CN101607336B - 可使低匹配对接接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法 - Google Patents

Abstract

可使低匹配对接接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法，本发明涉及一种焊缝形状设计方法。本发明解决了低匹配对接接头承载能力低于等强以上匹配接头的问题。主要步骤为：计算低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR、确定应力集中最小化的焊缝形状方案，建立平板对接接头几何参数与焊趾和焊根处的应力集中系数关系方程，求得余高高度h、焊趾半径r、盖面焊道总半宽w，获得所需的焊缝几何参数值。本发明使承受拉伸载荷的高强钢或超高强钢焊接结构既可以采用显著降低冷裂纹发生率的低匹配的接头组配方式，又可保证低匹配对接接头的静载承载能力不低于高强母材、且疲劳强度明显高于焊态等匹配接头。适用于X形坡口双面施焊的低匹配平板对接接头。

Description

可使低匹配对接接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法

技术领域

本发明涉及一种焊缝形状设计方法，具体涉及一种可使低匹配对接接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法。

背景技术

随着高强钢在舰船、潜艇、压力容器、压力管道、桥梁、特别是低温容器和寒冷海洋结构中的广泛应用，高强钢的焊接裂纹问题、热影响区脆化和软化等问题突显出来，其中冷裂纹缺陷造成的危害最为严重，已经成为焊接结构早期失效的主要原因之一。同时，恶劣的使用条件对高强钢焊接结构的性能要求却不断提高，调整钢材的化学成分很难完全解决这些问题。

目前，控制高强钢焊接接头冷裂纹缺陷的主要措施，一是针对特定种类和成分的高强钢，开发其专用焊接材料，如低氢或超低氢的抗裂焊接材料，以及利用相变应力松弛效应开发低碳马氏体及奥氏体加马氏体双相抗裂焊接材料。但对于抗拉强度超过800MPa的高强钢和超高强钢，若仍然要求焊缝与母材等强匹配，不仅容易引发冷裂纹缺陷，还会导致焊缝韧性显著降低。另外开发和采用与母材等强的专用抗裂焊材也需要一定的周期和成本。二是采用焊前预热或焊后热处理工艺，但预热会使焊接热影响区强韧性降低，加剧热影响区的软化和脆化现象。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。

实验研究表明，高强钢若采用强度低于母材、塑韧性较高的焊材施焊，接头拘束应力显著降低，在显著降低或避免冷裂纹发生的同时，还可降低预热温度、甚至可以实现不预热焊接。钢材的强度级别越高，采用低强焊材施焊对冷裂纹的控制效果就越显著，因此，美国和日本等国家在一些工程结构中采用了高强钢的低匹配焊接接头。但是，相对等强以上匹配接头，承载能力相对较低的不足，成为制约高强钢低匹配接头广泛应用的主要障碍。

另一方面，早在焊接结构替代铆接结构的时期，高强钢缺口效应很高的弱点就为人所知，与中、低强度钢相比，高强钢焊接结构虽然具有更高的静载承载能力，但即使是其等匹配的焊接接头，其高周疲劳强度却与中、低强度钢非常接近，在疲劳抗力方面失去优势。因此，从控制缺口效应的角度，也需要对高强钢焊接结构进行优化设计，以提高其疲劳强度和寿命。

综上所述，目前高强钢焊接结构的应用存在焊缝韧性储备不足、冷裂纹频发、预热时工作条件恶劣等问题，采用低强焊材施焊能够解决上述问题，但接头承载能力相对降低，因此，需要采取有效方法和措施来提高低匹配接头的承载能力(包括焊接结构的静载强度、应力松弛能力和疲劳抗力)，而不是降低载荷使用或仅单纯研究强度失配造成的影响。从可查到资料来看，目前并无从提高低匹配接头承载能力角度开展研究的报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种可使低匹配对接接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法，以解决低匹配对接接头承载能力低于等强以上匹配接头(即低匹配对接接头承载能力与母材承载能力不相等或不相当)的问题。

本发明的设计构思：为提高低匹配接头的承载能力，从改变不利断裂性质角度，应使低匹配接头焊缝不先于母材发生屈服(即以全面屈服的方式断裂)，以保证低匹配接头具有足够的强度、应力松弛能力和疲劳强度。以全面屈服断裂方式为判据的“等承载”(即低强焊缝与母材具有相等承载能力)设计思想进行接头设计，应当满足对接接头焊根应力集中系数与接头屈服强度匹配比相等、且焊趾应力集中系数最小化的“等承载”实现条件。根据这个接头设计思想及实现条件，进行接头设计的具体思路为首先确定应力集中最小化的焊缝形状方案，然后研究该焊缝形状方案下接头几何参数对焊趾和焊根两个关键位置应力分布(或应力集中)的影响趋势，建立接头几何参数与应力集中系数的关系方程，并据此确定满足特定匹配比条件下“等承载”实现条件所需的接头几何参数。该接头设计的原理是，借助于接头形状参数设计能够调整接头内部的应力应变分布，降低焊趾和焊根承载薄弱区的应力集中程度，从而使低强焊缝区的承载能力提高，接头设计在一定程度上使低匹配接头的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设计而不必考虑匹配比的影响。

本发明的技术方案为：

方案一：所述焊缝形状设计方法是基于焊根应力集中系数与低匹配接头屈服强度匹配比相等、降低焊趾应力集中系数来实现“等承载”的；根据承载特点，当对接接头的疲劳强度要求不很高时，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；所述焊缝形状设计方法为：

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

步骤二、求得余高高度h：在板厚尺寸和接头匹配比已经确定的情况下，为尽可能节省结构空间，余高高度取满足等承载实现条件的最小值，其值为：

$h_{\min }=\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}-t$

式中，t为板厚的一半；

步骤三、确定焊趾半径r：对接接头焊趾半径r的大小依据现有机械加工条件，尽量选择较大的砂轮半径，以获得较小的焊趾应力集中系数；这里所述砂轮半径即为焊趾半径r；

步骤四、求得盖面焊道总半宽w：

当(h+t)/w≤1时，小焊趾半径条件下(r＝3mm～15mm)的焊根应力集中系数的关系方程为：

$K_{\mathrm{root}}=\frac{t}{h+t}+\mathrm{\γr}+\mathrm{\β}---\left(4\right)$

式中：γ焊趾半径影响系数，β——小焊趾半径下的焊根应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\γ}=0.023\frac{h}{w}-0.002---\left(5\right)$

$\mathrm{\β}=0.788{\left(\frac{h+t}{w}\right)}^2-0.654\left(\frac{h+t}{w}\right)+0.133---\left(6\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\γ}=0.041\frac{h}{w}-0.0025---\left(7\right)$

$\mathrm{\β}=0.963{\left(\frac{h+t}{w}\right)}^2-0.516\left(\frac{h+t}{w}\right)+0.05---\left(8\right)$

根据“等承载”实现条件μ_MMR＝K_root，将上述已确定的几何参数t，h和r值带入式(4)、(5)和(6)，解关于盖面焊道总半宽w的一元二次方程即可确定按照最大主应力计算的“等承载”焊缝形状设计(对接接头设计)所需的w的最小值；

根据“等承载”实现条件μ_MMR＝K_root，将上述已确定的几何参数t，h和r值带入式(4)、(7)和(8)，解关于盖面焊道总半宽w的一元二次方程即可确定按照等效VonMises应力计算的“等承载”焊缝形状设计(对接接头设计)所需的w的最小值；

步骤五、根据余高高度h、焊趾半径r、盖面焊道总半宽w即可获得所需的焊缝形状及其几何参数值。

方案二：所述焊缝形状设计方法是基于焊根应力集中系数与低匹配接头屈服强度匹配比相等、焊趾应力集中系数最小化来实现“等承载”的；根据承载特点，当对接接头的疲劳性能要求很高时，对接接头的焊缝形状确定为：余高与母材之间采用的过渡曲线包括一个45°的折线和圆弧曲线两部分；所述焊缝形状设计方法为：

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

步骤二、求得余高高度h：在板厚尺寸和接头匹配比已经确定的情况下，为尽可能节省结构空间，余高高度取满足等承载实现条件的最小值，其值为：

$h_{\min }=\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}-t$

式中，t为板厚的一半；

步骤三、求得焊趾半径r：以焊趾应力集中系数K_toe在1.05以内为焊趾无应力集中设计标准；

$K_{\mathrm{toe}}=1+{\mathrm{\αr}}^{(0.403\frac{t}{h+t}-1.031)}---\left(1\right)$

式中α——焊趾应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.285-2.541{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(2\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.030-2.300{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(3\right)$

将上述已确定的几何参数t、h值带入式(1)和式(2)，可获得按最大主应力计算时的最小焊趾半径r值；

将上述已确定的几何参数t、h值带入式(1)和式(3)，可获得按等效VonMises应力计算时的最小焊趾半径r值；

步骤四、求得盖面焊道总半宽w：

确定余高半宽w₀：根据“等承载”实现条件μ_MMR＝K_root，当采用最大主应力方式计算时，“等承载”设计所需的最小余高半宽w_0min值为

$w_{0\min }=\frac{t}{{0.5454\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}---\left(13\right)$

当采用等效Von Mises应力方式计算时，“等承载”设计所需的余高半宽w_0min值为

$w_{0\min }=\frac{t}{{0.4929\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}---\left(14\right)$

其中：式(13)由式(9)和式(10)结合得出；式(14)由式(9)和式(11)结合得出；式(9)～(11)是大焊趾半径条件下的焊根应力集中系数关系方程：

$K_{\mathrm{root}}=\frac{t}{h+t}+\mathrm{\η}---\left(9\right)$

式中η——大焊趾半径下的焊根应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\η}=0.09871{\left(\frac{h+t}{w_0}\right)}^2-0.05223\left(\frac{h+t}{w_0}\right)-0.0006748---\left(10\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\η}=0.11222{\left(\frac{h+t}{w_0}\right)}^2-0.04613\left(\frac{h+t}{w_0}\right)-0.05---\left(11\right)$

确定盖面焊道总半宽w：

$w=w_0+\frac{h}{2}+w_r---\left(15\right)$

式中，w_r——圆弧曲线部分对应的焊道半宽：

$w_r={[r^2-{(r-\frac{h}{2})}^2]}^{0.5}---\left(16\right)$

步骤五、根据余高高度h、焊趾半径r、余高半宽度w₀、圆弧曲线部分对应的焊道半宽度w_r和盖面焊道总半宽w即可获得所需的焊缝形状及其几何参数值。

技术效果：

本发明适用于X形坡口双面施焊的低匹配平板对接接头。本发明使承受拉伸载荷的高强钢或超高强钢焊接结构既可以采用显著降低冷裂纹发生率的低匹配的接头组配方式，又可保证低匹配对接接头的静载承载能力不低于高强母材、且疲劳强度明显高于焊态等匹配接头。本发明使低匹配对接接头承载能力与母材承载能力相等或相当(即“等承载”)，提高了高强钢低匹配接头的承载能力。

本发明的具体有益效果表现在以下几个方面：

(1)可采用普通的低强焊材施焊，不必要研发与高强钢或超高强钢等强度的专用抗裂焊材，焊材成本降低，且可降低预热温度或采用不预热焊接，劳动条件得到改善。

(2)避免了低匹配接头以不利的韧带屈服方式断裂(断裂时仅低强焊缝区发生局部屈服，断裂时载荷应力低于母材材料的屈服强度、且延伸率较低)，使低匹配对接接头的焊缝区域不会先于母材屈服，接头断裂性质转变为安全的全面屈服断裂，低匹配对接接头的承载薄弱区在一定程度上向母材转移，这使得焊接结构可以按照母材强度进行设计，而不必考虑匹配比的影响。

(3)接头设计调整了对接接头应力分布，降低了应力集中程度，即使在匹配比很低的情况，在母材抗拉强度以内加载时，低强焊缝区无三轴拉伸应力状态，并可避免不安全的低应力、低延性破坏。

(4)由于“等承载”设计使焊缝不先于母材屈服、且低强焊缝具有更缓慢的应力增长速度和更大的应变硬化空间，使低匹配“等承载”设计对接接头对裂纹缺陷的敏感程度比高强母材材料更低。“等承载”设计对接接头的安全性比母材更好。

(5)本发明使高强钢或超高强钢的焊接结构既可以采用显著降低冷裂纹发生率的低匹配的接头组配方式，又可保证低匹配对接接头的静载承载能力不低于高强母材、且疲劳强度远高于焊态等匹配接头，工程意义较为理想。

屈服强度匹配比不低于0.5的高强钢低匹配“等承载”对接接头性能指标：断裂性质：全面屈服断裂；

接头静载强度：≥母材抗拉强度的95％；

接头高周疲劳强度：≥高强钢焊态等匹配接头的150％。

附图说明

图1是X形坡口对接接头焊缝形状示意图(余高与母材之间采用简单的圆弧曲线过渡)，图2是X形坡口对接接头焊缝形状示意图(余高与母材之间采用的过渡曲线包括一个45°的折线和圆弧曲线两部分)，图3是图2所示对接接头焊缝形状的1/4部分的几何参数关系图，图4是等承载设计接头焊接顺序图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1，本实施方式所述的可使低匹配对接接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法是基于焊根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“等承载”的；根据承载特点，当对接接头的疲劳强度要求不很高时，对接接头的焊缝形状确定为图1所示的余高与母材之间采用简单的圆弧曲线过渡的焊缝形状；所述焊缝形状设计方法为：

步骤一、计算低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR(焊缝熔敷金属屈服强度与母材屈服强度的比值)：设计板形拉伸试样，测试母材和焊缝熔敷金属(焊材)的拉伸性能，取三个试样的平均值，得到低匹配接头屈服强度匹配比；

步骤二、求得余高高度h：在板厚尺寸和接头匹配比已经确定的情况下，为尽可能节省结构空间，余高高度取满足等承载实现条件的最小值，其值为：

$h_{\min }=\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}-t---\left(12\right)$

式中，t为板厚的一半；

步骤三、确定焊趾半径r：对接接头焊趾半径r的大小依据现有机械加工条件，尽量选择较大的砂轮半径，以获得较小的焊趾应力集中系数；这里所述砂轮半径即为焊趾半径r；

焊趾应力集中系数的关系方程为：

$K_{\mathrm{toe}}=1+{\mathrm{\αr}}^{(0.403\frac{t}{h+t}-1.031)}---\left(1\right)$

式中α——焊趾应力集中形状系数，按最大主应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.285-2.541{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(2\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.030-2.300{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(3\right)$

步骤四、求得盖面焊道总半宽w：

当(h+t)/w≤1时，小焊趾半径条件下(r＝3mm～15mm)的焊根应力集中系数关系方程为(参见图1)：

$K_{\mathrm{root}}=\frac{t}{h+t}+\mathrm{\γr}+\mathrm{\β}---\left(4\right)$

式中：γ——焊趾半径影响系数，β——小焊趾半径下的焊根应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\γ}=0.023\frac{h}{w}-0.002---\left(5\right)$

$\mathrm{\β}=0.788{\left(\frac{h+t}{w}\right)}^2-0.654\left(\frac{h+t}{w}\right)+0.133---\left(6\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\γ}=0.041\frac{h}{w}-0.0025---\left(7\right)$

$\mathrm{\β}=0.963{\left(\frac{h+t}{w}\right)}^2-0.516\left(\frac{h+t}{w}\right)+0.05---\left(8\right)$

根据“等承载”实现条件μ_MMR＝K_root，将上述已确定的几何参数t，h和r值带入式(4)、(5)和(6)，解关于盖面焊道总半宽w的一元二次方程即可确定按照最大主应力计算的“等承载”焊缝形状设计(对接接头设计)所需的w的最小值；

根据“等承载”实现条件μ_MMR＝K_root，将上述已确定的几何参数t，h和r值带入式(4)、(7)和(8)，解关于盖面焊道总半宽w的一元二次方程即可确定按照等效Von Mises应力计算的“等承载”焊缝形状设计(对接接头设计)所需的w的最小值；

步骤五、根据余高高度h、焊趾半径r、盖面焊道总半宽w即可获得所需的焊缝形状及其几何参数值。

根据承载特点，当对接头的疲劳强度要求不很高时，按具体实施方式一所述焊缝形状设计方法即可满足要求，用本实施方式所述方法得到的对接接头的焊缝形状是如图1所示的形状，其中，余高与母材之间采用简单的圆弧曲线过渡。对接接头的焊趾半径r可依据现有机加条件确定，尽量选择较大的砂轮半径，以获得较小的焊趾应力集中系数。具体实施方式一所述焊缝形状设计方法应用在横向加载条件下，适合非理想化(如图1)的“等承载”对接接头的几何参数设计。

具体实施方式二：参见图2和图3，本实施方式所述的可使低匹配对接接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法是基于焊根应力集中系数与低匹配接头屈服强度匹配比相等、焊趾应力集中系数最小化来实现“等承载”的；根据承载特点，当对接接头的疲劳性能要求很高时，对接接头的焊缝形状确定为：如图2所示的余高与母材之间采用的过渡曲线包括一个45°的折线和圆弧曲线两部分；所述焊缝形状设计方法为：

步骤一、计算低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR(焊缝熔敷金属屈服强度与母材屈服强度的比值)：设计板形拉伸试样，测试母材和焊缝熔敷金属(焊材)的拉伸性能，取三个试样的平均值，得到低匹配接头屈服强度匹配比。

步骤二、求得余高高度h：在板厚尺寸和接头匹配比已经确定的情况下，为尽可能节省结构空间，余高高度取满足等承载实现条件的最小值，其值为：

$h_{\min }=\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}-t---\left(12\right)$

式中，t为板厚的一半；

步骤三、求得焊趾半径r：以焊趾应力集中系数K_toe在1.05以内为焊趾无应力集中(应力集中最小化)设计标准；

$K_{\mathrm{toe}}=1+{\mathrm{\αr}}^{(0.403\frac{t}{h+t}-1.031)}---\left(1\right)$

式中α——焊趾应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.285-2.541{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(2\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.030-2.300{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(3\right)$

将上述已确定的几何参数t、h值带入式(1)和式(2)，可获得按最大主应力计算时的最小焊趾半径r值；

将上述已确定的几何参数t、h值带入式(1)和式(3)，可获得按等效VonMises应力计算时的最小焊趾半径r值；

步骤四、求得盖面焊道总半宽w：

确定余高半宽w₀：根据“等承载”实现条件μ_MMR＝K_root，当采用最大主应力方式计算时，“等承载”设计所需的最小余高半宽w_0min值为

$w_{0\min }=\frac{t}{{0.5454\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}---\left(13\right)$

当采用等效Von Mises应力方式计算时，“等承载”设计所需的余高半宽w_0min值为

$w_{0\min }=\frac{t}{{0.4929\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}---\left(14\right)$

其中：式(13)由式(9)和式(10)结合得出；式(14)由式(9)和式(11)结合得出；式(9)～(11)是大焊趾半径条件下(r＝15mm～80mm)的焊根应力集中系数关系方程(参见图2)：

$K_{\mathrm{root}}=\frac{t}{h+t}+\mathrm{\η}---\left(9\right)$

式中η——大焊趾半径下的焊根应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\η}=0.09871{\left(\frac{h+t}{w_0}\right)}^2-0.05223\left(\frac{h+t}{w_0}\right)-0.0006748---\left(10\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\η}=0.11222{\left(\frac{h+t}{w_0}\right)}^2-0.04613\left(\frac{h+t}{w_0}\right)-0.05---\left(11\right)$

确定盖面焊道总半宽w：根据图2和图3所示的几何参数关系，盖面焊道总半宽w为：

$w=w_0+\frac{h}{2}+w_r---\left(15\right)$

式中，w_r——圆弧曲线部分对应的焊道半宽，可根据图3中的直角三角形关系获得，

$w_r={[r^2-{(r-\frac{h}{2})}^2]}^{0.5}---\left(16\right)$

步骤五、根据余高高度h、焊趾半径r、余高半宽度w₀、圆弧曲线部分对应的焊道半宽度w_r和盖面焊道总半宽w即可获得所需的焊缝形状及其几何参数值。

根据承载特点，当对接头的疲劳性能要求很高时，按具体实施方式二所述焊缝形状设计方法即可满足要求，用本实施方式所述方法得到的对接接头的焊缝形状是图2所示的形状，其中，余高与母材之间采用的过渡曲线包括一个45°的折线和圆弧曲线两部分；焊趾半径r可为80mm。具体实施方式二所述焊缝形状设计方法适合特定匹配比的低匹配对接接头无应力集中的理想化(如图2)“等承载”对接接头的几何参数设计。

实现本发明目的的前提：对平板开X形坡口，坡口角度60°，坡口间隙2mm，钝边高度2mm。双面施焊，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。机加工获得“等承载”对接接头的焊缝形状及其接头几何参数值。保证余高高度设计值的情况下，余高上表面也可不磨平。对疲劳性能要求很高的焊接结构，首先对余高采取削平处理，然后在满足焊道宽度的基础上加工焊趾半径，焊趾半径加工时铣切或砂轮的打磨方向应尽量使焊趾区产生压缩的机加应力而避免产生拉伸的机加应力。所有的机加过程都应避免平行焊缝长度方向的划痕，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参数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。

实施例(结合图1～4)：

一、设计板形拉伸试样，测试母材和焊缝熔敷金属的拉伸性能，取三个试样的平均值，得到接头的屈服强度匹配比。

二、根据承载特点，选择理想化或非理想化情况的焊缝形状方案；根据板厚和接头的屈服强度匹配比，按照具体实施方式一或具体实施方式二的设计步骤确定低匹配“等承载”对接接头的焊缝几何参数值。

三、焊接低匹配对接接头，焊接顺序如图4所示。

四、机加工获得“等承载”对接接头的焊缝形状及其接头几何参数值。保证设计余高高度的情况下，余高上表面也可不磨平。对疲劳性能要求很高的焊接结构，首先对余高采取削平处理，然后在满足焊道宽度的基础上加工焊趾半径，焊趾半径加工时铣切或砂轮的打磨方向应尽量使焊趾区产生压缩的机加应力而避免拉伸的机加应力。所有的机加过程都应避免平行焊缝长度方向的划痕，且焊缝表面粗糙度应达到3.2以上。

Claims (2)

1.一种可使低匹配对接接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法，其特征在于：所述焊缝形状设计方法是基于焊根应力集中系数与低匹配接头屈服强度匹配比相等、焊趾应力集中系数最小化来实现“等承载”的；根据承载特点，当对接接头的疲劳性能要求很高时，对接接头的焊缝形状确定为：余高与母材之间采用的过渡曲线包括一个45°的折线和圆弧曲线两部分；所述焊缝形状设计方法为：

步骤一、计算低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR，所述低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR是指焊缝熔敷金属屈服强度与母材屈服强度的比值；

步骤二、求得余高高度h：在板厚尺寸和接头匹配比已经确定的情况下，为尽可能节省结构空间，余高高度取满足等承载实现条件的最小值，其值为：

$h_{\min }=\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}-t---\left(12\right)$

式中，t为板厚的一半；

步骤三、求得焊趾半径r：以焊趾应力集中系数K_toe在1.05以内为焊趾无应力集中设计标准；

$K_{\mathrm{toe}}=1+{\mathrm{\αr}}^{(0.403\frac{t}{h+t}-1.031)}---\left(1\right)$

式中α——焊趾应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.285-2.541{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(2\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.030-2.300{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(3\right)$

将上述已确定的几何参数t、h值带入式(1)和式(2)，可获得按最大主应力计算时的最小焊趾半径r值；

将上述已确定的几何参数t、h值带入式(1)和式(3)，可获得按等效VonMises应力计算时的最小焊趾半径r值；

步骤四、求得盖面焊道总半宽w：

确定余高半宽w₀：根据“等承载”实现条件μ_MMR＝K_root，当采用最大主应力方式计算时，“等承载”设计所需的最小余高半宽w_0min值为

$w_{0\min }=\frac{t}{{0.5454\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}---\left(13\right)$

当采用等效Von Mises应力方式计算时，“等承载”设计所需的余高半宽w_0min值为

$w_{0\min }=\frac{t}{{0.4929\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}}---\left(14\right)$

其中：式(13)由式(9)和式(10)结合得出；式(14)由式(9)和式(11)结合得出；式(9)～(11)是大焊趾半径条件下的焊根应力集中系数关系方程：

$K_{\mathrm{root}}=\frac{t}{h+t}+\mathrm{\η}---\left(9\right)$

式中η——大焊趾半径下的焊根应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\η}=0.09871{\left(\frac{h+t}{w_0}\right)}^2-0.05223\left(\frac{h+t}{w_0}\right)-0.0006748---\left(10\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\η}=0.11222{\left(\frac{h+t}{w_0}\right)}^2-0.04613\left(\frac{h+t}{w_0}\right)-0.05---\left(11\right)$

确定盖面焊道总半宽w：

$w=w_0+\frac{h}{2}+w_r---\left(15\right)$

式中，w_r——圆弧曲线部分对应的焊道半宽：

$w_r={[r^2-{(r-\frac{h}{2})}^2]}^{0.5}---\left(16\right)$

步骤五、根据余高高度h、焊趾半径r、余高半宽度w₀、圆弧曲线部分对应的焊道半宽度w_r和盖面焊道总半宽w即可获得所需的焊缝形状及其几何参数值。

2.根据权利要求1所述的可使低匹配对接接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法，其特征在于：在步骤一中，所述低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR范围在0.5～1.0之间。

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