专利名称：可使焊接接头按母材承载能力承载的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种焊缝形状设计方法，具体涉及一种可使焊接接头按母材承载能力 承载的焊缝形状设计方法，属于焊接技术领域。
背景技术：
焊接作为一种连接手段广泛应用于结构设计中，一般应用等匹配原则(填充材料 与母材强度相当)进行焊接填充材料的选择。由于焊接的局部快速加热和冷却过程，使得 焊缝区产生较大的残余拉应力，另外焊缝中容易产生气孔、裂纹等缺陷，部分区域晶粒粗 大，这些都使得焊缝区的各方面承载能力低于母材的承载能力，焊缝区成为接头的薄弱环 节。提高焊缝区的承载能力即提高接头的承载能力。因此，如何提高焊缝区的承载能力，使 得焊缝区的承载能力能够达到甚至超过母材的承载能力有着至关重要的意义。使焊缝的承载能力达到母材的承载能力，即实现等承载。所谓等承载就是焊缝的 静载承载能力、动载承载能力与母材相应的承载能力相当。静载承载能力通常以强度和塑 性变形能力作为焊接结构设计的安全评定指标；动载承载能力以疲劳强度作为结构设计的 安全评定指标。传统的安全设计要求结构具有足够的强度和塑性变形能力以及足够的疲劳 强度，但是材料内部难免存在微观或者宏观缺陷，在一定条件下，微小缺陷或裂纹将失稳扩 展，导致材料或结构的破坏。研究含缺陷结构的破坏问题与结构安全直接有关。断裂力学 作为研究含缺陷的结构已被广泛应用于工程应用。从断裂力学角度讲，结构具有高的抗断 能力才是安全的。因此，仅以强度和塑性变形能力作为结构的安全设计是不够的，结构的抗 断裂能力也必须作为安全设计的指标。对于焊接接头来说，若以强度和塑性变形能力作为接头承载能力的评定指标，则 “等承载能力”概念可以定义为接头的静载承载能力和疲劳抗力与母材相当。若以抗断能力 安全指标作为接头承载能力的评定指标，则“等承载能力”概念可以定义为接头的静载抗断 能力和疲劳抗断能力与母材相当。19世纪以前，工程结构的设计主要依靠经验。后来，由于弹性理论的建立和发展， 使结构强度的定量分析成为可能。传统的强度设计渊于伽利略的材料强度学说，σ > % 即任一构件受载时最大特征应力达到材料抗力时便发生破坏。为了补偿由于外载荷计算、 分析方法、材料特性等一系列不确定因素引起的误差，在设计时采用大于1的安全系数以 保证结构的安全。这种传统的强度设计方法一直沿用到今天。应用传统设计方法设计的工程结构，绝大多数保证了它们的承载能力而未失效 (当然，有时是以增大结构重量为代价的)。但是传统的强度设计方法存在下述弊端从力 学角度上讲，它不能描述由于裂纹状缺陷存在而于裂纹尖端产生的严重应力集中。材料的 强度不仅与载荷水平有关，还与裂纹几何有关。传统强度理论无法表征裂纹尖端的奇异场； 从工程应用角度上讲，任何工程结构都不可避免地存在类似于裂纹的缺陷。它们或是结构 材料中固有的，或者制造加工过程中造成的，也可能是使用过程中造成的损伤。这些缺陷的 存在和扩展，降低了结构的承载能力，甚至失效。结构往往在外加载荷远小于材料的抗拉强度时就发生破坏，传统强度理论不足以描述防止工程结构的破坏。建立在材料力学、弹性力学和结构力学基础上的强度分析方法，不能反映含裂纹 结构的强度特点。断裂力学是紧密结合工程应用而发展起来的。线弹性断裂力学中应力强 度因子K概念的提出，是线弹性断裂力学的奠基工作。J积分和COD等参量的提出，则为弹塑 性断裂力学的研究开辟了开阔的道路。断裂韧度则是断裂力学中一个重要的概念，它只与 材料有关而与试件的几何形状、尺寸以及外加载荷形式无关，它表征材料抵抗裂纹扩展的 能力。从断裂力学角度出发，认为当断裂参量达到材料的断裂韧度时，即K1 ^ KIC,J ^ Jic， δ ^ δ κ裂纹发生失稳扩展，材料失效。其中Kre、Jie、δ 都称为为材料的断裂韧度。由于焊接过程的特殊性，往往使得焊缝区的断裂韧度降低，导致焊接接头发生低 应力脆断，承载能力的下降。焊缝常常处于重要的传力部位，裂纹将以极快的速度扩展。故 焊接结构中应避免焊缝的低应力脆断现象产生。针对焊接结构应用中存在的接头承载能力达不到母材的承载能力的问题，从传统 设计角度和断裂力学角度出发，就如何提高焊接接头的承载能力使得焊接结构能够按照母 材的承载能力进行设计，开展相应研究工作，具有现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种可使焊接接头按母材承载能力承载的设计方法，以解决 由于焊缝区域弱化而使焊接接头承载能力低于母材的问题。本发明的设计构思传统的安全设计要求结构具有足够的强度和塑性变形能力， 但是材料内部难免存在微观或者宏观缺陷，在一定条件下，微小缺陷或裂纹将失稳扩展，导 致材料或结构的破坏。研究含缺陷材料和结构的破坏问题与材料或结构的安全直接有关。 断裂力学作为研究含缺陷的结构已被广泛应用于工程应用。从断裂力学角度讲，结构具有 高的抗断能力才是安全的。因此，仅以强度和塑性变形能力作为结构的安全设计是不够的， 结构的抗断裂能力也必须作为安全设计的指标。由于焊接接头尤其是高强钢焊接接头容易出现冷裂纹等缺陷，含裂纹的接头的承 载能力用传统的设计思想无法解释，必须从断裂力学角度出发，另外焊接接头作为构件的 薄弱环节，接头断裂韧度可能低于母材金属，从断裂力学角度出发，接头承载能力降低。本 文从断裂力学角度出发，分析并给出提高接头的承载能力，使之能够按照母材承载能力设 计的思想和实现条件。若以抗断能力安全指标作为接头承载能力的评定指标，则“等承载能 力”概念可以定义为接头的静载抗断能力和疲劳抗断能力与母材相当。要实现焊缝与母材等承载，就应使在外载荷的作用下，焊缝与母材同时破坏，当然 希望焊缝不先于母材破坏。1.母材区与焊缝区都存在裂纹的情况裂纹失稳扩展，材料破坏，裂纹失稳扩展的条件为断裂参量达到材料的断裂韧度， 即KiSKk, J彡JK，δ彡δκ。因此，对于静载的“等承载”设计，应使焊缝区的裂纹与母 材区的裂纹同时失稳扩展，也就是要使低断裂韧性焊缝和母材具有相同的临界断裂载荷， 这就要求焊缝区的K因子(J积分、裂纹尖端张开位移δ)与母材区的K因子(J积分、δ) 的比值、焊缝断裂韧度、^。、δ κ)与母材的断裂韧度Kk(JK、δ κ)的比值(断裂韧度匹配 比)两者相当，以避免母材区的裂纹还处于安全的情况下，焊缝区的裂纹已经达到失稳扩展的条件；为保证含裂纹的焊缝区与含裂纹的母材区疲劳强度和疲劳寿命相当，应该尽量 减小焊缝区的△ K来提高其疲劳寿命。当母材和焊缝区都存在裂纹时，要实现等承载，就要求使焊缝中裂纹发生失稳扩 展的施加载荷不低于使母材中裂纹发生失稳扩展的施加载荷，故从断裂力学角度考虑的接 头等承载的设计思想以下式为标准判据pw ^ pb。式中，Pw为使焊缝中裂纹发生失稳扩展 的施加载荷；Pb为使母材中裂纹发生失稳扩展的施加载荷。考虑到焊缝和母材区裂纹失稳扩展的临界载荷受焊缝与母材的断裂韧度影响，焊 缝和母材区裂纹失稳扩展的临界载荷差异由焊缝与母材的断裂韧度匹配比决定，故接头的 等承载设计采用断裂韧度匹配比进行，有利于控制焊缝与母材中裂纹失稳扩展的同时性， 以获得焊缝不先于母材破坏的焊接接头。通过调整焊接接头的几何参数使焊缝中的裂纹的K因子(J积分、δ )与母材中裂 纹的K因子(J积分、δ)比值等于焊缝与母材的断裂韧度匹配比时，焊缝中的裂纹不先于 母材中裂纹失稳扩展的情形就能够发生。即
权利要求
1.一种可使焊接接头按母材承载能力承载的设计方法，其特征在于所述设计方法是 基于焊缝与母材的K因子的比值等于焊缝与母材的断裂韧度匹配比时来实现等承载的；所 述设计方法为步骤一、计算接头断裂韧度匹配比m，接头断裂韧度匹配比m是焊缝熔敷金属断裂韧度 与母材断裂韧度的比值；步骤二、求得母材区的应力强度因子Kb 在板厚、母材区裂纹尺寸及位置、工作载荷已 知的情况下，带入相应的有限宽板的应力强度因子公式，即可求得母材区的应力强度因子 Kb;步骤三、确定满足母材与焊缝区都存在裂纹时的等承载的焊缝区的应力强度因子Kw 由等承载条件式⑷，得式(12)K K;_w 一 IC 一 彻(4)Kb KIC Kw = mKb (12)其中，m为步骤一中求出的接头断裂韧度匹配比，Kb为步骤二中求出的母材区的应力强 度因子；步骤四、根据不同的工况、接头形式以及裂纹形式，通过一系列的有限元分析或实验分 析确定接头几何参数对焊缝区应力强度因子Kw的影响规律；步骤五、根据步骤四的结果，得出满足步骤三中的焊缝区的应力强度因子Kw的接头几 何参数，即可获得母材区与焊缝区都存在裂纹的接头满足等承载所需的焊缝形状及其几何 参数值。
2.—种可使焊接接头按母材承载能力承载的设计方法，其特征在于所述焊缝形状设 计方法是基于使焊缝中裂纹发生失稳扩展的临界应力与母材的抗拉强度相等来实现等承 载的，所述设计方法为步骤一、测量母材金属的抗拉强度σ bb以及焊缝熔敷金属的断裂韧度Krew 根据相关的 测量标准，测试母材金属的抗拉强度ο bb和焊缝熔敷金属的断裂韧度KKW ；步骤二、根据不同的工况、接头形式以及裂纹形式，通过一系列的有限元分析或实验分 析确定接头几何参数对焊缝区应力强度因子Kw的影响规律；步骤三、根据此时满足等承载的条件式(6)，结合步骤二的结果得出满足等承载的焊缝 区的接头几何参数，即可获得母材无缺陷而焊缝中存在裂纹的接头满足等承载所需的焊缝 形状；σ:=φψ = σΙ(6)σ一焊缝中裂纹失稳扩展的临界应力；Krew—焊缝的断裂韧度；Yw-焊缝区的形状因子；a-裂纹尺寸参量；obb-母材金属的抗拉强度。
3.一种可使焊接接头按母材承载能力承载的设计方法，其特征在于所述焊缝形状设计方法是基于使母材中裂纹发生失稳扩展的临界应力与焊缝中的峰值应力相等并且不高 于焊缝熔敷金属的抗拉强度来实现等承载的，所述设计方法为步骤一、测量焊缝熔敷金属的抗拉强度σ 以及母材金属的断裂韧度Kreb 根据相关的 测量标准，测试焊缝熔敷金属的抗拉强度^；^和母材金属的断裂韧度KKb ；步骤二、求得使母材区裂纹发生失稳扩展临界应力的应力σ。b 在板厚、母材区裂纹尺 寸及位置、以及步骤一测得的母材金属的断裂韧度Kreb已知的情况下，代入式(3)，即可求 得使母材区裂纹发生失稳扩展临界应力σ。b ； Kic
4. 一种可使焊接接头按母材承载能力承载的设计方法，其特征在于所述焊缝形状设 计方法是基于使焊缝中的峰值应力和母材平均应力的比值与接头的强度匹配比相等来实 现等承载的，所述设计方法为步骤一、计算接头抗拉强度匹配比Pmme，μ _为焊缝熔敷金属抗拉强度与母材抗拉强 度的比值；
全文摘要
可使焊接接头按母材承载能力承载的设计方法，它涉及一种焊缝形状设计方法，解决了焊接接头的承载能力低于母材的问题。对于母材和焊缝都出现裂纹的情况，通过焊缝形状设计使焊缝与母材的K因子比值与接头的断裂韧度匹配比相等实现等承载；对于母材无缺陷而焊缝出现裂纹的情况，通过焊缝形状设计使焊缝中裂纹发生失稳扩展的临界应力与母材的抗拉强度相等实现等承载；对于母材中出现裂纹而焊缝中无缺陷的情况，通过焊缝形状设计使母材中裂纹发生失稳扩展的临界应力与焊缝中的峰值应力相等并且不高于焊缝熔敷金属的抗拉强度实现等承载；对于母材和焊缝都不存在缺陷的情况，通过焊缝形状设计使焊缝中的峰值应力和母材平均应力的比值与接头的抗拉强度匹配比相等实现等承载。适用于任何形式的焊接接头。
文档编号B23K37/00GK102091893SQ20101061584
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者刘雪松, 张勇, 张敬强, 方洪渊, 杨建国, 王佳杰, 王涛, 董志波, 赵智力 申请人:哈尔滨工业大学