CN103143853B - 低匹配对接接头达到与母材等弯曲承载的接头形状设计方法 - Google Patents

Abstract

低匹配对接接头达到与母材等弯曲承载的接头形状设计方法，涉及一种对接接头设计方法。本发明的方法如下：步骤一、计算低匹配接头屈服强度匹配比 ；步骤二、通过材料力学公式，根据等弯曲承载条件计算得到焊缝余高高度 h ；步骤三、确定盖面焊道半宽 w ；步骤四、确定焊趾半径 r ；步骤五、根据所求出的焊缝余高高度 h 、 盖面焊道半宽 w 和焊趾半径 r ，获得等弯曲承载所需的低匹配接头几何形状参数。本发明适用于 X 形坡口双面施焊的低匹配平板对接接头。本发明使高强钢的焊接结构可以采用低匹配的接头组配形式。高强钢焊接采用低匹配焊接接头不但可以保证弯曲承载能力不低于母材，而且塑韧性较等匹配焊接接头相比有显著的提高。

Description

低匹配对接接头达到与母材等弯曲承载的接头形状设计方法

技术领域

本发明涉及一种对接接头设计方法，具体涉及一种可使低匹配对接接头达到与母材等弯曲承载的接头设计方法。

背景技术

高强钢焊接时，如果按照“等匹配原则”进行焊接材料的选择，则容易出现焊接冷裂纹、热影响区的软化及脆化以及焊缝韧性储备不足等现象，这些问题都将导致高强钢母材的优异性能得不到充分发挥。另外，可供选择用于高强钢焊接的焊接材料种类有限，工艺性能不佳，增加了获得高质量焊接接头的难度。

单从调整钢材的化学成分的角度很难完全解决这些问题。针对高强钢接头冷裂纹的突出问题，目前主要有两种控制措施，一种是焊前预热和焊后热处理等措施，但预热会使焊接热影响区韧性降低，加剧热影响区的软化和脆化现象，而且预热和焊后热处理会恶化工人的工作环境。另一种是研发专用抗裂焊材，这不但加大了资金的投入，而且也需要较长的周期。若能在不预热条件下进行焊接，对简化焊接工艺、提高焊接接头性能和改善劳动条件均具有重要意义。

通过实验证明，选用强度低于母材且塑韧性较高的焊接填充材料进行高强钢焊接，即采用高强钢低匹配接头，既可以降低焊前预热温度甚至不预热焊接，而且还可以达到降低冷裂纹倾向、提高焊缝韧性的目的。然而最突出的缺点，低匹配接头达不到母材或等匹配接头的承载能力，即低匹配接头承载能力不足。低匹配接头目前主要应用于受压载荷的结构，较少应用于承受拉伸与弯曲载荷的情况。

综上所述，针对高强钢等强施焊会造成焊缝韧性储备不足、产生冷裂纹等问题，采用低匹配焊接材料施焊可以有效地解决以上问题。但低匹配接头承载能力较低，迄今为止已有从几何形状设计的角度降低接头危险部位的应力集中程度来提高高强钢低匹配接头的静载拉伸与疲劳承载能力方面的相关研究。目前从可查到的资料来看，尚无从提高低匹配接头弯曲承载能力角度开展相关研究的报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种使低匹配对接接头与母材具有相等弯曲承载能力的对接接头设计方法，以解决低匹配对接接头弯曲承载能力低于母材或等强以上匹配接头的问题。

本发明的设计构思：使低匹配接头达到母材的弯曲承载能力，即为“等弯曲承载”。以使低匹配接头屈服时施加的弯曲载荷不低于使母材发生屈服时的弯曲载荷（即低匹配接头不先于母材发生屈服），同时低匹配焊缝屈服时的挠度低于母材屈服时的挠度为判据，按照“等弯曲承载”设计思想进行接头设计，应当满足低匹配对接接头焊缝底部中心部位（图1中A点）弯曲应力集中系数与低匹配接头屈服强度匹配比相等且焊趾部位（图1中B点）应力集中系数最小化的“等弯曲承载”为实现条件。根据这个接头设计思想及实现条件对接头的几何形状进行设计，确定接头几何形状参数对焊缝底部中心部位及焊趾部位应力集中系数的影响，建立接头几何形状参数与应力集中系数的关系方程，再根据不同匹配比及等弯曲承载条件来确定合适的接头几何形状参数(如图3)。

该接头设计原理为：借助于接头几何形状参数设计能够调整接头内部的弯曲应力应变分布，降低焊缝底部中心部位及焊趾部位弯曲承载薄弱区的应力集中程度，从而使低强焊缝区的弯曲承载能力提高，接头设计在一定程度上使低匹配接头的弯曲承载薄弱区由焊缝向母材转移，使焊接结构可按照母材强度进行设计。

本发明的技术方案：

所述的低匹配等弯曲承载接头设计方法为：

步骤一、确定低匹配接头屈服强度匹配比                                               （焊缝熔敷金属屈服强度与母材屈服强度的比值）；即：

                                 (1)；

 步骤二、通过材料力学公式，根据等弯曲承载条件计算得到焊缝余高高度h，为了尽量节省焊接材料和结构空间，焊缝余高高度h应取最小值，公式为：

                                 (2)；

式中，t为半板厚；

步骤三、确定盖面焊道半宽w：

通过分析计算得出焊缝底部中心部位A点的应力集中系数与焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w及半板厚t之间的关系方程：

                       (3)；

按照正应力计算：

                  (4)；

                  (5)；

                   (6)；

按照等效Von Mises应力计算：

                    (7)；

                   (8)；

                     (9)；

根据等弯曲承载条件，将公式（2）代入公式（3）、（4）、（5）和（6），按照正应力计算确定达到与母材“等弯曲承载”的盖面焊道半宽w。

根据等弯曲承载条件，将公式（2）代入公式（3）、（7）、（8）和（9），按照等效Von Mises应力计算确定达到与母材“等弯曲承载”的盖面焊道半宽w。

步骤四、焊趾半径r的求值过程：

方案一：通过分析计算得出焊趾部位B点的应力集中系数与焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w、焊趾半径r及半板厚t之间的关系方程：

                               (10)；

按照正应力计算：

                   (11)；

                      (12)；

          (13)；

按照等效Von Mises应力计算：

                  (14)；

                  (15)；

          (16)；

    结合步骤二和步骤三，将所求出的焊缝余高高度h和盖面焊道半宽w代入公式（10）、（11）、（12）和（13），以焊趾部位应力集中系数1.15以内为焊趾应力集中最小化设计标准，按照正应力计算可以得到焊趾半径r。

结合步骤二和步骤三，将所求出的焊缝余高高度h和盖面焊道半宽w代入公式（10）、（14）、（15）和（16），以焊趾部位应力集中系数1.15以内为焊趾应力集中最小化设计标准，按照等效Von Mises应力计算可以得到焊趾半径r。

方案二：实际生产加工中尽量选择适当半径的砂轮对焊趾部位进行打磨，以降低焊趾部位的应力集中系数；这里所说的砂轮半径即为焊趾半径r。

步骤五、根据所求出的焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w和焊趾半径r可以获得等弯曲承载所需的低匹配接头几何形状参数。

实现本发明的前提：对平板开X形坡口，坡口的角度为60o，坡口间隙2mm，钝边高度2mm。双面焊接，在普通焊缝的基础上向上和两侧堆焊足够高度和宽度的焊道（图4）。通过机械加工获得达到“等弯曲承载”的接头几何形状。确定焊缝余高高度h和盖面焊道半宽w后，对焊趾部位进行打磨，获得所需的焊趾半径r，且焊缝表面粗糙度应达到3.2以上。本发明所述设计方法和公式适用于屈服强度匹配比在0.5~1.0之间的、双面施焊的平板对接接头，不适用于单侧施焊的平板对接接头。

本发明适用于X形坡口双面施焊的低匹配平板对接接头。本发明使高强钢的焊接结构可以采用低匹配的接头组配形式。高强钢焊接采用低匹配焊接接头不但可以保证弯曲承载能力不低于母材，而且塑韧性较等匹配焊接接头相比有显著的提高。

本发明的具体有益效果表现在以下几个方面：

（1）对高强钢的焊接，可采用普通低强焊材进行焊接，降低了预热温度甚至不用预热，改善工作环境的同时，节约了生产成本。

（2）虽然低强焊缝的弯曲承载能力不足，但利用余高参与承载，调整了焊缝的应力分布，使低强焊缝不先于高强钢母材屈服，增大焊缝的弯曲承载能力，使焊接结构可以按照高强母材的强度进行设计。

（3）本发明采用低匹配焊缝，减少了焊缝区淬硬组织的存在，降低了焊缝产生冷裂纹的倾向，同时使低匹配对接接头的弯曲承载能力不低于母材、且韧性高于高强钢母材。

    （4）在板厚和特定匹配比的条件下，可以直接通过公式计算确定“等弯曲承载”所需要的接头几何形状参数。同时，高强钢的焊接结构设计可以用韧性较好、弯曲承载能力不低于高强钢母材的低匹配接头进行设计，具有良好的工程应用意义。

附图说明

图1是各危险部位的示意图，分别是焊缝底部中心部位（A）、焊趾部位（B）；

图2表示的是余高与母材之间的圆弧过渡方式（三圆相切）；

图3是X形坡口对接接头几何形状参数示意图；

图4为等承载接头的焊接顺序示意图。

具体实施方式

    具体实施方式一：本实施方式所说的可使低匹配对接接头按母材强度承载的接头设计方法是基于焊缝底部中心应力集中系数与低匹配接头屈服强度匹配比相等、尽量降低焊趾应力集中系数来实现“等弯曲承载”的；如图2所示，为了降低焊趾部位的应力集中，余高与母材之间用圆弧曲线这种过渡形式。焊缝的形状设计方法为：

步骤一、计算低匹配接头屈服强度匹配比（焊缝熔敷金属屈服强度与母材屈服强度的比值）：

               (1)；

按照拉伸标准设计圆棒形拉伸试样，测试母材和焊缝熔敷金属的屈服强度，取三个试样的平均值，得到低匹配接头屈服强度的匹配比。

步骤二、通过材料力学公式，根据等弯曲承载条件计算得到焊缝余高高度h，为了尽量节省焊接材料和结构空间，焊缝余高高度h应取最小值，公式为：

                               (2)；

式中的t为半板厚。

步骤三、确定盖面焊道半宽w：

通过分析计算得出焊缝底部中心部位A点的应力集中系数与焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w及半板厚t之间的关系方程：

                       (3)；

按照正应力计算：

                    (4)；

                   (5)；

                    (6)；

根据等弯曲承载条件，将公式（2）代入公式（3）、（4）、（5）和（6），按照正应力计算确定达到与母材“等弯曲承载”的盖面焊道半宽w。

步骤四、焊趾半径r的求值过程：

通过分析计算得出焊趾部位B点的应力集中系数与焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w、焊趾半径r及半板厚t之间的关系方程：

                               (10)；

按照正应力计算：

                  (11)；

                  (12)；

         (13)；

结合步骤二和步骤三，将所求出的焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w代入公式（10）、（11）、（12）和（13），以焊趾部位应力集中系数1.15以内为焊趾应力集中最小化设计标准，按照正应力计算可以得到焊趾半径r。

步骤五、根据所求出的焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w和焊趾半径r可以获得等弯曲承载所需的低匹配接头几何形状参数。

用本实施方式所述的方法获得的对接接头的焊缝形状为如图3所示的形状。余高与母材之间的过渡方式为三圆相切的圆弧曲线，其中余高圆弧半径R可以根据图2求得，由勾股定理确定：。本实施方式所述的焊缝形状设计方法适用特定匹配比情况下低匹配“等弯曲承载”接头的几何形状参数的设计。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：

步骤三、确定盖面焊道半宽w：

通过分析计算得出焊缝底部中心部位A点的应力集中系数与焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w及半板厚t之间的关系方程：

                       (3)；

按照等效Von Mises应力计算：

                (7)；

              (8)；

                   (9)；

根据等弯曲承载条件，将公式（2）代入公式（3）、（7）、（8）和（9），按照等效Von Mises应力计算确定达到与母材“等弯曲承载”的盖面焊道半宽w。

步骤四、焊趾半径r的求值过程

通过分析计算得出焊趾部位B点的应力集中系数与焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w、焊趾半径r及半板厚t之间的关系方程：

                               (10)；

按照等效Von Mises应力计算：

                 (14)；

                  (15)；

          (16)；

结合步骤二和步骤三，将所求出的焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w代入公式（10）、（14）、（15）和（16），以焊趾部位应力集中系数1.15以内为焊趾应力集中最小化设计标准，按照等效Von Mises应力计算可以得到焊趾半径r。

其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是：

步骤四：实际生产加工中选择适当的砂轮对焊趾部位进行打磨，以降低焊趾部位的应力集中系数；这里所说的砂轮半径即为焊趾半径r。

其他步骤与具体实施方式一、二相同。

Claims (2)

1.低匹配对接接头达到与母材等弯曲承载的接头形状设计方法，其特征在于所述接头的设计方法具体步骤如下：

步骤一、计算低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}=\frac{{R_{\mathrm{eL}}}^W}{{R_{\mathrm{eL}}}^B};$

式中：R_eL ^W为焊缝熔敷金属屈服强度，R_eL ^B为母材屈服强度：

步骤二、通过材料力学公式，根据等弯曲承载条件计算得到焊缝余高高度h，焊缝余高高度h取最小值，公式为：

$h_{\min }=(\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}}-1)t;$

式中：t为半板厚：

步骤三、确定盖面焊道半宽w：

通过分析计算得出焊缝底部中心部位A点的应力集中系数与焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w及半板厚t之间的关系方程：

$K_A={\left(\frac{t}{t+h}\right)}^2[y_A-A_A\exp \left(\frac{-w/t}{P_A}\right)];$

根据等弯曲承载条件K_A＝μ_MMR，按照正应力或等效VonMises应力计算确定达到与母材“等弯曲承载”的盖面焊道半宽w，其中：

按照正应力计算：

$y_A=1.00097+0.4304\left(\frac{h}{t}\right)-0.03542{\left(\frac{h}{t}\right)}^2;$

$A_A=5.76128+2.18402\left(\frac{h}{t}\right)+9.43874{\left(\frac{h}{t}\right)}^2;$

$P_A=0.2602+0.69173\left(\frac{h}{t}\right)-0.33396{\left(\frac{h}{t}\right)}^2;$

按照等效Von Mises应力计算：

$y_A=1.09015-0.48647\left(\frac{h}{t}\right)+0.7558{\left(\frac{h}{t}\right)}^2;$

$A_A=-0.09507+9.12628\left(\frac{h}{t}\right)-6.75669{\left(\frac{h}{t}\right)}^2;$

$P_A=1.25969-1.9674\left(\frac{h}{t}\right)+4.16221{\left(\frac{h}{t}\right)}^2;$

步骤四、焊趾半径r的求值过程：

通过分析计算得出焊趾部位B点的应力集中系数与焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w、焊趾半径r及半板厚t之间的关系方程：

$K_B=y_B+A_B\exp \left(\frac{-w/t}{P_B}\right);$

结合步骤二和步骤三，以焊趾部位应力集中系数1.15以内为焊趾应力集中最小化设计标准，按照正应力或等效VonMises应力计算得到焊趾半径r，其中：

按照正应力计算：

$y_B=1.06403+0.15066\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)-0.7743{\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)}^2;$

$A_B=0.08527+0.59048\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)-1.41064{\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)}^2;$

$P_B=3.09738+20.01226\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)-51.48866{\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)}^2;$

按照等效Von Mises应力计算：

$y_B=1.06333+0.13391\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)-0.37036{\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)}^2;$

$A_B=0.07584+0.79499\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)-2.31572{\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)}^2;$

$P_B=3.08139+28.85089\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)-53.29322{\left(\frac{h}{\mathrm{rt}}\right)}^2;$

步骤五、根据所求出的焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w和焊趾半径r，获得等弯曲承载所需的低匹配接头几何形状参数：

上述设计方法和公式适用于屈服强度匹配比在0.5～1.0之间的、双面施焊的平板对接接头。

2.根据权利要求1所述的低匹配对接接头达到与母材等弯曲承载的接头形状设计方法，其特征在于对平板开X形坡口，坡口的角度为60°，坡口间隙2mm，钝边高度2mm。