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Nabara A, Mareau C, Morel F, et al. Fatigue strength of shot-peened thin welded joints in FB600 advanced high-strength steel: Experimental and numerical investigation[J]. International Journal of Fatigue, 2026, 212: 109751.
Nabara, Abdoul, et al. "Fatigue strength of shot-peened thin welded joints in FB600 advanced high-strength steel: Experimental and numerical investigation." International Journal of Fatigue 212 (2026): 109751. (): .
Nabara, A., Mareau, C., & Chini, M. R. (2026). Fatigue strength of shot-peened thin welded joints in FB600 advanced high-strength steel: Experimental and numerical investigation. International Journal of Fatigue, 212, 109751., .
背景简介
随着环境法规与燃油成本持续上升，汽车行业对车身结构轻量化的需求日益迫切。采用先进高强钢（Advanced High-Strength Steel，AHSS）并减薄构件厚度是一种有效途径，但焊接接头的存在严重制约了疲劳性能。研究表明，焊接钢结构的疲劳强度几乎不依赖于母材本身的力学性能，这使得AHSS的优势难以发挥。对此，对焊缝关键区域施加焊后处理成为提升疲劳性能的关键。喷丸作为一种成本效益高、易于工业实施的机械后处理方法，能够通过引入残余压应力和 加工硬化等机制有效提高疲劳强度。然而，与已建立设计指南的高频机械冲击（High-Frequency Mechanical Impact，HFMI）不同，喷丸处理目前仍缺乏标准化设计建议，限制了其在工程规范中的推广应用。
本研究以3.8 mm厚的铁素体-贝氏体（FB600）AHSS为对象，研究喷丸对双搭接焊接接头疲劳强度的提升效果，并重点解决残余应力与加工硬化二者贡献难以分离的难题。针对传统去应力退火会同时改变残余应力和加工硬化的局限，本研究结合可控热处理与预加载手段，配合疲劳试验和材料表征，实现了两种机制的独立评估。在此基础上，基于有限元分析建立了考虑喷丸影响的疲劳设计方法，以期为此类薄壁AHSS焊接结构的抗疲劳设计提供理论依据。
成果介绍
（1）喷丸处理对FB600高强钢薄壁双搭接焊接接头疲劳强度的提升效果显著，但受载荷比影响较大。如图1所示，当R=-1时，喷丸后106循环对应的疲劳强度由152 MPa提高至280 MPa，增幅约105%，且S-N曲线斜率由2.5变为5.2，表现出典型机械后处理的“平坦化”特征。而在R=0.1的拉-拉载荷下，相同寿命处的疲劳强度由123 MPa升至190 MPa，增幅约50%，低周区（105循环）增幅更降至15%。这是由于R=0.1下循环塑性导致残余压应力部分松弛，削弱了强化效益。
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图1 在R=-1和R=0.1时焊后未处理（As-Welded，AW）状态和喷丸（Shot Peening，SP）处理后接头的S-N曲线
（2）通过对比AW+SP、PL+SP、SP+PL、PL+SP+HT等多种后处理配置（其中，AW表示焊态，SP 表示喷丸处理后，PL表示预加载，HT表示热处理）的疲劳结果，研究成功分离了残余应力、加工硬化和表面粗糙度的独立贡献。如图2所示，SP+PL组（喷丸后预加载以松弛残余应力）的疲劳强度较PL+SP组（预加载后喷丸，保留完整残余应力）低约22%，而与PL+SP+HT组（热处理同时消除残余应力与加工硬化）几乎相当。同时，PL+SP+HT与AW+PL+HT（未喷丸仅消除焊接残余应力）的S-N曲线无明显差异。这表明残余压应力是喷丸强化的主导机制，而加工硬化和表面粗糙度变化的影响可忽略不计。
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图2 焊态和不同处理的接头在R=0.1时的S-N曲线：喷丸（AW+SP）、预加载后喷丸（AW+PL+SP）、喷丸后预加载（AW+SP+PL）、预加载+热处理（AW+PL+HT）、预加载、喷丸再热处理（AW+PL+SP+HT）
（3）焊接角变形是影响薄壁接头疲劳强度的重要因素，必须纳入评估。如图3所示，若不考虑角变形，不同配置的疲劳数据分散较大，平均相对误差约19%。在有限元模型中引入实测角变形（图4中预加载可将其从0.7°降至0.14°）后，预加载组与非预加载组的Dang Van等效应力数据分散度明显下降，误差降至15%。Dang Van等效应力同时考虑了剪切应力和静水应力，是一种多轴应力评估指标。进一步在非局部准则中叠加喷丸残余应力的平均化分布，如图5所示，所有载荷比（R=-1与0.1）及所有处理状态（AW、AW+SP、PL+SP、SP+PL等）的疲劳结果全部坍缩至一条设计主曲线，平均相对误差仅约11%。
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图3 针对不同构型获得的数值S-N曲线，以Dang Van等效应力表示为失效循环数的函数。在应用疲劳准则时，忽略残余应力，但考虑角变形
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图4 六种不同配置的平均角度偏差，以及相关的标准偏差
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图5 Dang Van等效应力和失效周次之间的关系。在应用疲劳准则时，同时考虑了残余应力和角度偏差
（4）基于上述发现，本研究建立了显式考虑残余应力与角变形的非局部Dang Van疲劳设计方法。该方法采用线性弹性有限元计算焊缝局部应力场，随后通过积分球（半径ρ=0.4 mm）进行体积平均，并按式（1）同时计入循环载荷、夹持引起的弯曲应力（角变形）及喷丸残余压应力（静水压分量）。经参数优化（α=0.33），所得主曲线的Stromeyer参数为m=1.56、σ'=99 MPa（图5实线）。该连续型框架替代了传统基于疲劳等级（如Eurocode 3）的离散分类方法，可直接用于不同载荷比与表面状态的薄壁AHSS焊接接头疲劳设计，并可推广至T型接头与十字接头。
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致谢
本研究是在“SGN项目”框架内开展的，并得到了IRT M2P研究所、ArcelorMittal公司及Stellantis公司的支持。作者衷心感谢IRT M2P团队（尤其是Florian Wagner）在焊接结构上进行喷丸处理所做的贡献。特别感谢ArcelorMittal的Rémi Munier和Pavel Kusakin提供本研究所用的FB600材料并完成双搭接接头的焊接。作者还进一步感谢Stellantis公司的Matteo Facchinetti在提出的疲劳设计方法的开发与实施方面所提供的宝贵专业知识与指导。本文第一作者和通讯作者：Abdoul Nabara（Arts et Métiers Institute of Technology）。
本期小编：罗凌颖 （整理）
董乃健 （校对）
程 航 （审核）
董乃健 （发布）
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