焊缝含中心裂纹受拉伸载荷对接接头实现等承载的设计方法及K因子的应用技术

焊缝含中心裂纹受拉伸载荷对接接头实现等承载的设计方法及K因子的应用，属于焊接领域，为了解决含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头承载能力低于母材的问题。对于焊缝含中心裂纹母材也存在裂纹的受拉伸载荷接头：确定等承载条件、焊缝金属与母材金属的断裂韧度、求母材区的应力强度因子、满足等承载的焊缝区应力强度因子、求应力强度因子公式、获所焊缝几何参数值。对于焊缝含中心裂纹而母材无缺陷受拉伸载荷接头：确定等承载条件、母材金属的抗拉强度、求应力强度因子公式、确定临界应力关系式、焊缝金属的断裂韧度、获焊缝几何参数值。应用焊缝区应力强度因子求含中心裂纹受拉伸载荷接头的临界裂纹尺寸、临界应力及接头剩余寿命。本发明专利技术适用于双面施焊的平板对接接头。

The design method of equal load and the application of K factor for welded joints with central cracks subjected to tensile loads

Application of weld with a center crack under tensile load of butt joint design realization method of load bearing and K factor, which belongs to the field of welding, in order to solve the butt joints under tension load with a central crack bearing capacity is less than the parent material of the problem. The weld center cracked the parent material is affected by the presence of joint crack: Determination of tensile load bearing conditions, weld metal and base metal, and the fracture toughness of base metal stress intensity factor, meet the bearing weld stress intensity factor and stress intensity factor formula, by joint geometry parameters value. The center cracked weld and base metal defect free joints by tensile load bearing conditions, determination of the parent metal tensile strength, stress intensity factor, determining the critical stress formula, the fracture toughness of weld metal, Weld Geometry parameters. The critical crack size, critical stress and residual life of the joint subjected to tensile load are calculated by the stress intensity factor in the weld zone. The invention is suitable for flat plate butt joint with double face welding.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种受拉伸载荷的对接接头设计方法及K因子的应用，具体涉及一种 可使焊缝含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头按照母材承载能力承载的对接接头设计方法 及焊缝区应力强度因子的应用方法，属于焊接

技术介绍
焊接结构作为一种特殊的连接方式广泛应用于民用以及军用生产设计等方面，尤 其对于现在的轻量化要求来说，高强材料被广泛应用。对于焊接接头来说，由于焊接过程的 作用，使得材料的性能发生很大的变化，接头局部区域的常规力学性能以及断裂韧度等性 能都大幅度下降。焊接缺陷不可避免，尤其对于高强钢焊接结构来说，如果处理措施不当， 经常产生冷裂纹。再加上焊接残余拉应力的存在，使得焊接结构经常发生低应力脆断现象， 降低了焊接结构的承载能力，给人们的生产生活带来严重的损失。对于不可避免缺陷且容 易产生低应力脆断的焊接结构的问题处理，应该从断裂力学的角度出发。断裂力学有三个 断裂参量应力强度因子K、J积分、裂纹尖端张开位移δ。对于不同的材料应该用不同的 断裂参量进行评定，对于经常发生低应力脆断的焊接结构，由于使其失效的应力远低于材 料的屈服强度，此时应该用应力强度因子K来评定。针对焊接结构，尤其是高强钢焊接结构的应用中经常出现的低应力脆断现象，以 及焊接接头中不可避免的存在焊接缺陷以及局部区域材料性能劣化的情况下，从断裂力学 角度出发，就如何提高焊接结构的承载能力使得焊接结构能够按照性能较好的母材的承载 能力进行设计，开展相应研究工作，具有现实意义。以往计算焊缝含裂纹接头的应力强度因子时，为简化计算，不考虑余高对其影响， 都按照有限宽板的应力强度因子进行计算。其实余高对焊缝含裂纹接头的应力强度因子的 影响是不可忽略的。适当的余高可以减小焊缝含裂纹接头的应力强度因子，对接头的承载 能力是有利的，因此，就如何通过改变余高的形状参数来提高接头的承载能力使其能够按 照母材金属的承载能力承载，开展相应研究工作，具有现实意义。由于焊接所经历特殊的热过程，往往使得焊接接头的局部区域性能裂纹，再加上 焊接残余应力的影响，使得接头的承载能力不如性能良好的母材金属。对接接头是一种应 用最普遍的接头形式，而焊缝中心存在裂纹等缺陷的对接接头又时常存在。因此采取有效 方法和措施来提高容易出现焊缝中心存在裂纹的对接接头的承载能力使其能够达到性能 良好的母材金属的承载能力是完全有必要的。从可查资料来看，目前并无通过对接头余高 的形状参数进行设计使焊缝中存在中心裂纹的对接接头按照母材的承载能力进行设计的 研究和报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种焊缝含中心裂纹受拉伸载荷对接接头实现等承载的设计方法及K因子的应用，以解决焊缝含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头承载能力低于母 材承载能力，且接头容易出现低应力脆断事故的问题；本专利技术还提出了根据焊缝区含中心 裂纹受拉伸载荷的应力强度因子表达式(焊缝区应力强度因子)，求出焊缝含中心裂纹对 接接头受拉伸载荷时的临界裂纹尺寸、临界应力以及承受疲劳载荷时的剩余寿命等重要参 数，解决了对服役的含中心裂纹对接接头的可靠性进行评估的问题。本专利技术所述的焊缝含中心裂纹受拉伸载荷对接接头实现等承载的设计方法是可 使焊缝含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头按性能良好的母材承载能力承载的对接接头设 计方法；本专利技术所述“K因子”是指焊缝区应力强度因子。本专利技术的设计构思本专利技术申请主要从应力强度因子K角度进行考虑的。为提 高含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头的承载能力，使其达到与性能良好的母材金属承载能 力相等。对于焊缝存在中心裂纹和母材中也存在裂纹的情况，应使焊缝与母材的应力强度 因子之比与焊缝和母材金属的断裂韧度之比相等，这样就能使焊缝中的裂纹不先于母材中 的裂纹失稳扩展，以保证受拉伸载荷的对接接头含中心裂纹焊缝不先于含裂纹母材发生破 坏。对于焊缝存在中心裂纹，而母材无缺陷的情况，应使焊缝中裂纹发生失稳扩展的临界应 力不低于母材金属的抗拉强度，以保证受拉伸载荷的对接接头含中心裂纹焊缝不先于无缺 陷的母材发生破坏。以上是从静载承载方面保证焊缝含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头的承载能力 不低于母材的承载能力。若焊缝含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头承受疲劳载荷时，要保 证其接头的疲劳承载能力不低于母材，应提高疲劳承载能力薄弱的焊趾区域的承载能力， 因此，可以通过机械加工或者其它手段使得焊趾处存在一定的圆弧过渡减少其应力集中系 数，进而提高接头的疲劳承载能力。根据这个接头设计思想及实现条件，进行含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头等承 载设计的具体思路为首先使接头焊趾处存在一定的圆弧过渡，减小其应力集中系数进而保 证其疲劳承载能力，然后研究接头形状参数对含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头应力强度 因子的影响规律，建立接头形状参数与含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头应力强度因子的 关系方程。对于焊缝存在中心裂纹和母材中也存在裂纹的情况，根据确立的接头形状参数 与含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头应力强度因子的关系方程确定满足相应等承载条件 所需的接头几何参数，即可保证受拉伸载荷含中心裂纹的焊缝不先于含裂纹的母材破坏。 对于焊缝存在中心裂纹，而母材无缺陷的情况，根据确立的接头形状参数与含中心裂纹受 拉伸载荷的对接接头应力强度因子的关系方程确定满足使焊缝中裂纹发生失稳扩展的临 界应力等于母材金属抗拉强度所需要的接头形状参数，即可保证受拉伸载荷含中心裂纹的 焊缝不先于无缺陷的母材破坏。该接头设计的原理是，通过一定的余高参与承载，降低焊缝部位裂纹尖端附近的 应力，进而降低焊缝含裂纹处的应力强度因子，提高焊缝含裂纹受拉伸载荷的对接接头的 承载能力，另外，通过在焊趾处设计一定的圆弧过渡来降低该处的应力集中系数，进而提高 接头的疲劳承载能力。这样就通过接头设计使受拉伸载荷的接头的承载薄弱区由含中心裂 纹的焊缝向母材转移，使受拉伸载荷的含中心裂纹的焊接结构可按照母材承载能力设计。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是技术方案一本专利技术所述焊缝含中心裂纹受拉伸载荷对接接头实现等承载的设计方法是基于焊缝与母材中的应力强度因子之比与焊缝和母材金属的断裂韧度之比相等、降 低焊趾应力集中系数来实现等承载的；根据承载特点，对接接头的焊缝形状确定为余高与 母材之间采用简单的圆弧曲线过渡的焊缝形状；所述对接接头设计方法为 步骤一、确定满足焊缝区与母材都存在裂纹时的等承载条件权利要求式中，t为板厚一半、σ为外加载荷、a为焊缝中心裂纹尺寸的一半、h为焊缝余高、w为 盖面焊道总宽度的一半、r为焊趾处的圆弧过渡半径；步骤六、确定焊趾圆弧过渡半径r 对接接头焊趾半径r的大小依据现有机械加工条件 确定，选择较大的砂轮半径或者焊趾成形半径，以获得较小的焊趾应力集中系数；这里所述 砂轮半径或者焊趾成形半径即为焊趾处的圆弧过渡半径r ；步骤七、确定等承载接头的盖面焊道总宽度的一半w与焊缝余高h的关系将已知参数 板厚一半t、外加载荷ο、焊缝中心裂纹尺寸一半a以及焊趾处的圆弧过渡半径r带入步骤 五确定的焊缝含中心裂纹对接接头受拉伸载荷时的K因子表达式中，并使其等于步骤四所 求得的满足焊缝区与母材都存在裂纹时等承载所需的K/，可求出盖面焊道总宽度的一半w 与焊缝余高h的关系，即w = nh ； (4)步骤八、确本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种焊缝含中心裂纹受拉伸载荷对接接头实现等承载的设计方法，其特征在于：所述对接接头设计方法是基于焊缝与母材中的应力强度因子之比与焊缝和母材金属的断裂韧度之比相等、降低焊趾应力集中系数来实现等承载的；根据承载特点，对接接头的焊缝形状确定为余高与母材之间采用简单的圆弧曲线过渡的焊缝形状；所述对接接头设计方法为：步骤一、确定满足焊缝区与母材都存在裂纹时的等承载条件：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｋ（／ｍｉ）?（ｍｉ）Ｉ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｗ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｋ（／ｍｉ）?（ｍｉ）Ｉ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｂ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｋ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ＩＣ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｗ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｋ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ＩＣ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｂ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）其中，ＫＩｗ为焊缝含中心裂纹对接接头受拉伸载荷时的Ｋ因子，简称为焊缝区应力强度因子，ＫＩｂ为母材区的应力强度因子，ＫＩＣｗ为焊缝熔敷金属的断裂韧度，ＫＩＣｂ为母材金属的断裂韧度；步骤二、获得焊缝熔敷金属的断裂韧度ＫＩＣｗ与母材金属的断裂韧度ＫＩＣｂ：设计断裂韧度试样，测试母材和焊缝熔敷金属的断裂韧度；步骤三、求得母材区的应力强度因子ＫＩｂ：基于母材中含有中心裂纹的情况，在板厚、母材区裂纹尺寸、工作载荷已知时，带入式（２）求得母材区的应力强度因子ＫＩｂ；（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｋ（／ｍｉ）?（ｍｉ）Ｉ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｂ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｓｑｒｔ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）ａ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（／ｍｓｑｒｔ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）＆ｓｉｇｍａ；（／ｍｉ）?（ｍｓｑｒｔ）?（ｍｉ）＆ｐｉ；ａ（／ｍｉ）?（／ｍｓｑｒｔ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）式中，ｔ为板厚一半、σ为外加载荷、ａ为中心裂纹尺寸的一半；步骤四、求得满足焊缝区与母材都存在裂纹时的等承载条件的焊缝区应力强度因子ＫＩｗ值：结合上述步骤一、二、三的结果，即可求得满足焊缝区与母材都存在裂纹时等承载所需的ＫＩｗ；步骤五、求得焊缝含中心裂纹对接接头受拉伸载荷时的Ｋ因子ＫＩｗ的表达式：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｋ（／ｍｉ）?（ｍｉ）Ｉ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｗ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｏ）｛（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｎ）１．７７６３３（／ｍｎ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）ｈ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｈ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）ｅｘｐ（／ｍｉ）?（ｍｏ）［（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）ｗ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｈ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｈｗｒ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）ｗ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）ｈ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｈ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｆｒａｃ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｎ）０．４９５３６（／ｍｎ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）ｈ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｆｒａｃ）...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建国，王涛，方洪渊，刘雪松，董志波，方坤，马子齐，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93