專利名稱：焊縫含中心裂紋受拉伸載荷對接接頭實現等承載的設計方法及k因子的應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種受拉伸載荷的對接接頭設計方法及K因子的應用，具體涉及一種 可使焊縫含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭按照母材承載能力承載的對接接頭設計方法 及焊縫區應力強度因子的應用方法，屬于焊接技術領域。
背景技術：
焊接結構作為一種特殊的連接方式廣泛應用于民用以及軍用生產設計等方面，尤 其對于現在的輕量化要求來說，高強材料被廣泛應用。對于焊接接頭來說，由于焊接過程的 作用，使得材料的性能發生很大的變化，接頭局部區域的常規力學性能以及斷裂韌度等性 能都大幅度下降。焊接缺陷不可避免，尤其對于高強鋼焊接結構來說，如果處理措施不當， 經常產生冷裂紋。再加上焊接殘余拉應力的存在，使得焊接結構經常發生低應力脆斷現象， 降低了焊接結構的承載能力，給人們的生產生活帶來嚴重的損失。對于不可避免缺陷且容 易產生低應力脆斷的焊接結構的問題處理，應該從斷裂力學的角度出發。斷裂力學有三個 斷裂參量應力強度因子K、J積分、裂紋尖端張開位移δ。對于不同的材料應該用不同的 斷裂參量進行評定，對于經常發生低應力脆斷的焊接結構，由于使其失效的應力遠低于材 料的屈服強度，此時應該用應力強度因子K來評定。針對焊接結構，尤其是高強鋼焊接結構的應用中經常出現的低應力脆斷現象，以 及焊接接頭中不可避免的存在焊接缺陷以及局部區域材料性能劣化的情況下，從斷裂力學 角度出發，就如何提高焊接結構的承載能力使得焊接結構能夠按照性能較好的母材的承載 能力進行設計，開展相應研究工作，具有現實意義。以往計算焊縫含裂紋接頭的應力強度因子時，為簡化計算，不考慮余高對其影響， 都按照有限寬板的應力強度因子進行計算。其實余高對焊縫含裂紋接頭的應力強度因子的 影響是不可忽略的。適當的余高可以減小焊縫含裂紋接頭的應力強度因子，對接頭的承載 能力是有利的，因此，就如何通過改變余高的形狀參數來提高接頭的承載能力使其能夠按 照母材金屬的承載能力承載，開展相應研究工作，具有現實意義。由于焊接所經歷特殊的熱過程，往往使得焊接接頭的局部區域性能裂紋，再加上 焊接殘余應力的影響，使得接頭的承載能力不如性能良好的母材金屬。對接接頭是一種應 用最普遍的接頭形式，而焊縫中心存在裂紋等缺陷的對接接頭又時常存在。因此采取有效 方法和措施來提高容易出現焊縫中心存在裂紋的對接接頭的承載能力使其能夠達到性能 良好的母材金屬的承載能力是完全有必要的。從可查資料來看，目前并無通過對接頭余高 的形狀參數進行設計使焊縫中存在中心裂紋的對接接頭按照母材的承載能力進行設計的 研究和報道。
發明內容
本發明的目的是提供一種焊縫含中心裂紋受拉伸載荷對接接頭實現等承載的設計方法及K因子的應用，以解決焊縫含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭承載能力低于母 材承載能力，且接頭容易出現低應力脆斷事故的問題；本發明還提出了根據焊縫區含中心 裂紋受拉伸載荷的應力強度因子表達式(焊縫區應力強度因子)，求出焊縫含中心裂紋對 接接頭受拉伸載荷時的臨界裂紋尺寸、臨界應力以及承受疲勞載荷時的剩余壽命等重要參 數，解決了對服役的含中心裂紋對接接頭的可靠性進行評估的問題。本發明所述的焊縫含中心裂紋受拉伸載荷對接接頭實現等承載的設計方法是可 使焊縫含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭按性能良好的母材承載能力承載的對接接頭設 計方法；本發明所述“K因子”是指焊縫區應力強度因子。本發明的設計構思本發明申請主要從應力強度因子K角度進行考慮的。為提 高含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭的承載能力，使其達到與性能良好的母材金屬承載能 力相等。對于焊縫存在中心裂紋和母材中也存在裂紋的情況，應使焊縫與母材的應力強度 因子之比與焊縫和母材金屬的斷裂韌度之比相等，這樣就能使焊縫中的裂紋不先于母材中 的裂紋失穩擴展，以保證受拉伸載荷的對接接頭含中心裂紋焊縫不先于含裂紋母材發生破 壞。對于焊縫存在中心裂紋，而母材無缺陷的情況，應使焊縫中裂紋發生失穩擴展的臨界應 力不低于母材金屬的抗拉強度，以保證受拉伸載荷的對接接頭含中心裂紋焊縫不先于無缺 陷的母材發生破壞。以上是從靜載承載方面保證焊縫含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭的承載能力 不低于母材的承載能力。若焊縫含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭承受疲勞載荷時，要保 證其接頭的疲勞承載能力不低于母材，應提高疲勞承載能力薄弱的焊趾區域的承載能力， 因此，可以通過機械加工或者其它手段使得焊趾處存在一定的圓弧過渡減少其應力集中系 數，進而提高接頭的疲勞承載能力。根據這個接頭設計思想及實現條件，進行含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭等承 載設計的具體思路為首先使接頭焊趾處存在一定的圓弧過渡，減小其應力集中系數進而保 證其疲勞承載能力，然后研究接頭形狀參數對含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭應力強度 因子的影響規律，建立接頭形狀參數與含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭應力強度因子的 關系方程。對于焊縫存在中心裂紋和母材中也存在裂紋的情況，根據確立的接頭形狀參數 與含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭應力強度因子的關系方程確定滿足相應等承載條件 所需的接頭幾何參數，即可保證受拉伸載荷含中心裂紋的焊縫不先于含裂紋的母材破壞。 對于焊縫存在中心裂紋，而母材無缺陷的情況，根據確立的接頭形狀參數與含中心裂紋受 拉伸載荷的對接接頭應力強度因子的關系方程確定滿足使焊縫中裂紋發生失穩擴展的臨 界應力等于母材金屬抗拉強度所需要的接頭形狀參數，即可保證受拉伸載荷含中心裂紋的 焊縫不先于無缺陷的母材破壞。該接頭設計的原理是，通過一定的余高參與承載，降低焊縫部位裂紋尖端附近的 應力，進而降低焊縫含裂紋處的應力強度因子，提高焊縫含裂紋受拉伸載荷的對接接頭的 承載能力，另外，通過在焊趾處設計一定的圓弧過渡來降低該處的應力集中系數，進而提高 接頭的疲勞承載能力。這樣就通過接頭設計使受拉伸載荷的接頭的承載薄弱區由含中心裂 紋的焊縫向母材轉移，使受拉伸載荷的含中心裂紋的焊接結構可按照母材承載能力設計。本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是技術方案一本發明所述焊縫含中心裂紋受拉伸載荷對接接頭實現等承載的設計方法是基于焊縫與母材中的應力強度因子之比與焊縫和母材金屬的斷裂韌度之比相等、降 低焊趾應力集中系數來實現等承載的；根據承載特點，對接接頭的焊縫形狀確定為余高與 母材之間采用簡單的圓弧曲線過渡的焊縫形狀；所述對接接頭設計方法為
步驟一、確定滿足焊縫區與母材都存在裂紋時的等承載條件
權利要求
式中，t為板厚一半、σ為外加載荷、a為焊縫中心裂紋尺寸的一半、h為焊縫余高、w為 蓋面焊道總寬度的一半、r為焊趾處的圓弧過渡半徑；步驟六、確定焊趾圓弧過渡半徑r 對接接頭焊趾半徑r的大小依據現有機械加工條件 確定，選擇較大的砂輪半徑或者焊趾成形半徑，以獲得較小的焊趾應力集中系數；這里所述 砂輪半徑或者焊趾成形半徑即為焊趾處的圓弧過渡半徑r ；步驟七、確定等承載接頭的蓋面焊道總寬度的一半w與焊縫余高h的關系將已知參數 板厚一半t、外加載荷ο、焊縫中心裂紋尺寸一半a以及焊趾處的圓弧過渡半徑r帶入步驟 五確定的焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的K因子表達式中，并使其等于步驟四所 求得的滿足焊縫區與母材都存在裂紋時等承載所需的K/，可求出蓋面焊道總寬度的一半w 與焊縫余高h的關系，即w = nh ； (4)步驟八、確定等承載接頭的焊縫余高h 將步驟六確定的焊趾處的圓弧過渡半徑r與式 (4)代入接頭一側的余高面積公式(5)，求出滿足余高面積S最小的余高h，即為最終滿足要 求的焊縫余高h ；
1. 一種焊縫含中心裂紋受拉伸載荷對接接頭實現等承載的設計方法，其特征在于所 述對接接頭設計方法是基于焊縫與母材中的應力強度因子之比與焊縫和母材金屬的斷裂 韌度之比相等、降低焊趾應力集中系數來實現等承載的；根據承載特點，對接接頭的焊縫形 狀確定為余高與母材之間采用簡單的圓弧曲線過渡的焊縫形狀；所述對接接頭設計方法 為步驟一、確定滿足焊縫區與母材都存在裂紋時的等承載條件
2 —r2、arccos其中2harccosR + r-h 、R + r , 'R + r-h、5R + re0.^ I 2步驟九、確定等承載接頭的蓋面焊道總寬度的一半W :把步驟八確定的等承載焊縫余 高h代入步驟七確定的式中求出等承載接頭蓋面焊道總寬度的一半W;步驟十、根據步驟六確定的焊趾處的圓弧過渡半徑r、步驟八確定的焊縫余高h以及步 驟九確定的蓋面焊道總寬度的一半w這些焊縫幾何參數值即可獲得焊縫含中心裂紋且母 材也存在裂紋的對接接頭受拉伸載荷時滿足和母材等承載所需的焊縫形狀。2.根據權利要求1所述的焊縫含中心裂紋受拉伸載荷對接接頭實現等承載的設計方 法，其特征在于所述方法中母材上的裂紋位于蓋面焊道總寬度之外的任何部位。
3.一種焊縫含中心裂紋受拉伸載荷對接接頭實現等承載的設計方法，其特征在于所 述焊縫形狀設計方法是基于焊縫中裂紋失穩擴展的臨界應力與母材的抗拉強度相等、降低 焊趾應力集中系數來實現等承載的；根據承載特點，對接接頭的焊縫形狀確定為余高與母 材之間采用簡單的圓弧曲線過渡的焊縫形狀；所述對接接頭設計方法為步驟一、確定滿足焊縫區存在裂紋而母材無缺陷時的等承載條件(6)其中，為焊縫金屬的臨界應力，0bb為母材金屬的抗拉強度； 步驟二、獲得母材金屬的抗拉強度obb設計板形拉伸試樣，測試母材的拉伸性能，取 至少三個試樣的平均值，得到母材金屬的抗拉強度；步驟三、求得焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的K因子K/的表達式K；=1 + 1.77633-hh + texpwIhwrh + t {w2+h2){h + i-0.49536 ⑷ +0.66789· +0.75115^j(t + h)2-a:(3)式中，t為板厚一半、σ為外加載荷、a為焊縫中心裂紋尺寸的一半、h為焊縫余高、w為 蓋面焊道總寬度的一半、r為焊趾處的圓弧過渡半徑；步驟四、確定焊縫金屬的臨界應力ο。w與接頭形狀參數以及接頭尺寸之間的關系根 據步驟三確定的焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的K因子表達式，求出焊縫金屬的 臨界應力與接頭形狀參數以及接頭尺寸之間的關系式；KIc1 + 1.77633hh + texpwIhwrh + t (w2+h2){h + ifhYh-0.49536 y +0.66789^ + 0.751157V—)2-a式中，KICW為焊縫金屬的斷裂韌度，t為板厚一半、a為焊縫中心裂紋尺寸的一半、h為 焊縫余高、w為蓋面焊道總寬度的一半、r為焊趾處的圓弧過渡半徑；步驟五、獲得焊縫熔敷金屬的斷裂韌度K1J設計斷裂韌度試樣，測試焊縫熔敷金屬的斷 裂韌度；步驟六、確定焊趾圓弧過渡半徑r 對接接頭焊趾半徑r的大小依據現有機械加工條件 確定，選擇較大的砂輪半徑或者焊趾成形半徑，以獲得較小的焊趾應力集中系數；這里所述 砂輪半徑或者焊趾成形半徑即為焊趾處的圓弧過渡半徑r ；步驟七、確定等承載接頭的蓋面焊道總寬度的一半w與焊縫余高h的關系當板厚一半 t、焊縫中心裂紋尺寸一半a、步驟六確定的焊趾處的圓弧過渡半徑r已知以及步驟五確定 的焊縫熔敷金屬的斷裂韌度Krew已知時，帶入步驟四確定的焊縫金屬的臨界應力與接頭形 狀參數以及接頭尺寸之間的關系式，并結合步驟一給出的焊縫區存在裂紋而母材無缺陷時 的等承載條件以及步驟二確定的母材金屬的抗拉強度ο ^可求出蓋面焊道總寬度的一半w 與焊縫余高h的關系， 即 w = nh (4)步驟八、確定等承載焊縫余高h 把步驟六確定的焊趾處的圓弧過渡半徑r與步驟七確 定的等承載接頭w與h的關系w = nh代入接頭一側的余高面積公式
4. 一種權利要求1或權利要求3所述的焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的K因 子的應用方法，其特征在于所述焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的K因子用來確 定焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的臨界裂紋尺寸^；具體步驟如下步驟一、測量焊縫材料的斷裂韌度Kk ；步驟二、利用焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的K因子公式，建立計算焊縫含 中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的臨界裂紋尺寸^與接頭形狀參數的關系式
5. 一種權利要求1或權利要求3所述的焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的K因 子的應用方法，其特征在于所述焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的K因子用來確 定焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的剩余壽命Nf ； 具體步驟如下步驟一、按照權利要求4求出焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的裂紋失穩擴展 的臨界裂紋尺寸^，計算時工作載荷ο選擇最大應力；步驟二、對于η為不同情況，根據式(10)和(11)可求出焊縫含中心裂紋對接接頭受拉 伸載荷時的接頭剩余壽命Nf ；其中為初始裂紋尺寸的一半；A和η為材料固有參數，Δ σ 為常量；n≠2時，
6. 一種權利要求1或權利要求3所述的焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的K因 子的應用方法，其特征在于所述焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的K因子用來確 定焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的J積分和裂紋尖端張開位移δ ； 具體步驟如下步驟一、根據式(1 求出焊縫含中心裂紋對接接頭受拉伸載荷時的裂紋尖端張開位 移δ
全文摘要
焊縫含中心裂紋受拉伸載荷對接接頭實現等承載的設計方法及K因子的應用，屬于焊接領域，為了解決含中心裂紋受拉伸載荷的對接接頭承載能力低于母材的問題。對于焊縫含中心裂紋母材也存在裂紋的受拉伸載荷接頭確定等承載條件、焊縫金屬與母材金屬的斷裂韌度、求母材區的應力強度因子、滿足等承載的焊縫區應力強度因子、求應力強度因子公式、獲所焊縫幾何參數值。對于焊縫含中心裂紋而母材無缺陷受拉伸載荷接頭確定等承載條件、母材金屬的抗拉強度、求應力強度因子公式、確定臨界應力關系式、焊縫金屬的斷裂韌度、獲焊縫幾何參數值。應用焊縫區應力強度因子求含中心裂紋受拉伸載荷接頭的臨界裂紋尺寸、臨界應力及接頭剩余壽命。本發明適用于雙面施焊的平板對接接頭。
文檔編號G06F17/50GK102136018SQ20111006467
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月17日 優先權日2011年3月17日
發明者劉雪松, 方坤, 方洪淵, 楊建國, 王濤, 董志波, 馬子齊 申請人:哈爾濱工業大學