拉伸焊接残余应力（WRS）经常在关键部位（如焊趾）产生，这些应力会放大局部应力集中，增加疲劳裂纹萌生的风险。因此，这些应力对承受循环载荷的焊接部件的结构完整性构成了重大挑战。为了减轻拉伸WRS的负面影响，已经开发了几种焊接后处理技术，包括高频机械冲击（HFMI）[1]、超声波喷丸[2]、TIG修整[3]、磨削和铣削[4]。这些方法通过在焊趾处引入有益的压缩残余应力（RS）并改善焊缝几何形状，显著提高了疲劳性能。然而，这些技术的实施需要额外的加工步骤，增加了制造时间、劳动力需求和总体生产成本。因此，这些处理方法在常规工业实践中并不常用。
钢材中WRS的发展受到固态相变（SSPT）[5,6]的强烈影响。通过控制微观结构的马氏体起始温度（TMs），可以在焊接过程中减轻拉伸WRS，甚至将其转化为压缩应力。这是通过使用特殊设计的填充材料实现的，这些材料在冷却过程中会发生奥氏体到马氏体的转变。特别是，低转变温度（LTT）填充材料具有较低的TMs，使得相变诱导的塑性能够抵消热收缩应变，从而减少焊缝区域及其周围的拉伸WRS[7,8]。先前的研究[[9], [10], [11]]表明，LTT填充材料可以在不需要额外焊接后处理的情况下有效提高疲劳性能。此外，它们的应用还扩展到了与机械处理结合使用，以增强疲劳强度[12]，以及提高抗冷裂性[13]和减少焊接引起的变形[14]。
平面外角焊缝接头在钢结构中广泛使用，尤其是在桥梁应用中，因为它们能够适应复杂的载荷条件。然而，由于焊趾处的高拉伸WRS，这些接头容易发生疲劳损伤。为了解决这个问题，已经开发了各种焊接后处理技术来引入有益的压缩RS并提高疲劳抗力。例如，超声波冲击处理[15]、喷丸[16]、喷砂清洗[17]、冲击裂纹闭合修复处理[18]和感应加热[19]等方法已被证明可以通过改变RS状态来提高疲劳性能。此外，LTT焊接材料已成功应用于在角焊缝的焊趾处引入压缩WRS，从而提高了疲劳强度[[20], [21], [22]]。此外，还开发了一种结合LTT填充材料和优化焊缝几何形状的技术，通过促进有利的RS分布进一步延长了疲劳寿命[23,24]。
在服役过程中，角焊缝接头会受到不同应力比（R）的循环载荷，这会显著影响焊趾处及附近的RS重新分布。尽管认识到RS演变的重要性，但现有研究主要集中在疲劳强度评估上，对RS重新分布与载荷条件之间的相互作用关注较少。现有研究表明，较高的R值会降低疲劳寿命的改善效果[25]并改变裂纹闭合行为[26]，特别是在存在拉伸RS的情况下。此外，还发现HFMI处理在焊趾处诱导的压缩RS在循环载荷下会恶化，尤其是在较高峰值载荷水平下[27]。最近的研究[28,29]强调，在循环载荷下RS的演变在断裂力学分析和疲劳寿命预测中起着关键作用。与此同时，包括替代建模[30]、机器学习[31]、贝叶斯优化神经网络建模[32]和概率分布建模[33]在内的先进数据驱动方法越来越多地应用于疲劳裂纹传播和寿命评估。然而，对于不同R值如何影响压缩WRS的稳定性——特别是由LTT焊接金属在角焊缝中引入的压缩WRS的稳定性——仍缺乏全面理解。
大多数现有的有限研究主要集中在评估角焊缝的疲劳强度上，而只有少数研究考察了循环载荷下的RS状态，特别是在机械焊接后处理的背景下。尽管LTT焊接材料在焊趾处引入有益的压缩WRS方面显示出巨大潜力，但这些压缩应力在循环载荷下的稳定性（特别是在不同R值下）仍不够清楚。因此，本研究旨在通过详细的数值模拟阐明不同R值下焊趾处RS演变的基本机制。基于这一背景，并解决文献中的显著空白，本研究的新颖之处在于全面研究了不同R值对LTT焊接金属在焊趾处产生的压缩WRS稳定性的影响。
本研究旨在数值研究不同R值对平面外角焊缝接头焊趾处及附近RS重新分布的影响。首先，模拟了几种焊接情况——包括使用传统箱形焊缝的接头、使用LTT箱形焊缝的接头以及不同尺寸的LTT箱形焊缝的接头——以预测焊趾区域的WRS分布。尽管已证明延长的LTT焊缝珠会引入更高的压缩WRS[24]，但本研究仅考虑了LTT箱形焊缝，作为研究不同R值下LTT焊缝有效性的第一步。随后，在广泛的R值范围内进行了弹性-塑性有限元分析，以评估焊趾处的RS状态，明确考虑了不同焊接情况产生的WRS。还进行了排除WRS影响的额外应力分析，以进一步明确初始诱导的WRS在施加的R值下对RS重新分布的作用。
