CN102091893A - 可使焊接接头按母材承载能力承载的设计方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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≥σ_b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K_I≥K_IC、J≥J_IC，δ≥δ_IC裂纹发生失稳扩展，材料失效。其中K_IC、J_IC、δ_IC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K_I≥K_IC，J≥J_IC，δ≥δ_IC。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K_IC(J_IC、δ_IC)与母材的断裂韧度K_IC(J_IC、δ_IC)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ΔK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：P_w≥P_b。式中，P_w为使焊缝中裂纹发生失稳扩展的施加载荷；P_b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：

$\frac{K_w}{K_b}=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{K_{\mathrm{IC}}^b}=m$ $\frac{J_w}{J_b}=\frac{J_{\mathrm{IC}}^w}{J_{\mathrm{IC}}^b}=n$ 或者 $\frac{{\mathrm{\δ}}_w}{{\mathrm{\δ}}_b}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{IC}}^w}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{IC}}^b}=l---\left(1\right)$

式中，K_IC ^b(J_IC ^b、δ_IC ^b)-母材的断裂韧度，K_IC ^w(J_IC ^w、δ_IC ^w)-焊缝的断裂韧度；m(n、l)-焊缝与母材的断裂韧度匹配比。

断裂参量K、J积分、δ之间是可以相互转换的，因此可以任意讨论上面三式中的一式即可。由于各种断裂力学教材中都有很多不同裂纹形式的构件的应力强度因子公式，知道相应的工况、裂纹尺寸及位置、构件的形状，即可求出相应的应力强度因子，应用比较方便，因此从应力强度因子方面考虑较实用、方便。

由应力强度因子公式：

$K=\mathrm{Y\σ}\sqrt{a}---\left(2\right)$

知裂纹失稳扩展的临界应力：

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{K_{\mathrm{IC}}}{Y\sqrt{a}}---\left(3\right)$

那么

$\frac{{\mathrm{\σ}}_c^w}{{\mathrm{\σ}}_c^b}=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{K_{\mathrm{IC}}^b}\left(\frac{Y_b\mathrm{\σ}\sqrt{a_b}}{Y_w\mathrm{\σ}\sqrt{a_w}}\right)=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{K_{\mathrm{IC}}^b}\frac{K_b}{K_w}$

要想使得焊缝中的裂纹与母材中的裂纹同时失稳扩展，就应该使 $\frac{{\mathrm{\σ}}_c^w}{{\mathrm{\σ}}_c^b}=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{K_{\mathrm{IC}}^b}\frac{K_b}{K_w}=1,$ 即

$\frac{K_w}{K_b}=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{K_{\mathrm{IC}}^b}=m---\left(4\right)$

式中：σ_c ^w-焊缝中裂纹失稳扩展的临界应力；

σ_c ^b-母材中裂纹失稳扩展的临界应力；

K_IC ^w-焊缝的断裂韧度；

K_IC ^b-母材的断裂韧度；

Y_w-焊缝区的形状因子；

Y_b-母材区的形状因子；

a_w-焊缝区的裂纹尺寸参量；

a_b-母材区的裂纹尺寸参量；

σ-接头所承受的外加应力；

K_w-焊缝区的应力强度因子；

K_b-母材区的应力强度因子。

只要使焊缝区的应力强度因子满足式(4)，就能够保证焊缝中的裂纹与母材中的裂纹同时失稳扩展，从而达到焊缝与母材等承载。若在此基础上进一步通过形状设计减小焊缝区的应力强度因子，也就是使

$\frac{K_w}{K_b}<\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{K_{\mathrm{IC}}^b}---\left(5\right)$

就能使母材中的裂纹先于焊缝中的裂纹失稳扩展，进而保证当焊缝中和母材中都存在裂纹时，焊缝不先于母材破坏。这样就能使母材与焊缝中都容易出现缺陷的焊接结构按照母材的承载能力设计。

2.母材区无缺陷，焊缝区存在裂纹的情况：

当母材区无缺陷而焊缝区存在裂纹时，若焊缝中裂纹发生失稳扩展的临界应力等于母材的抗拉强度，即

${\mathrm{\&sigma;}}_c^w=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{Y_w\sqrt{a}}={\mathrm{\&sigma;}}_b^b---\left(6\right)$

σ_c ^w-焊缝中裂纹失稳扩展的临界应力；

K_IC ^w-焊缝的断裂韧度；

Y_w-焊缝区的形状因子；

a-裂纹尺寸参量；

σ_b ^b-母材金属的抗拉强度。

满足这样的条件的话，当外加载荷使焊缝中的裂纹发生失稳扩展的同时，

母材区的平均应力已经达到母材金属的抗拉强度，此时焊缝与母材同时破坏，即达到焊缝与母材等承载。

要想使焊缝不先于母材破坏，就应该使焊缝区裂纹发生失稳扩展的临界应力大于母材的抗拉强度。即

${\mathrm{\&sigma;}}_c^w>{\mathrm{\&sigma;}}_b^b---\left(7\right)$

σ_c ^w-焊缝中裂纹失稳扩展的临界应力；

σ_b ^b-母材金属的抗拉强度。

只要满足上式，也就是当外加载荷使得母材区的平均应力已经达到母材的抗拉强度时，焊缝区的裂纹还未达到使其发生失稳扩展的临界应力，还处于安全范围。这样的话，就能够保证当母材区无缺陷而焊缝区存在裂纹时，焊缝不先于母材破坏，这样就能使焊缝中容易出现缺陷而母材无缺陷的焊接结构可按照母材的承载能力进行设计。

3.母材区存在裂纹、焊缝区无缺陷的情况：

当母材区存在裂纹而焊缝区无缺陷时，若母材中裂纹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。即

${\mathrm{\&sigma;}}_c^b=\frac{K_{\mathrm{IC}}^b}{Y_b\sqrt{a}}={\mathrm{\&sigma;}}_{\max }^w\&le;{\mathrm{\&sigma;}}_b^w---\left(8\right)$

满足这样的条件的话，当外加载荷使得焊缝中的最大应力达到焊缝熔敷金属的抗拉强度的同时，母材中的裂纹已经达到其失稳扩展的临界应力，此时，焊缝与母材同时破坏，也就是焊缝与母材等承载。

要想使焊缝不先于母材破坏，就应该使母材区裂纹发生失稳扩展的临界应力低于焊缝区的峰值应力，同时焊缝区的峰值应力也要低于焊缝熔敷金属的抗拉强度。即

${\mathrm{\&sigma;}}_c^b=\frac{K_{\mathrm{IC}}^b}{Y_b\sqrt{a}}={\mathrm{\&sigma;}}_{\max }^w\&le;{\mathrm{\&sigma;}}_b^w---\left(9\right)$

σ_c ^b-母材中裂纹失稳扩展的临界应力；

K_IC ^b-母材的断裂韧度；

Y_b-母材区的形状因子；

a-裂纹尺寸参量；

σ_max ^w-焊缝中的峰值应力；

σ_b ^w-焊缝熔敷金属的抗拉强度。

只要满足上式，也就是当外加载荷已经达到使母材中裂纹发生失稳扩展的临界应力时，焊缝区的峰值应力还未达到焊缝熔敷金属的抗拉强度。即母材中的裂纹已经失稳扩展的同时，焊缝区金属还未达到其抗拉强度，还处于安全范围。这样的话，就能够保证当母材区存在裂纹而焊缝区无缺陷时，焊缝不先于母材破坏，这样就能使母材中存在缺陷而焊缝中无缺陷的焊接结构可按照母材的承载能力进行设计。

4.母材区和焊缝区都无缺陷的情况：

当母材与焊缝都无缺陷时。外加载荷作用下，当母材承受的平均应力值达到母材金属的抗拉强度时，如果此时焊缝内部的峰值应力恰好为焊缝熔敷金属的抗拉强度，无论焊缝金属的抗拉强度高于或低于母材的抗拉强度，只要达到上述要求，就会出现焊缝与母材同时破坏的情形，实现焊缝与母材等承载。因此，当焊缝与母材都无缺陷时，焊接接头与母材等承载的实现条件为焊缝中峰值应力与母材的平均应力比值与抗拉强度匹配比值相等，即：

$\frac{{{\mathrm{\&sigma;}}_{\max }}^w}{{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{adv}}}^b}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_b^w}{{\mathrm{\&sigma;}}_b^b}={\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{MMR}}---\left(10\right)$

式中，σ_max ^w-焊缝中的峰值应力；σ_adv ^b-母材的平均应力；σ_b ^w-焊缝熔敷金属的抗拉强度，σ_b ^b-母材的抗拉强度；μ_MMR-接头的抗拉强度匹配比。

要想使焊缝不先于母材破坏，就应使在外载荷的作用下，母材的平均应力已经达到母材的抗拉强度时，焊缝区的峰值应力还未达到焊缝熔敷金属的抗拉强度，这样的话焊缝就不会先于母材破坏。

$\frac{{{\mathrm{\&sigma;}}_{\max }}^w}{{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{adv}}}^b}<{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{MMR}}---\left(11\right)$

只要满足上式，使得焊缝中峰值应力与母材的平均应力比值小于其抗拉强度匹配比时焊缝不先于母材破坏的情形就能够发生，这样的话就能够使焊缝与母材都无缺陷的焊接结构可按照母材的承载能力进行设计。

综上所述，为提高焊接接头薄弱区的承载能力，应使接头薄弱区不先于母材发生破坏，以保证焊接接头具有不低于母材的承载能力。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，降低接头承载薄弱区的应力集中程度，从而使焊缝区的承载能力提高，接头设计在一定程度上可使焊接结构按照母材承载能力进行设计而不必考虑焊缝的承载能力的影响。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

方案一：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K_b：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K_b；

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K_w：由等承载条件式(4)，得式(12)：

$\frac{K_w}{K_b}=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{K_{\mathrm{IC}}^b}=m---\left(4\right)$

K_w＝mK_b    (12)

其中，m为步骤一中求出的接头断裂韧度匹配比，K_b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K_w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K_w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。

方案二：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，所述焊缝形状设计方法为：

步骤一、测量母材金属的抗拉强度σ_b ^b以及焊缝熔敷金属的断裂韧度K_IC ^w：根据相关的测量标准，测试母材金属的抗拉强度σ_b ^b和焊缝熔敷金属的断裂韧度K_IC ^w；

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K_w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；

${\mathrm{\&sigma;}}_c^w=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{Y_w\sqrt{a}}={\mathrm{\&sigma;}}_b^b---\left(6\right)$

σ_c ^w-焊缝中裂纹失稳扩展的临界应力；

K_IC ^w-焊缝的断裂韧度；

Y_w-焊缝区的形状因子；

a-裂纹尺寸参量；

σ_b ^b-母材金属的抗拉强度。

方案三：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，所述焊缝形状设计方法为：

步骤一、测量焊缝熔敷金属的抗拉强度σ_b ^w以及母材金属的断裂韧度K_IC ^b：根据相关的测量标准，测试焊缝熔敷金属的抗拉强度σ_b ^w和母材金属的断裂韧度K_IC ^b；

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_c ^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K_IC ^b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_c ^b；

${\mathrm{\&sigma;}}_c=\frac{K_{\mathrm{IC}}}{Y\sqrt{a}}---\left(3\right)$

步骤三、根据不同的工况、接头形式，通过一系列的有限元分析或实验分析确定接头几何参数(焊缝余高高度、焊缝余高宽度等)对焊缝区应力分布的影响规律；

步骤四、根据此时满足等承载的条件式(8)，结合步骤三的结果得出满足等承载的的焊缝区的接头几何参数，即可获得母材区存在裂纹而焊缝区无缺陷的接头满足等承载所需的焊缝形状。

方案四：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，所述焊缝形状设计方法为：

步骤一、计算接头抗拉强度匹配比μ_MMR，μ_MMR为焊缝熔敷金属抗拉强度与母材抗拉强度的比值；

$\frac{{{\mathrm{\&sigma;}}_{\max }}^w}{{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{adv}}}^b}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_b^w}{{\mathrm{\&sigma;}}_b^b}={\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{MMR}}---\left(10\right)$

式中，σ_max ^w-焊缝中的峰值应力；σ_adv ^b-母材的平均应力；σ_b ^w-焊缝熔敷金属的抗拉强度，σ_b ^b-母材的抗拉强度；μ_MMR-接头的抗拉强度匹配比；

步骤二、根据不同的工况、接头形式，通过一系列的有限元分析或实验分析确定接头几何参数(焊缝余高高度、焊缝余高宽度等)对焊缝区应力分布的影响规律；

步骤三、根据步骤二的结果，结合等承载条件式(10)得出满足等承载的的焊缝区的接头几何参数，即可获得无缺陷的接头满足等承载所需的焊缝形状。

本发明的有益效果是：

本发明方法对于母材和焊缝都容易出现裂纹等缺陷的焊接接头，通过焊缝形状设计使得焊缝与母材的K因子比值与接头的断裂韧度匹配比相等即可实现焊缝与母材等承载；对于母材无缺陷而焊缝容易出现裂纹等缺陷的焊接接头，通过焊缝形状设计使得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即可实现焊缝与母材等承载；对于母材中容易出现裂纹等缺陷而焊缝中无缺陷的焊接接头，通过焊缝形状设计使得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即可实现焊缝与母材等承载；对于母材和焊缝都不存在缺陷的焊接接头，通过焊缝形状设计使得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即可实现焊缝与母材等承载。本发明可保证获得承载能力不低于母材的焊接接头。本发明适用于任何形式的焊接接头和任意形式的焊接结构。本发明可保证焊接接头的承载能力不低于母材。本发明使焊接接头承载能力与母材承载能力相等或相当(即等承载)，提高了焊接接头的承载能力。

本发明的具体有益效果表现在以下几个方面：

(1)若焊接接头的母材区由于机加工产生附近缺陷或者固有的缺陷的存在，焊缝区容易产生热裂纹或冷裂纹等缺陷。这些因素都会显著降低接头的承载能力，尤其使薄弱的焊缝区的承载能力。可以通过接头的形状设计，降低焊缝区的应力强度因子，在外载荷的作用下，使母材中的裂纹先于焊缝中的裂纹失稳扩展，进而保证当焊缝中和母材中都存在裂纹的焊接结构，焊缝不先于母材破坏。这样就能使母材与焊缝中都容易出现缺陷的焊接结构按照母材的承载能力设计。

(2)对于母材无缺陷，而焊缝区容易产生热裂纹或冷裂纹等缺陷的焊接接头。此时的薄弱的焊缝区由于裂纹等缺陷的存在，其承载能力大幅度的降低。可以通过接头的形状设计，降低焊缝区的应力强度因子，在外载荷的作用下，使得母材区的平均应力已经达到母材的抗拉强度时，焊缝区的裂纹还未达到其失稳扩展的临界应力，还处于安全范围，进而保证当母材区无缺陷而焊缝区存在裂纹的焊接结构，焊缝不先于母材破坏，这样就能使焊缝中容易出现缺陷而母材无缺陷的焊接结构可按照母材的承载能力进行设计。

(3)对于母材区存在裂纹，而焊缝区无缺陷的焊接接头。此时由于母材区的裂纹存在，使得母材和焊缝都可能成为接头的薄弱环节。可以通过形状设计，降低焊缝区的应力。在外载荷的作用下，使得母材中的裂纹达到其临界应力时，焊缝区的峰值应力小于焊缝熔敷金属的抗拉强度，也就是母材中的裂纹已经失稳扩展，而焊缝还处于安全范围。这样就可以保证母材区存在裂纹而焊缝区无缺陷的焊接结构，焊缝不先于母材破坏，使母材中存在裂纹而焊缝中无缺陷的焊接结构可按照母材的承载能力进行设计。

(4)对于母材和焊缝中都无缺陷的焊接接头。可以通过接头的形状设计，降低焊缝区的应力。在外载荷的作用下，使得母材金属的平均应力达到母材金属的抗拉强度时，焊缝区的峰值应力小于焊缝熔敷金属的抗拉强度，焊缝区金属处于安全范围，进而保证焊缝不先于母材破坏。使母材和焊缝中都无缺陷的焊接结构可按照母材的承载能力进行设计。

本发明可保证焊接接头的承载能力不低于母材，使焊接结构完全可以按照母材的承载能力进行设计，工程意义较为理想。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的可使焊接接头按母材承载能力承载的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(焊缝与母材的K因子比值与接头的断裂韧度匹配比相等来实现等承载的)；根据承载特点，所述设计方法为：

步骤一、计算接头断裂韧度匹配比m(焊缝熔敷金属断裂韧度与母材断裂韧度的比值)；根据母材与焊缝的断裂韧度的测量标准，测试母材和焊缝熔敷金属的断裂韧度，得到接头的断裂韧度匹配比m；

步骤二、求得母材区的应力强度因子K_b：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K_b；

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K_w：由等承载条件式(4)，得式(12)：

$\frac{K_w}{K_b}=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{K_{\mathrm{IC}}^b}=m---\left(4\right)$

K_w＝mK_b    (12)

其中，m为步骤一中求出的接头断裂韧度匹配比，K_b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(焊缝余高高度、焊缝余高宽度等)对焊缝区应力强度因子K_w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K_w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。

所述焊缝形状设计方法适于母材区与焊缝区都存在裂纹的情况。母材区与焊缝区都存在裂纹的情况，在外载荷的作用下，焊缝与母材的K因子(J积分、δ)的比值等于焊缝与母材的断裂韧性匹配比时，即可实现焊缝与母材“等承载”，获得所述“等承载”接头的焊缝形状设计方法。

根据承载特点，按具体实施方式一所述焊缝形状设计方法即可满足使母材和焊缝中都存在裂纹的焊接接头按母材承载能力承载的要求。

具体实施方式二：本实施方式所述的可使焊接接头按母材承载能力承载的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，根据承载特点，所述焊缝形状设计方法为：

步骤一、测量母材金属的抗拉强度σ_b ^b以及焊缝熔敷金属的断裂韧度K_IC ^w：根据相关的测量标准，测试母材金属的抗拉强度σ_b ^b和焊缝熔敷金属的断裂韧度K_IC ^w；

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(焊缝余高高度、焊缝余高宽度等)对焊缝区应力强度因子K_w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；

${\mathrm{\&sigma;}}_c^w=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{Y_w\sqrt{a}}={\mathrm{\&sigma;}}_b^b---\left(6\right)$

σ_c ^w-焊缝中裂纹失稳扩展的临界应力；

K_IC ^w-焊缝的断裂韧度；

Y_w-焊缝区的形状因子；

a-裂纹尺寸参量；

σ_b ^b-母材金属的抗拉强度。

所述焊缝形状设计方法适于母材区无缺陷而焊缝区存在裂纹的情况。母材区无缺陷，焊缝区存在裂纹的情况，在外载荷的作用下，使焊缝中裂纹发生失稳扩展的临界应力等于母材的抗拉强度时，即可实现焊缝与母材等承载，获得所述等承载接头的焊缝形状设计方法。

根据承载特点，按具体实施方式二所述焊缝形状设计方法即可满足使母材无缺陷而焊缝中存在裂纹的焊接接头按母材承载能力承载的要求。

具体实施方式三：本实施方式所述的可使焊接接头按母材承载能力承载的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，根据承载特点，所述焊缝形状设计方法为：

步骤一、测量焊缝熔敷金属的抗拉强度σ_b ^w以及母材金属的断裂韧度K_IC ^b：根据相关的测量标准，测试焊缝熔敷金属的抗拉强度σ_b ^w和母材金属的断裂韧度K_IC ^b；

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_c ^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K_IC ^b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_c ^b；

${\mathrm{\&sigma;}}_c=\frac{K_{\mathrm{IC}}}{Y\sqrt{a}}---\left(3\right)$

步骤三、根据不同的工况、接头形式，通过一系列的有限元分析或实验分析确定接头几何参数(焊缝余高高度、焊缝余高宽度等)对焊缝区应力分布的影响规律；

步骤四、根据此时满足等承载的条件式(8)，结合步骤三的结果得出满足等承载的的焊缝区的接头几何参数，即可获得母材区存在裂纹而焊缝区无缺陷的接头满足等承载所需的焊缝形状。

当母材区存在裂纹而焊缝区无缺陷时，若母材中裂纹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，即

${\mathrm{\&sigma;}}_c^b=\frac{K_{\mathrm{IC}}^b}{Y_b\sqrt{a}}={\mathrm{\&sigma;}}_{\max }^w\&le;{\mathrm{\&sigma;}}_b^w---\left(8\right)$

满足这样或(8)所述条件，当外加载荷使得焊缝中的最大应力达到焊缝熔敷金属的抗拉强度的同时，母材中的裂纹已经达到其失稳扩展的临界应力，此时，焊缝与母材同时破坏，也就是焊缝与母材等承载。

所述焊缝形状设计方法适于母材区存在裂纹而焊缝区无缺陷的情况。在外载荷的作用下，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时。即可实现焊缝与母材等承载，获得所述等承载接头的焊缝形状设计方法。

根据承载特点，按具体实施方式三所述焊缝形状设计方法即可满足使母材区存在裂纹而焊缝区无缺陷的焊接接头按母材承载能力承载的要求。

具体实施方式四：本实施方式所述的可使焊接接头按母材承载能力承载的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，根据承载特点，所述焊缝形状设计方法为：

步骤一、计算接头抗拉强度匹配比μ_MMR(焊缝熔敷金属抗拉强度与母材抗拉强度的比值)；根据相关的测量标准，测量焊缝熔敷金属的抗拉强度σ_b ^w以及母材金属的抗拉强度σ_b ^b；

$\frac{{{\mathrm{\&sigma;}}_{\max }}^w}{{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{adv}}}^b}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_b^w}{{\mathrm{\&sigma;}}_b^b}={\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{MMR}}---\left(10\right)$

式中，σ_max ^w-焊缝中的峰值应力；σ_adv ^b-母材的平均应力；σ_b ^w-焊缝熔敷金属的抗拉强度，σ_b ^b-母材的抗拉强度；μ_MMR-接头的抗拉强度匹配比；

步骤二、根据不同的工况、接头形式，通过一系列的有限元分析或实验分析确定接头几何参数(焊缝余高高度、焊缝余高宽度等)对焊缝区应力分布的影响规律；

步骤三、根据步骤二的结果，结合等承载条件式(10)得出满足等承载的的焊缝区的接头几何参数，即可获得无缺陷的接头满足等承载所需的焊缝形状。

所述焊缝形状设计方法适于母材区和焊缝区都无缺陷的情况。在外载荷的作用下，使母材金属的平均应力与焊缝区的峰值应力同时达到各自相应的抗拉强度时。即可实现焊缝与母材等承载，获得所述等承载接头的焊缝形状设计方法。

根据承载特点，按具体实施方式四所述焊缝形状设计方法即可满足使无缺陷的焊接接头按母材承载能力承载的要求。

以上内容都是从静载承载能力方面进行讨论的，实质上是通过接头的形状设计降低焊缝区的应力强度因子或者降低焊缝区的峰值应力，进而提高接头的静载抗断能力。对于满足静载等承载的接头，根据裂纹扩展速率公式

(A和d为与材料有关的常数)，可知K减小，其ΔK也相应减小，裂纹扩展速率减小，疲劳寿命增加。因此满足静载等承载的接头，其疲劳抗力也会增加。

根据以上方案获得所需要的等承载接头的几何形状参数后，可以通过机械加工的方法来获得所需要的等承载接头：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。机加工获得等承载接头的焊缝形状及其接头几何参数值，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；也可以通过随焊整形的方法获得所需要的等承载接头：设计一套随焊整形装置，在焊接过程结束时即可获得所需要的等承载接头。

本发明所述设计方法适用于任意形式的焊接接头。

Claims (4)

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K_b：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K_b；

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K_w：由等承载条件式(4)，得式(12)：

$\frac{K_w}{K_b}=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{K_{\mathrm{IC}}^b}=m---\left(4\right)$

K_w＝mK_b    (12)

其中，m为步骤一中求出的接头断裂韧度匹配比，K_b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K_w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K_w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。

2.一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_b ^b以及焊缝熔敷金属的断裂韧度K_IC ^w：根据相关的测量标准，测试母材金属的抗拉强度σ_b ^b和焊缝熔敷金属的断裂韧度K_IC ^w；

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K_w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；

${\mathrm{\&sigma;}}_c^w=\frac{K_{\mathrm{IC}}^w}{Y_w\sqrt{a}}={\mathrm{\&sigma;}}_b^b---\left(6\right)$

σ_c ^w一焊缝中裂纹失稳扩展的临界应力；

K_IC ^w一焊缝的断裂韧度；

Y_w-焊缝区的形状因子；

a-裂纹尺寸参量；

σ_b ^b-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_b ^w以及母材金属的断裂韧度K_IC ^b：根据相关的测量标准，测试焊缝熔敷金属的抗拉强度σ_b ^w和母材金属的断裂韧度K_IC ^b；

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_c ^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K_IC ^b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_c ^b；

${\mathrm{\&sigma;}}_c=\frac{K_{\mathrm{IC}}}{Y\sqrt{a}}---\left(3\right)$

步骤三、根据不同的工况、接头形式，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分布的影响规律；

步骤四、根据此时满足等承载的条件式(8)，结合步骤三的结果得出满足等承载的的焊缝区的接头几何参数，即可获得母材区存在裂纹而焊缝区无缺陷的接头满足等承载所需的焊缝形状。

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μ_MMR，μ_MMR为焊缝熔敷金属抗拉强度与母材抗拉强度的比值；

$\frac{{{\mathrm{\&sigma;}}_{\max }}^w}{{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{adv}}}^b}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_b^w}{{\mathrm{\&sigma;}}_b^b}={\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{MMR}}---\left(10\right)$

式中，σ_max ^w-焊缝中的峰值应力；σ_adv ^b-母材的平均应力；σ_b ^w-焊缝熔敷金属的抗拉强度，σ_b ^b-母材的抗拉强度；μ_MMR-接头的抗拉强度匹配比；

步骤二、根据不同的工况、接头形式，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分布的影响规律；

步骤三、根据步骤二的结果，结合等承载条件式(10)得出满足等承载的的焊缝区的接头几何参数，即可获得无缺陷的接头满足等承载所需的焊缝形状。