CN101797670A - 可使低匹配丁字接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法 - Google Patents

Abstract

可使低匹配丁字接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法，它涉及一种焊缝形状设计方法，解决了低匹配丁字接头承载能力低于等强以上匹配丁字接头的问题。主要步骤：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，建立该焊缝形状方案下丁字接头形状参数与焊趾处和焊根处的应力集中系数间的关系方程，求得焊脚尺寸h、焊趾半径r、盖面焊道总宽度w，获得焊缝形状参数值。本发明使承受拉伸和弯矩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，又可保证低匹配丁字接头的静载承载能力不低于等匹配丁字接头、且疲劳强度明显高于焊态等匹配丁字接头。适用于K形焊缝双面施焊的低匹配丁字接头。

Description

可使低匹配丁字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及其设计方法，具体涉及一种可使低匹配丁字接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法，属于焊接技术领域。

背景技术

高强钢是舰船、潜艇、压力容器、压力管道、桥梁、低温容器和寒冷海洋结构的主体材料，但是，高强钢焊接结构普遍存在的问题是，冷裂纹缺陷频繁发生，是早期失效的最大隐患。目前采取的主要措施，一是针对特定种类和成分的高强钢，基于焊缝与母材等强的原则，开发低氢或超低氢的专用抗裂焊材，或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材，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，不仅容易引发冷裂纹缺陷，还会导致焊缝韧性显著降低；二是采用焊前预热或焊后热处理工艺，但预热会使热影响区强韧性降低，加剧高强钢热影响区的软化和脆化，且不利于焊接工艺简化及劳动条件的改善。

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，显著降低或避免冷裂纹的同时，还可降低预热温度、甚至可实现不预热焊接，而且钢材强度级别越高，冷裂纹的控制效果就越显著，因此，美国、日本等国家在一些工程结构中采用了高强钢的低匹配接头。但是，承载能力相对较低的不足，制约了高强钢低匹配接头的广泛应用。

另一方面，高强钢具有缺口效应很高的弱点，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，但其焊态等匹配接头的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，焊缝低强的接头组配将加剧这一趋势。因此有必要采取措施改善高强钢低匹配接头的综合性能。

综上所述，目前高强钢焊接结构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，但承载能力相对等匹配接头降低，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(包括静载强度、应力松弛能力和疲劳抗力)，以发挥高强钢应有的承载优势，而不是降低载荷使用或仅单纯研究强度失配造成的影响。现有技术中没有提供低匹配丁字接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法，无法使其具有与等匹配丁字接头相等的承载能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种可使低匹配丁字接头按母材强度承载的焊缝形状设计方法，以解决低匹配丁字接头承载能力低于等强以上匹配丁字接头的问题。丁字接头包括十字接头，本发明方法同样适用于低匹配十字接头的焊缝形状设计。

本发明的设计构思：为提高低匹配接头薄弱焊缝区的承载能力，应使拉伸载荷和弯矩载荷作用下低匹配接头的焊缝不会先于母材发生屈服(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抗力。以全面屈服断裂方式为判据的使低强焊缝与母材具有相等承载能力的设计思想进行接头设计，应当满足丁(十)字接头焊根(坡口内峰值应力所在位置)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实现条件。根据上述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丁(十)字接头焊缝形状方案，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、低强焊缝与母材具有相等承载能力的实现条件所需的接头几何参数。该接头设计的原理是，借助于焊缝形状参数设计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可使低匹配接头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：

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的；所述焊缝形状设计方法的具体设计过程为：

步骤A、确定焊缝形状：根据水平板端面焊于竖直板一侧表面形成的丁字接头的结构特点和承载特点确定焊缝形状：

机械加工水平板的焊接端，水平板的焊接端与竖直板之间形成的坡口角度α为45°，使竖直板与水平板之间的焊缝形状为K形；竖直板与水平板之间的焊缝轮廓线由一条45°的折线和一条圆弧曲线连接组成，其中，竖直板与45°折线相连，水平板表面与圆弧曲线相连并相切；

步骤B、确定焊缝形状的相关参数：

步骤B1、计算低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR，即焊缝熔敷金属屈服强度与母材屈服强度的比值；

步骤B2、确定焊脚尺寸h：设水平板板厚为2t，竖直板板厚为2kt，k为竖直板与水平板板厚的比值，k＞0；在低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR已经确定的情况下，通过按最大主应力计算的式(1)或通过按等效Von Mises应力计算的式(2)，即可确定焊脚尺寸h的最小值，式中，w₀＝kt；

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}=0.05405{\left(\frac{t+h}{w_0}\right)}^2-0.42926\frac{t+h}{w_0}+1.30677---\left(1\right)$

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}=0.03154{\left(\frac{t+h}{w_0}\right)}^2-0.29865\frac{t+h}{w_0}+1.18464---\left(2\right)$

步骤B3、确定焊趾半径r：以焊趾应力集中系数K_toe在1.05以内为焊趾应力集中最小化设计标准；

将上述已确定的几何参数t、h值代入式(3)和式(4)、可确定按最大主应力计算的设计所需的最小焊趾半径r值；

将上述已确定的几何参数t、h值代入式(3)和式(5)可确定按等效Von Mises应力计算的设计所需的最小焊趾半径r值；

$K_{\mathrm{toe}}=1+{\mathrm{\αr}}^{(0.403\frac{t}{h+t}-1.031)}=10.5---\left(3\right)$

式中α——焊趾应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.285-2.541{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(4\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.030-2.300{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(5\right)$

步骤B4、确定盖面焊道总宽度w：根据直角三角形边长关系，将焊趾半径r代入式(6)确定焊缝轮廓线中圆弧曲线部分对应的焊道宽度w_r，根据丁字接头的几何参数关系，将获得的w_r代入式(7)确定盖面焊道总宽度w；

$w_r={[r^2-{(r-\frac{h}{2})}^2]}^{0.5}---\left(6\right)$

$w=\frac{h}{2}+w_r---\left(7\right)$

步骤B5、根据确定的焊缝形状、焊脚尺寸h、焊趾半径r、圆弧曲线部分对应的焊道宽度w_r和盖面焊道总宽度w即可获得所需的焊缝形状。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明适用于双面施焊的低匹配K形焊缝丁(十)字接头。本发明使承受拉伸载荷和弯矩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，又可保证低匹配丁(十)字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丁(十)字接头。本发明使低匹配丁(十)字接头承载能力与等匹配丁(十)字接头承载能力相等或相当，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安全的韧带屈服方式断裂(即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的屈服强度、且延伸率较低)，焊缝形状设计使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，低匹配丁(十)字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复杂影响。

(3)接头设计调整了丁(十)字接头应力分布，降低了应力集中程度，即使在匹配比很低的情况，按母材强度加载时，低强焊缝区无三轴拉伸应力状态，可避免不安全的低应力、低延性破坏。

(4)由于焊缝形状设计使焊缝不先于母材屈服、且低强焊缝区具有更缓慢的应力增长速度和更大的应变硬化空间，使低匹配丁(十)字接头对裂纹缺陷的敏感程度不高于等匹配接头，接头安全性甚至比等匹配接头更好。

(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，又可保证低匹配丁(十)字接头的静载承载能力不低于等匹配丁(十)字接头、且疲劳强度远高于焊态等匹配丁(十)字接头，工程意义较为理想。

经验证，采用本发明方法设计的屈服强度匹配比大于0.5的高强钢低匹配丁(十)字接头的性能指标为：

断裂性质：全面屈服断裂；

接头静载强度：≥等匹配丁(十)字接头抗拉强度的95％

              ≥等匹配丁(十)字接头抗弯强度的90％；

接头高周疲劳强度：≥高强钢焊态等匹配丁(十)字接头的120％。

附图说明

图1是用本发明方法设计的丁字接头的焊缝形状示意图，图2是用本发明方法设计的十字接头的焊缝形状示意图，图3是图1或图2所示丁(十)字接头焊缝形状的1/2(1/4)部分的几何参数关系图，图4是用于丁(十)字接头焊缝形状加工的堆焊焊道示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1、图2和图3，本实施方式所述的可使低匹配丁(十)字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的；所述焊缝形状设计方法的具体设计过程为：

步骤A、确定焊缝形状：根据水平板端面焊于竖直板一侧(十字接头时，将两个水平板端面焊于竖直板两侧)表面形成的丁(十)字接头的结构特点和承载特点确定焊缝形状：

机械加工水平板的焊接端，水平板的焊接端与竖直板之间形成的坡口角度α为45°，使竖直板与水平板之间的焊缝形状为K形；竖直板与水平板之间的焊缝轮廓线由一条45°的折线和一条圆弧曲线连接组成，其中，竖直板与45°折线相连，水平板表面与圆弧曲线相连并相切；

步骤B、确定焊缝形状的相关参数：

步骤B1、计算低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR，即焊缝熔敷金属屈服强度与母材屈服强度的比值；

步骤B2、确定焊脚尺寸h：设水平板板厚为2t，竖直板板厚为2kt，k为竖直板与水平板板厚的比值，k＞0；在低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR已经确定的情况下，通过按最大主应力计算的式(1)或通过按等效Von Mises应力计算的式(2)，即可确定焊脚尺寸h的最小值，式中，w₀＝kt；

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}=0.05405{\left(\frac{t+h}{w_0}\right)}^2-0.42926\frac{t+h}{w_0}+1.30677---\left(1\right)$

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}=0.03154{\left(\frac{t+h}{w_0}\right)}^2-0.29865\frac{t+h}{w_0}+1.18464---\left(2\right)$

步骤B3、确定焊趾半径r：以焊趾应力集中系数K_toe在1.05以内为焊趾应力集中最小化设计标准；

将上述已确定的几何参数t、h值代入式(3)和式(4)、可确定按最大主应力计算的设计所需的最小焊趾半径r值；

将上述已确定的几何参数t、h值代入式(3)和式(5)可确定按等效Von Mises应力计算的设计所需的最小焊趾半径r值；

$K_{\mathrm{toe}}=1+{\mathrm{\αr}}^{(0.403\frac{t}{h+t}-1.031)}=1.05---\left(3\right)$

式中α-焊趾应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.285-2.541{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(4\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.030-2.300{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(5\right)$

步骤B4、确定盖面焊道总宽度w：根据直角三角形边长关系，将焊趾半径r代入式(6)确定焊缝轮廓线中圆弧曲线部分对应的焊道宽度w_r，根据丁(十)字接头的几何参数关系，将获得的w_r代入式(7)确定盖面焊道总宽度w；

$w_r={[r^2-{(r-\frac{h}{2})}^2]}^{0.5}---\left(6\right)$

$w=\frac{h}{2}+w_r---\left(7\right)$

步骤B5、根据确定的焊缝形状、焊脚尺寸h、焊趾半径r、圆弧曲线部分对应的焊道宽度w_r和盖面焊道总宽度w即可获得所需的焊缝形状。

完成上述步骤后，按照图4的焊道分布示意图进行丁(十)字接头焊接，对加宽加高焊道进行机械加工以获得步骤B确定的焊缝形状及其几何参数。

本实施方式所述低匹配接头承受的载荷形式为单轴拉伸、双轴拉伸或弯矩载荷。

用本实施方式所述方法得到的丁(十)字接头的焊缝形状是图1和2所示的形状，其中，竖直板与水平板之间的焊缝轮廓线由一条45°的折线和一条圆弧曲线连接组成，其中，竖直板与45°折线相连，水平板表面与圆弧曲线相连并相切。圆弧曲线半径(即焊趾半径)r可为80mm。本实施方式所述焊缝形状设计方法完全适合特定匹配比的低匹配K形焊缝丁(十)字接头能够按照母材强度承载所需的焊缝形状方案及其形状参数设计，解决了高强钢低匹配丁(十)字接头承载能力低于等强以上匹配接头的问题，以及由此引发的焊接结构的应用、强度设计、安全性评定需要考虑匹配比复杂影响的问题。

具体实施方式二：本实施方式在步骤B1中，所述低匹配丁(十)字接头的屈服强度匹配比μ_MMR为0.5～1.0。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1和图2所示，本实施方式在步骤A中，在焊接过程中保持竖直板焊接表面与水平板焊接端面之间的坡口间隙s小于2mm。这样有利于保证低匹配接头承载能力的提高效果。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：如1和图2所示，本实施方式在步骤A中，水平板焊接端的钝边高度y为2mm。如此设计，焊接质量会更好。其它步骤与具体实施方式二、三相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式在步骤B2中，所述竖直板与水平板板厚的比值k≥0.5。k≥0.5时，可保证低匹配K形焊缝丁字接头承载能力的提高效果。其它步骤与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：如图2所示，本实施方式在步骤B2中，对于丁字接头型式中的十字接头，所述竖直板与水平板板厚的比值k≥1。k≥1时，可保证低匹配K形焊缝十字接头承载能力的提高效果。其它步骤与具体实施方式一、二、三或四相同。

对水平板开K形坡口，坡口角度45°，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、向外堆焊足够高度h和宽度w的焊道。机加工获得丁(十)字接头的焊缝形状及其接头几何参数值。机加时，首先在满足焊道宽度的基础上加工焊趾半径，然后加工45°折线部分，对疲劳性能要求较高的焊接结构，此过程中应使45°折线与竖直板之间、圆弧曲线与水平板之间的轮廓线圆滑过渡，不产生较大应力集中；加工焊趾半径和折线时，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、k≥1的双面施焊的K形焊缝十字接头和k≥0.5的双面施焊的K形焊缝丁字接头。

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，取三个试样屈服强度的平均值，得到接头的屈服强度匹配比。

二、根据结构和承载特点，确定如图1或图2所示的焊缝形状方案；根据板厚和接头的屈服强度匹配比，按照具体实施方式的设计步骤确定低匹配丁(十)字接头的焊缝几何参数值。

三、对水平板开K形坡口，坡口角度45°，坡口间隙2mm，钝边高度2mm；双面施焊，焊接低匹配丁(十)字接头，在普通焊缝的基础上向上、向外堆焊足够高度h和宽度w的焊道，堆焊焊道如图4所示。

四、机加工获得丁(十)字接头的焊缝形状及其接头几何参数值。机加时，首先在满足焊道宽度的基础上加工焊趾半径，然后加工45°折线部分，对疲劳性能要求较高的焊接结构，此过程中应使45°折线与竖直板之间、圆弧曲线与水平板之间的轮廓线圆滑过渡，不产生较大应力集中；加工焊趾半径和折线时，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。

Claims (6)

1.一种可使低匹配丁字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的；所述焊缝形状设计方法的具体设计过程为：

步骤A、确定焊缝形状：根据水平板端面焊于竖直板一侧表面形成的丁字接头的结构特点和承载特点确定焊缝形状：

机械加工水平板的焊接端，水平板的焊接端与竖直板之间形成的坡口角度α为45°，使竖直板与水平板之间的焊缝形状为K形；竖直板与水平板之间的焊缝轮廓线由一条45°的折线和一条圆弧曲线连接组成，其中，竖直板与45°折线相连，水平板表面与圆弧曲线相连并相切；

步骤B、确定焊缝形状的相关参数：

步骤B1、计算低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR，即焊缝熔敷金属屈服强度与母材屈服强度的比值；

步骤B2、确定焊脚尺寸h：设水平板板厚为2t，竖直板板厚为2kt，k为竖直板与水平板板厚的比值，k＞0；在低匹配接头屈服强度匹配比μ_MMR已经确定的情况下，通过按最大主应力计算的式(1)或通过按等效Von Mises应力计算的式(2)，即可确定焊脚尺寸h的最小值，式中，w₀＝kt；

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}=0.05405{\left(\frac{t+h}{w_0}\right)}^2-0.42926\frac{t+h}{w_0}+1.30677---\left(1\right)$

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{MMR}}=0.03154{\left(\frac{t+h}{w_0}\right)}^2-0.29865\frac{t+h}{w_0}+1.18464---\left(2\right)$

步骤B3、确定焊趾半径r：以焊趾应力集中系数K_toe在1.05以内为焊趾应力集中最小化设计标准；

将上述已确定的几何参数t、h值代入式(3)和式(4)、可确定按最大主应力计算的设计所需的最小焊趾半径r值；

将上述已确定的几何参数t、h值代入式(3)和式(5)可确定按等效Von Mises应力计算的设计所需的最小焊趾半径r值；

$K_{\mathrm{toe}}=1+{\mathrm{\αr}}^{(0.403\frac{t}{h+t}-1.031)}=1.05---\left(3\right)$

式中α——焊趾应力集中形状系数；

按最大主应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.285-2.541{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(4\right)$

按等效Von Mises应力计算时，

$\mathrm{\α}=3.030-2.300{\left(\frac{t}{h+t}\right)}^2---\left(5\right)$

步骤B4、确定盖面焊道总宽度w：根据直角三角形边长关系，将焊趾半径r代入式(6)确定焊缝轮廓线中圆弧曲线部分对应的焊道宽度w_r，根据丁字接头的几何参数关系，将获得的w_r代入式(7)确定盖面焊道总宽度w；

$w_r={[r^2-{(r-\frac{h}{2})}^2]}^{0.5}---\left(6\right)$

$w=\frac{h}{2}+w_r---\left(7\right)$

步骤B5、根据确定的焊缝形状、焊脚尺寸h、焊趾半径r、圆弧曲线部分对应的焊道宽度w_r和盖面焊道总宽度w即可获得所需的焊缝形状。

2.根据权利要求1所述的可使低匹配丁字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B1中，所述低匹配丁字接头屈服强度匹配比μ_MMR为0.5～1.0。

3.根据权利要求2所述的可使低匹配丁字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A中，在焊接过程中保持竖直板焊接表面与水平板焊接端面之间的坡口间隙s小于2mm。

4.根据权利要求3所述的可使低匹配丁字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A中，水平板焊接端的钝边高度y为2mm。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的可使低匹配丁字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B2中，所述竖直板与水平板板厚的比值k≥0.5。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的可使低匹配丁字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B2中，对于丁字接头型式中的十字接头，所述竖直板与水平板板厚的比值k≥1。

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