为8毫米，并且切口底部是一个半径为界面一半的圆形。
科研人员测试了不同界面厚度的点焊试样，分别为0.10毫米、0.15毫米和0.20毫米，计算出的应力σ33和σ23分布，分别在直径CD和段AB上进行了绘制，对于焊接点熔核直径CD，科研人员可以看到不同界面厚度导致的应力分布差异。
在段AB上，不同界面厚度也会引起不同的应力分布，在下图不同界面厚度下，直径CD上正应力σ33的分布，b 不同界面厚度下，直径CD上剪应力σ23的分布，从这个表格中科研人员可以得出一个观察结果，当两片板材之间的界面变小时，应力水平会增加。
与0.2毫米界面相比，0.1毫米界面导致的剪应力σ23的增加更显著，而最大法向应力σ33的增加较小。在直径CD和段AB上，σ23的增加比例分别为1.38和1.63，而σ33的增加比例分别为1.13和1.42。
在直径CD上，切向应力始终比法向应力更高，当界面变小时，这种差距更明显，在段AB上，法向应力相对于切向应力更为重要，当界面变小时，这种重要性也减弱了，当界面厚度为0.20毫米时，σ33和σ23之间的比值为2.46，当界面厚度为0.10毫米时，该比值为2。
通过对一种点焊接的拉伸-剪切试样进行建模和计算，可以确定试样中压力最大的关键区域，其中有两个主要受力区域，第一个区域是焊接点熔核右侧的钢板，承受广泛的拉力，第二个区域非常靠近与拉力方向平行的焊接点熔核底部，主要承受剪切力。
建立的模型和计算结果与实际实验结果非常吻合，科研人员还对几何参数进行了研究，发现在使用特定焊接参数的批量试样中，存在一定程度的差异，其中焊接点的直径、两个钢板之间的平均距离，以及切口底部的形状对应力计算的敏感性，进行了数值评估。
在试管的关键区域中，观察到了最大约束力的明显差异，研究结果说明了试管寿命实验结果的差异，虽然冶金风险也起到了一定作用，但与试管的力学要求区域相比，冶金风险的影响较小。
需要注意的是，承受最大力的区域，也是热应力影响最大的区域，因此会导致相位和微观结构发生强烈变化，将关键区域中的约束水平，与试管的疲劳寿命联系起来是非常有意义的，在关键区域中的应力梯度起到重要作用外。
第二个因素使得使用约束方法，来估计寿命变得更加复杂，这个因素涉及对最受力区域中新微观结构的疲劳性能进行表征，而这些微观结构与试管的基本钢板材料完全不同。
结语
焊接点试样的疲劳破坏模式，及应力集中对结构安全性的科技研究，为人们认识焊接结构的强度和耐久性，提供了重要的指导，通过数值分析和实验验证，人们可以更好地理解焊接点试样中应力的分布情况，从而优化焊接结构的设计，并提高结构的安全性，这一研究必将推动焊接技术的发展，并在实际工程中产生积极的影响。
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