專利名稱：可使低匹配對(duì)接接頭按母材強(qiáng)度承載的焊縫形狀設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊縫形狀設(shè)計(jì)方法，具體涉及一種可使低匹配對(duì)接接頭按 母材強(qiáng)度承載的焊縫形狀設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
隨著高強(qiáng)鋼在艦船、潛艇、壓力容器、壓力管道、橋梁、特別是低溫容器 和寒冷海洋結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，高強(qiáng)鋼的焊接裂紋問題、熱影響區(qū)脆化和軟化 等問題突顯出來(lái)，其中冷裂紋缺陷造成的危害最為嚴(yán)重，已經(jīng)成為焊接結(jié)構(gòu)早 期失效的主要原因之一。同時(shí)，惡劣的使用條件對(duì)高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)的性能要求 卻不斷提高，調(diào)整鋼材的化學(xué)成分很難完全解決這些問題。
目前，控制高強(qiáng)鋼焊接接頭冷裂紋缺陷的主要措施， 一是針對(duì)特定種類和 成分的高強(qiáng)鋼，開發(fā)其專用焊接材料，如低氫或超低氫的抗裂焊接材料，以及 利用相變應(yīng)力松弛效應(yīng)開發(fā)低碳馬氏體及奧氏體加馬氏體雙相抗裂焊接材料。
但對(duì)于抗拉強(qiáng)度超過800MPa的高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼，若仍然要求焊縫與母材等 強(qiáng)匹配，不僅容易引發(fā)冷裂紋缺陷，還會(huì)導(dǎo)致焊縫韌性顯著降低。另外開發(fā)和 采用與母材等強(qiáng)的專用抗裂焊材也需要一定的周期和成本。二是采用焊前預(yù)熱 或悍后熱處理工藝，但預(yù)熱會(huì)使焊接熱影響區(qū)強(qiáng)韌性降低，加劇熱影響區(qū)的軟 化和脆化現(xiàn)象。若能在不預(yù)熱條件下進(jìn)行焊接，對(duì)簡(jiǎn)化焊接工藝、提高焊接接 頭性能和改善勞動(dòng)條件均具有重要意義。實(shí)驗(yàn)研究表明，高強(qiáng)鋼若采用強(qiáng)度低于母材、塑韌性較高的焊材施焊，接 頭拘束應(yīng)力顯著降低，在顯著降低或避免冷裂紋發(fā)生的同時(shí)，還可降低預(yù)熱溫 度、甚至可以實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱焊接。鋼材的強(qiáng)度級(jí)別越高，采用低強(qiáng)焊材施焊對(duì)冷 裂紋的控制效果就越顯著，因此，美國(guó)和日本等國(guó)家在一些工程結(jié)構(gòu)中采用了 高強(qiáng)鋼的低匹配焊接接頭。但是，相對(duì)等強(qiáng)以上匹配接頭，承載能力相對(duì)較低 的不足，成為制約高強(qiáng)鋼低匹配接頭廣泛應(yīng)用的主要障礙。
另一方面，早在焊接結(jié)構(gòu)替代鉚接結(jié)構(gòu)的時(shí)期，高強(qiáng)鋼缺口效應(yīng)很高的弱 點(diǎn)就為人所知，與中、低強(qiáng)度鋼相比，高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)雖然具有更高的靜載承 載能力，但即使是其等匹配的焊接接頭，其高周疲勞強(qiáng)度卻與中、低強(qiáng)度鋼非 常接近，在疲勞抗力方面失去優(yōu)勢(shì)。因此，從控制缺口效應(yīng)的角度，也需要對(duì) 高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其疲勞強(qiáng)度和壽命。
綜上所述，目前高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用存在焊縫韌性儲(chǔ)備不足、冷裂紋頻 發(fā)、預(yù)熱時(shí)工作條件惡劣等問題，采用低強(qiáng)焊材施焊能夠解決上述問題，但接 頭承載能力相對(duì)降低，因此，需要采取有效方法和措施來(lái)提高低匹配接頭的承 載能力(包括焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度、應(yīng)力松弛能力和疲勞抗力)，而不是降低 載荷使用或僅單純研究強(qiáng)度失配造成的影響。從可查到資料來(lái)看，目前并無(wú)從 提高低匹配接頭承載能力角度開展研究的報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可使低匹配對(duì)接接頭按母材強(qiáng)度承載的焊縫形 狀設(shè)計(jì)方法，以解決低匹配對(duì)接接頭承載能力低于等強(qiáng)以上匹配接頭(即低匹 配對(duì)接接頭承載能力與母材承載能力不相等或不相當(dāng))的問題。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思為提高低匹配接頭的承載能力，從改變不利斷裂性質(zhì)角度，應(yīng)使低匹配接頭焊縫不先于母材發(fā)生屈服(即以全面屈服的方式斷裂)， 以保證低匹配接頭具有足夠的強(qiáng)度、應(yīng)力松弛能力和疲勞強(qiáng)度。以全面屈服斷 裂方式為判據(jù)的"等承載"(即低強(qiáng)焊縫與母材具有相等承載能力)設(shè)計(jì)思想 進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)滿足對(duì)接接頭焊根應(yīng)力集中系數(shù)與接頭屈服強(qiáng)度匹配比相 等、且焊趾應(yīng)力集中系數(shù)最小化的"等承載"實(shí)現(xiàn)條件。根據(jù)這個(gè)接頭設(shè)計(jì)思 想及實(shí)現(xiàn)條件，進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)的具體思路為首先確定應(yīng)力集中最小化的焊縫形 狀方案，然后研究該焊縫形狀方案下接頭幾何參數(shù)對(duì)焊趾和焊根兩個(gè)關(guān)鍵位置 應(yīng)力分布(或應(yīng)力集中)的影響趨勢(shì)，建立接頭幾何參數(shù)與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān) 系方程，并據(jù)此確定滿足特定匹配比條件下"等承載"實(shí)現(xiàn)條件所需的接頭幾 何參數(shù)。該接頭設(shè)計(jì)的原理是，借助于接頭形狀參數(shù)設(shè)計(jì)能夠調(diào)整接頭內(nèi)部的 應(yīng)力應(yīng)變分布，降低焊趾和焊根承載薄弱區(qū)的應(yīng)力集中程度，從而使低強(qiáng)焊縫 區(qū)的承載能力提高，接頭設(shè)計(jì)在一定程度上使低匹配接頭的承載薄弱區(qū)由焊縫 向母材轉(zhuǎn)移，使焊接結(jié)構(gòu)可按照母材強(qiáng)度設(shè)計(jì)而不必考慮匹配比的影響。
本發(fā)明的技術(shù)方案為
方案一所述焊縫形狀設(shè)計(jì)方法是基于焊根應(yīng)力集中系數(shù)與低匹配接頭屈 服強(qiáng)度匹配比相等、降低焊趾應(yīng)力集中系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)"等承載"的；根據(jù)承載特 點(diǎn)，當(dāng)對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度要求不很高時(shí)，對(duì)接接頭的焊縫形狀確定為余高與 母材之間采用簡(jiǎn)單的圓弧曲線過渡；所述焊縫形狀設(shè)計(jì)方法為
步驟一、計(jì)算低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比^自(焊縫熔敷金屬屈服強(qiáng)度
與母材屈服強(qiáng)度的比值)；
步驟二、求得余高高度/7:在板厚尺寸和接頭匹配比已經(jīng)確定的情況下， 為盡可能節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，余高高度取滿足等承載實(shí)現(xiàn)條件的最小值，其值為<formula>formula see original document page 9</formula>
式中，t為板厚的一半；
步驟三、確定焊趾半徑^對(duì)接接頭焊趾半徑r的大小依據(jù)現(xiàn)有機(jī)械加工 條件，盡量選擇較大的砂輪半徑，以獲得較小的焊趾應(yīng)力集中系數(shù)；這里所述 砂輪半徑即為焊趾半徑A
步驟四、求得蓋面焊道總半寬W
當(dāng)(/H"f) /wsl日、丄，小焊趾半徑條件下(r =3mm 15mm)的悍根應(yīng)力集 中系數(shù)的關(guān)系方程為-
式中r——焊趾半徑影響系數(shù)，"——小焊趾半徑下的焊根應(yīng)力集中 形狀系數(shù)'；
按最大主應(yīng)力計(jì)算時(shí)，
<formula>formula see original document page 9</formula> (5)
<formula>formula see original document page 9</formula> (6)
按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)，
;/ = 0麓立—0.0025 (7) "=0.963(^)2-0.516(~) +0.05 (8) 根據(jù)'"等承載"實(shí)現(xiàn)條件y"M^二《。。t，將上述已確定的幾何參數(shù)6 A和r 值帶入式(4)、 (5)和(6)，解關(guān)于蓋面焊道總半寬vv的一元二次方程即可確定按 照最大主應(yīng)力計(jì)算的"等承載"焊縫形狀設(shè)計(jì)(對(duì)接接頭設(shè)計(jì))所需的w的最 小值；
根據(jù)"等承載"實(shí)現(xiàn)條件/^^-^。。t，將上述已確定的幾何參數(shù)"A和r值帶入式(4)、 (7)和(8)，解關(guān)于蓋面悍道總半寬w的一元二次方程即可確定按 照等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算的"等承載"焊縫形狀設(shè)計(jì)(對(duì)接接頭設(shè)計(jì))所需 的w的最小值；
步驟五、根據(jù)余高高度/k焊趾半徑r、蓋面焊道總半寬w即可獲得所需 的焊縫形，及其幾何參數(shù)值。
方案二所述焊縫形狀設(shè)計(jì)方法是基于焊根應(yīng)力集中系數(shù)與低匹配接頭屈
服強(qiáng)度匹配比相等、焊趾應(yīng)力集中系數(shù)最小化來(lái)實(shí)現(xiàn)"等承載"的；根據(jù)承載
特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)接接頭的疲勞性能要求很高時(shí)，對(duì)接接頭的焊縫形狀確定為余高
與母材之間采用的過渡曲線包括一個(gè)45°的折線和圓弧曲線兩部分；所述焊
縫形狀設(shè)計(jì)方法為
步驟一、計(jì)算低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比/^w (焊縫熔敷金屬屈服強(qiáng)度
與母材屈服強(qiáng)度的比值)；
步驟二、求得余高高度A:在板厚尺寸和接頭匹配比已經(jīng)確定的情況下， 為盡可能節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，余高高度取滿足等承載實(shí)現(xiàn)條件的最小值，其值為
式中，t為板厚的一半；
步驟三、求得焊趾半徑n以焊趾應(yīng)力集中系數(shù)^t。e在1.05以內(nèi)為焊趾無(wú)
應(yīng)力集中設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；
(0.柳~^~-1.031)
式中ct——焊趾應(yīng)力集中形狀系數(shù)；
按最大主應(yīng)力計(jì)算時(shí)， 'a = 3.285 —2.541(~^~)2 (2)
按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)，
a = 3.030-2.300(丄)2 (3)
將上述已確定的幾何參數(shù)f、 /z值帶入式(l)和式(2)，可獲得按最大主應(yīng)力
計(jì)算時(shí)的最小焊趾半徑r值；
將上述已確定的幾何參數(shù)f、 A值帶入式(1)和式(3)，可獲得按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)的最小焊趾半徑r值； 步驟四、求得蓋面焊道總半寬w:
確定金高半寬 根據(jù)"等承載"實(shí)現(xiàn)備—件//畫=《luui ，當(dāng)^M^^J^ 力方式計(jì)算時(shí)，"等承載"設(shè)計(jì)所需的最小余高半寬w。，值為
當(dāng)采用等效VonMises應(yīng)力方式計(jì)算時(shí)，"等承載"設(shè)計(jì)所需的余高半寬
w0min f直為'
w。皿=0.4929/w (14)
確定蓋面焊道總半寬w:
w = w。+^ + v^ (15) 式中，^——圓弧曲線部分對(duì)應(yīng)的焊道半寬-
^=[一々一查)2]。5 (16)
步驟五、根據(jù)余高高度/2、焊趾半徑r、余高半寬度Wo、圓弧曲線部分對(duì) 應(yīng)的焊道半寬度^和蓋面焊道總半寬W即可獲得所需的焊縫形狀及其幾何參 數(shù)值。
技術(shù)效果本發(fā)明適用于x形坡口雙面施焊的低匹配平板對(duì)接接頭。本發(fā)明使承受
拉伸載荷的高強(qiáng)鋼或超高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)既可以采用顯著降低冷裂紋發(fā)生率的 低匹配的接頭組配方式，又可保證低匹配對(duì)接接頭的靜載承載能力不低于高強(qiáng) 母材、且疲勞強(qiáng)度明顯高于焊態(tài)等匹配接頭。本發(fā)明使低匹配對(duì)接接頭承載能 力與母材承載能力相等或相當(dāng)(即"等承載")，提高了高強(qiáng)鋼低匹配接頭的承 載能力。'
本發(fā)明的具體有益效果表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面
(1) 可采用普通的低強(qiáng)焊材施焊，不必要研發(fā)與高強(qiáng)鋼或超高強(qiáng)鋼等強(qiáng) 度的專用抗裂焊材，焊材成本降低，且可降低預(yù)熱溫度或采用不預(yù)熱焊接，勞 動(dòng)條件得到改善。
(2) 避免了低匹配接頭以不利的韌帶屈服方式斷裂(斷裂時(shí)僅低強(qiáng)焊縫 區(qū)發(fā)生局部屈服，斷裂時(shí)載荷應(yīng)力低于母材材料的屈服強(qiáng)度、且延伸率較低)， 使低匹配對(duì)接接頭的焊縫區(qū)域不會(huì)先于母材屈服，接頭斷裂性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩?全面屈服斷裂，低匹配對(duì)接接頭的承載薄弱區(qū)在一定程度上向母材轉(zhuǎn)移，這使 得焊接結(jié)構(gòu)可以按照母材強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不必考慮匹配比的影響。
(3) 接頭設(shè)計(jì)調(diào)整了對(duì)接接頭應(yīng)力分布，降低了應(yīng)力集中程度，即使在
匹配比很低的情況，在母材抗拉強(qiáng)度以內(nèi)加載時(shí)，低強(qiáng)焊縫區(qū)無(wú)三軸拉伸應(yīng)力 狀態(tài)，并可避免不安全的低應(yīng)力、低延性破壞。
(4) 由于"等承載"設(shè)計(jì)使焊縫不先于母材屈服、且低強(qiáng)焊縫具有更緩 慢的應(yīng)力增長(zhǎng)速度和更大的應(yīng)變硬化空間，使低匹配"等承載"設(shè)計(jì)對(duì)接接頭 對(duì)裂紋缺'陷的敏感程度比高強(qiáng)母材材料更低。"等承載"設(shè)計(jì)對(duì)接接頭的安全 性比母材更好。(5)'本發(fā)明使高強(qiáng)鋼或超高強(qiáng)鋼的焊接結(jié)構(gòu)既可以采用顯著降低冷裂紋 發(fā)生率的低匹配的接頭組配方式，又可保證低匹配對(duì)接接頭的靜載承載能力不 低于高強(qiáng)母材、且疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)高于焊態(tài)等匹配接頭，工程意義較為理想。
屈服強(qiáng)度匹配比不低于0.5的高強(qiáng)鋼低匹配"等承載"對(duì)接接頭性能指標(biāo):
斷裂性質(zhì)全面屈服斷裂；
接頭靜載強(qiáng)度 >母材抗拉強(qiáng)度的95%;
接頭高周疲勞強(qiáng)度》高強(qiáng)鋼焊態(tài)等匹配接頭的150%。
附圖'說(shuō)明


圖1是X形坡口對(duì)接接頭焊縫形狀示意圖(余高與母材之間采用簡(jiǎn)單的 圓弧曲線過渡)，圖2是X形坡口對(duì)接接頭焊縫形狀示意圖(余高與母材之間 采用的過渡曲線包括一個(gè)45。的折線和圓弧曲線兩部分)，圖3是圖2所示對(duì) 接接頭焊縫形狀的1/4部分的幾何參數(shù)關(guān)系圖，圖4是等承載設(shè)計(jì)接頭焊接順 序圖。
具體.實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一參見圖l，本實(shí)施方式所述的可使低匹配對(duì)接接頭按母 材強(qiáng)度承載的焊縫形狀設(shè)計(jì)方法是基于焊根應(yīng)力集中系數(shù)與低匹配接頭屈服 強(qiáng)度匹配比相等、盡量降低焊趾應(yīng)力集中系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)"等承載"的；根據(jù)承載 特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度要求不很高時(shí)，對(duì)接接頭的焊縫形狀確定為圖1 所示的余高與母材之間采用簡(jiǎn)單的圓弧曲線過渡的焊縫形狀；所述焊縫形狀設(shè) 計(jì)方法為
步驟，一、計(jì)算低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比/^w (焊縫熔敷金屬屈服強(qiáng)度
與母材屈服強(qiáng)度的比值)設(shè)計(jì)板形拉伸試樣，測(cè)試母材和焊縫熔敷金屬(焊材)的拉伸性能，取三個(gè)試樣的平均值，得到低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比；
步驟二、求得余高高度/2:在板厚尺寸和接頭匹配比已經(jīng)確定的情況下， 為盡可能節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，余高高度取滿足等承載實(shí)現(xiàn)條件的最小值，其值為
》隨=~^~-^ (12)
式中，t為板厚的一半；
步驟三、確定焊趾半徑r:對(duì)接接頭焊趾半徑r的大小依據(jù)現(xiàn)有機(jī)械加工 條件，盡暈選擇較大的砂輪半徑，以獲得較小的焊趾應(yīng)力集中系數(shù)；這里所述 砂輪半徑,即為焊趾半徑門
焊趾應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系方程為
(0.403^~1.031)
(i)
式中a——焊趾應(yīng)力集中形狀系數(shù)，按最大主應(yīng)力計(jì)算時(shí)，
a = 3.285-2.54 l(丄)2 、+ /
按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)，
a = 3.030 —2.300(~~)2
(2)
(3)
步驟四、求得蓋面焊道總半寬w:
當(dāng)(/rK) /m^1時(shí)，小焊趾半徑條件下(r =3mm 15mm)的焊根應(yīng)力集 中系數(shù)關(guān)系方程為(參見圖1):
式中r——焊趾半徑影響系數(shù)，P——小焊趾半徑下的悍根應(yīng)力集中 形狀系數(shù);.
按最大主應(yīng)力計(jì)算時(shí)，y = 0.023 A-0.002 (5) . w
"=0.788(^)2-0.654(^) +0.133 (6)
按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)，
y = 0.041 A-0.0025 (7) 》=0.963(^)2-0.516(^0 + 0.05 (8) 根據(jù)"等承載"實(shí)現(xiàn)條件/^^=^^，將上述已確定的幾何參數(shù)"/z和r 值帶入式(4)、 (5)和(6)，解關(guān)于蓋面焊道總半寬vv的一元二次方程即可確定按 照最大主應(yīng)力計(jì)算的"等承載"焊縫形狀設(shè)計(jì)(對(duì)接接頭設(shè)計(jì))所需的vv的最 小值；，
根據(jù)"等承載"實(shí)現(xiàn)條件;"M^二^o。t，將上述已確定的幾何參數(shù)"A和r 值帶入式(4)、 (7)和(8)，解關(guān)于蓋面焊道總半寬w的一元二次方程即可確定按 照等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算的"等承載"焊縫形狀設(shè)計(jì)(對(duì)接接頭設(shè)計(jì))所需 的w的最小值；
步驟五、根據(jù)余高高度/z、焊趾半徑r、蓋面焊道總半寬vv即可獲得所需 的焊縫形狀及其幾何參數(shù)值。
根據(jù)承載特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度要求不很高時(shí)，按具體實(shí)施方式
一所 述焊縫形狀設(shè)計(jì)方法即可滿足要求，用本實(shí)施方式所述方法得到的對(duì)接接頭的 焊縫形狀是如圖1所示的形狀，其中，余高與母材之間采用簡(jiǎn)單的圓弧曲線過 渡。對(duì)接接頭的焊趾半徑r可依據(jù)現(xiàn)有機(jī)加條件確定，盡量選擇較大的砂輪半 徑，以獲得較小的焊趾應(yīng)力集中系數(shù)。
具體實(shí)施方式
一所述焊縫形狀設(shè)計(jì)方法 應(yīng)用在橫向加載條件下，適合非理想化(如圖1)的"等承載"對(duì)接接頭的幾 何參數(shù)設(shè)計(jì)。
具體實(shí)施方式
二參見圖2和圖3，本實(shí)施方式所述的可使低匹配對(duì)接接 頭按母材強(qiáng)度承載的焊縫形狀設(shè)計(jì)方法是基于焊根應(yīng)力集中系數(shù)與低匹配接 頭屈服強(qiáng)度匹配比相等、焊趾應(yīng)力集中系數(shù)最小化來(lái)實(shí)現(xiàn)"等承載"的；根據(jù) 承載特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)接接頭的疲勞性能要求很高時(shí)，對(duì)接接頭的焊縫形狀確定為-
如圖2所示的余高與母材之間采用的過渡曲線包括一個(gè)45°的折線和圓弧曲
線兩部分；所述焊縫形狀設(shè)計(jì)方法為
步驟一、計(jì)算低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比/^皿(焊縫熔敷金屬屈服強(qiáng)度
與母材屈服強(qiáng)度的比值)設(shè)計(jì)板形拉伸試樣，測(cè)試母材和焊縫熔敷金屬(焊
材)的拉伸性能，取三個(gè)試樣的平均值，得到低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比。 步驟二、求得余高高度//:在板厚尺寸和接頭匹配比已經(jīng)確定的情況下，
為盡可能節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，余高高度取滿足等承載實(shí)現(xiàn)條件的最小值，其值為
^匪二~^~_^ (12)
式中，t為板厚的一半；
步驟三、求得焊趾半徑r:以焊趾應(yīng)力集中系數(shù)《。e在1.05以內(nèi)為焊趾無(wú) 應(yīng)力集中(應(yīng)力集中最小化)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；
(0.403~^~-1.031)
(i)
式中cc——焊趾應(yīng)力集中形狀系數(shù); 按最大主應(yīng)力計(jì)算時(shí)，
a = 3.285—2.541(——)2
按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)，
a = 3.030 —2.300(——)2 、+ f
16
(2)
(3)將上述己確定的幾何參數(shù)L /2值帶入式(1)和式(2)，可獲得按最大主應(yīng)力
計(jì)算時(shí)的最小焊趾半徑r值；
將上述已確定的幾何參數(shù)f、 A值帶入式(1)和式(3)，可獲得按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)的最小焊趾半徑r值；
步驟四、求得蓋面焊道總半寬w:
確定余高半寬Wo:根據(jù)"等承載"實(shí)現(xiàn)條件/^^二《。。t，當(dāng)采用最大主應(yīng) 力方式計(jì)算時(shí)，"等承載"設(shè)計(jì)所需的最小余高半寬HWm值為
當(dāng)采用等效VonMises應(yīng)力方式計(jì)算時(shí)，"等承載"設(shè)計(jì)所需的余高半寬
W。mln值為
0.4929//腦 (14)
其中式(13)由式(9)和式(10)結(jié)合得出；式(14)由式(9)和式(11)結(jié)合得 出；式(9) (11)是大焊趾半徑條件下(r =15mm 80mm)的焊根應(yīng)力集中系 數(shù)關(guān)系方程(參見圖2):
L(=^7 + " (9) 式中'il——大焊趾半徑下的焊根應(yīng)力集中形狀系數(shù)； 按最大主應(yīng)力計(jì)算時(shí)，
7 = 0.09871("^)2 - 0.05223(^) - 0,0006748 (10)
w。 w。
按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)，
/7 = 0.11222(^)2 + 0.04613(，) - 0.05 (11)
確定蓋面焊道總半寬w:根據(jù)圖2和圖3所示的幾何參數(shù)關(guān)系，蓋面焊道 總半寬W為W = WQ+"^ + H^ (15)
式中，W,—圓弧曲線部分對(duì)應(yīng)的焊道半寬，可根據(jù)圖3中的直角三角 形關(guān)系獲得，
' ^=[一—(卜魯)2]。5 (16)
步驟i、根據(jù)余高高度a、焊趾半徑r、余高半寬度Kv圓弧曲線部分對(duì)
應(yīng)的焊道半寬度w,和蓋面焊道總半寬W即可獲得所需的焊縫形狀及其幾何參數(shù)值。
根據(jù)承載特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)接頭的疲勞性能要求很高時(shí)，按具體實(shí)施方式
二所述 焊縫形狀設(shè)計(jì)方法即可滿足要求，用本實(shí)施方式所述方法得到的對(duì)接接頭的焊
縫形狀是圖2所示的形狀，其中，余高與母材之間采用的過渡曲線包括一個(gè) 45°的折線和圓弧曲線兩部分；焊趾半徑r可為80mm。
具體實(shí)施方式
二所述 焊縫形狀設(shè)計(jì)方法適合特定匹配比的低匹配對(duì)接接頭無(wú)應(yīng)力集中的理想化(如 圖2)"等承載"對(duì)接接頭的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的前提對(duì)平板開X形坡口，坡口角度60。，坡口間隙 2mm，鈍邊高度2mm。雙面施焊，在普通焊縫的基礎(chǔ)上向上和兩側(cè)堆焊足夠 高度和寬度的悍道。機(jī)加工獲得"等承載"對(duì)接接頭的焊縫形狀及其接頭幾何 參數(shù)值。保證余高高度設(shè)計(jì)值的情況下，余高上表面也可不磨平。對(duì)疲勞性能 要求很高的焊接結(jié)構(gòu)，首先對(duì)余高采取削平處理，然后在滿足焊道寬度的基礎(chǔ) 上加工焊趾半徑，焊趾半徑加工時(shí)銑切或砂輪的打磨方向應(yīng)盡量使焊趾區(qū)產(chǎn)生 壓縮的機(jī)加應(yīng)力而避免產(chǎn)生拉伸的機(jī)加應(yīng)力。所有的機(jī)加過程都應(yīng)避免平行焊 縫長(zhǎng)度方向的劃痕，且焊縫表面粗糙度應(yīng)達(dá)到3.2以上。本發(fā)明所述設(shè)計(jì)方法 和公式參數(shù)適用于屈服強(qiáng)度匹配比在0.5-1.0之間的、雙面施焊的平板對(duì)接接頭，不適用于單側(cè)施焊的平板對(duì)接接頭。
實(shí)施例(結(jié)合圖1 4):
一、 設(shè)計(jì)板形拉伸試樣，測(cè)試母材和焊縫熔敷金屬的拉伸性能，取三個(gè)試 樣的平均值，得到接頭的屈服強(qiáng)度匹配比。
二、 根據(jù)承載特點(diǎn)，選擇理想化或非理想化情況的焊縫形狀方案；根據(jù)板 厚和接頭的屈服強(qiáng)度匹配比，按照具體實(shí)施方式
一或具體實(shí)施方式
二的設(shè)計(jì)步 驟確定低匹配"等承載"對(duì)接接頭的焊縫幾何參數(shù)值。
三、 焊接低匹配對(duì)接接頭，焊接順序如圖4所示。
四、 機(jī)加工獲得"等承載"對(duì)接接頭的焊縫形狀及其接頭幾何參數(shù)值。保 證設(shè)計(jì)余高高度的情況下，余高上表面也可不磨平。對(duì)疲勞性能要求很高的焊 接結(jié)構(gòu)，首先對(duì)余高采取削平處理，然后在滿足焊道寬度的基礎(chǔ)上加工焊趾半 徑，焊趾，徑加工時(shí)銑切或砂輪的打磨方向應(yīng)盡量使焊趾區(qū)產(chǎn)生壓縮的機(jī)加應(yīng) 力而避免拉伸的機(jī)加應(yīng)力。所有的機(jī)加過程都應(yīng)避免平行焊縫長(zhǎng)度方向的劃 痕，且焊縫表面粗糙度應(yīng)達(dá)到3.2以上。
權(quán)利要求
1、一種可使低匹配對(duì)接接頭按母材強(qiáng)度承載的焊縫形狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述焊縫形狀設(shè)計(jì)方法是基于焊根應(yīng)力集中系數(shù)與低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比相等、降低焊趾應(yīng)力集中系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)“等承載”的；根據(jù)承載特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度要求不很高時(shí)，對(duì)接接頭的焊縫形狀確定為余高與母材之間采用簡(jiǎn)單的圓弧曲線過渡；所述焊縫形狀設(shè)計(jì)方法為步驟一、計(jì)算低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比μMMR，即焊縫熔敷金屬屈服強(qiáng)度與母材屈服強(qiáng)度的比值；步驟二、求得余高高度h在板厚尺寸和接頭匹配比已經(jīng)確定的情況下，為盡可能節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，余高高度取滿足等承載實(shí)現(xiàn)條件的最小值，其值為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>h</mi> <mi>min</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>t</mi> <msub><mi>&mu;</mi><mi>MMR</mi> </msub></mfrac><mo>-</mo><mi>t</mi> </mrow>]]></math></maths>式中，t為板厚的一半；步驟三、確定焊趾半徑r對(duì)接接頭焊趾半徑r的大小依據(jù)現(xiàn)有機(jī)械加工條件，盡量選擇較大的砂輪半徑，以獲得較小的焊趾應(yīng)力集中系數(shù)；這里所述砂輪半徑即為焊趾半徑r；步驟四、求得蓋面焊道總半寬w當(dāng)(h+t)/w≤1時(shí)，小焊趾半徑條件下(r＝3mm～15mm)的焊根應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系方程為<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>K</mi> <mi>root</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>t</mi> <mrow><mi>h</mi><mo>+</mo><mi>t</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>&gamma;r</mi><mo>+</mo><mi>&beta;</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>式中γ——焊趾半徑影響系數(shù)，β——小焊趾半徑下的焊根應(yīng)力集中形狀系數(shù)；按最大主應(yīng)力計(jì)算時(shí)，<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&gamma;</mi><mo>=</mo><mn>0.023</mn><mfrac> <mi>h</mi> <mi>w</mi></mfrac><mo>-</mo><mn>0.002</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&beta;</mi><mo>=</mo><mn>0.788</mn><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mrow><mi>h</mi><mo>+</mo><mi>t</mi> </mrow> <mi>w</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>0.654</mn><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>h</mi> <mo>+</mo> <mi>t</mi></mrow><mi>w</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>0.133</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)，<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&gamma;</mi><mo>=</mo><mn>0.041</mn><mfrac> <mi>h</mi> <mi>w</mi></mfrac><mo>-</mo><mn>0.0025</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0006" num="0006" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&beta;</mi><mo>=</mo><mn>0.963</mn><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mrow><mi>h</mi><mo>+</mo><mi>t</mi> </mrow> <mi>w</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>0.516</mn><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>h</mi> <mo>+</mo> <mi>t</mi></mrow><mi>w</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mn>0.05</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>根據(jù).“等承載”實(shí)現(xiàn)條件μMMR＝Kroot，將上述已確定的幾何參數(shù)t，h和r值帶入式(4)、(5)和(6)，解關(guān)于蓋面焊道總半寬w的一元二次方程即可確定按照最大主應(yīng)力計(jì)算的“等承載”焊縫形狀設(shè)計(jì)(對(duì)接接頭設(shè)計(jì))所需的w的最小值；根據(jù)“等承載”實(shí)現(xiàn)條件μMMR＝Kroot，將上述已確定的幾何參數(shù)t，h和r值帶入式(4)、(7)和(8)，解關(guān)于蓋面焊道總半寬w的一元二次方程即可確定按照等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算的“等承載”焊縫形狀設(shè)計(jì)(對(duì)接接頭設(shè)計(jì))所需的w的最小值；步驟五、根據(jù)余高高度h、焊趾半徑r、蓋面焊道總半寬w即可獲得所需的焊縫形狀及其幾何參數(shù)值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可使低匹配對(duì)接接頭按母材強(qiáng)度承載的焊縫形 狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于在步驟一中，所述低匹配接頭的屈服強(qiáng)度匹配比 y"^R范圍在0.5 1.0之間。
3、 一種可使低匹配對(duì)接接頭按母材強(qiáng)度承載的焊縫形狀設(shè)計(jì)方法，其特 征在于所述焊縫形狀設(shè)計(jì)方法是基于焊根應(yīng)力集中系數(shù)與低匹配接頭屈服強(qiáng) 度匹配比相等、悍趾應(yīng)力集中系數(shù)最小化來(lái)實(shí)現(xiàn)"等承載"的；根據(jù)承載特點(diǎn)， 當(dāng)對(duì)接接頭的疲勞性能要求很高時(shí)，對(duì)接接頭的焊縫形狀確定為余高與母材之間采用的過渡曲線包括一個(gè)45°的折線和圓弧曲線兩部分；所述焊縫形狀 設(shè)計(jì)方法為步驟一、計(jì)算低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比^^ (焊縫熔敷金屬屈服強(qiáng)度 與母材屈服強(qiáng)度的比值)；步驟二、求得余高高度A:在板厚尺寸和接頭匹配比己經(jīng)確定的情況下， 為盡可能節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，余高高度取滿足等承載實(shí)現(xiàn)條件的最小值，其值為式中，t為板厚的一半；步驟三、求得焊趾半徑r:以焊趾應(yīng)力集中系數(shù)《t。e在1.05以內(nèi)為焊趾無(wú)應(yīng)力集中設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；(0.403~^~-1.031)(1)式中cc——焊趾應(yīng)力集中形狀系數(shù); 按最矢主應(yīng)力計(jì)算時(shí)，a = 3.285-2.54 l(丄)2(2)按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)，"=3.030-2.300(丄)2 (3)將上述己確定的幾何參數(shù)f、 /z值帶入式(l)和式(2)，可獲得按最大主應(yīng)力 計(jì)算時(shí)的最小焊趾半徑r值；將上述已確定的幾何參數(shù)f、 值帶入式(1)和式(3)，可獲得按等效Von Mises應(yīng)力計(jì)算時(shí)的最小焊趾半徑r值；步驟四、求得蓋面焊道總半寬w:確定余高半寬wo:根據(jù)"等承載"實(shí)現(xiàn)條件/^^=^。{，當(dāng)采用最大主應(yīng) 力方式計(jì)算時(shí)，"等承載"設(shè)計(jì)所需的最小余高半寬w。，值為<formula>formula see original document page 5</formula>當(dāng)采用等效Von Mises應(yīng)力方式計(jì)算時(shí)，"等承載"設(shè)計(jì)所需的余高半寬 w。隱值為<formula>formula see original document page 5</formula> 碑A罷而根憎tt坐舍，".<formula>formula see original document page 5</formula> 式中，——圓弧曲線部分對(duì)應(yīng)的焊道半寬<formula>formula see original document page 5</formula>步驟五、根據(jù)余高高度/k焊趾半徑r、余高半寬度wg、圓弧曲線部分對(duì) 應(yīng)的焊道半寬度^和蓋面焊道總半寬w即可獲得所需的焊縫形狀及其幾何參數(shù)值。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的可使低匹配對(duì)接接頭按母材強(qiáng)度承載的焊縫形 狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于在步驟一中，所述低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比/^她范圍在0.5 1.0之間。
全文摘要
可使低匹配對(duì)接接頭按母材強(qiáng)度承載的焊縫形狀設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明涉及一種焊縫形狀設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明解決了低匹配對(duì)接接頭承載能力低于等強(qiáng)以上匹配接頭的問題。主要步驟為計(jì)算低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比μ_MMR、確定應(yīng)力集中最小化的焊縫形狀方案，建立平板對(duì)接接頭幾何參數(shù)與焊趾和焊根處的應(yīng)力集中系數(shù)關(guān)系方程，求得余高高度h、焊趾半徑r、蓋面焊道總半寬w，獲得所需的焊縫幾何參數(shù)值。本發(fā)明使承受拉伸載荷的高強(qiáng)鋼或超高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)既可以采用顯著降低冷裂紋發(fā)生率的低匹配的接頭組配方式，又可保證低匹配對(duì)接接頭的靜載承載能力不低于高強(qiáng)母材、且疲勞強(qiáng)度明顯高于焊態(tài)等匹配接頭。適用于X形坡口雙面施焊的低匹配平板對(duì)接接頭。
文檔編號(hào)B23K9/02GK101607336SQ20091007250
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者劉雪松, 方洪淵, 楊建國(guó), 趙智力 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)