CN102192858B - T型焊接接头结构体的t接头部的疲劳特性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供无需实际制作焊接接头进行疲劳试验，能够简便快速评价T型焊接接头结构体的T接头部的疲劳特性的方法，其中，在将T接头部的焊趾部曲率半径定为ρ(mm)，将T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率(％)定为UE_HAZ，将T接头部的焊接热影响部的屈服应力(MPa)定为YP_HAZ时，通过使用由下式(1)表示的焊趾部应变评价参数，对T型焊接接头结构体的疲劳特性进行评价，焊趾部应变评价参数(1)＝(1.13×10^-2×ρ^-0.59)×(1.05×10^-4×UE_HAZ+1.64×10^-2)×(5.15×YP_HAZ ^-0.92)…(1)。

Description

T型焊接接头结构体的T接头部的疲劳特性评价方法

技术领域

本发明涉及无需实际制作焊接接头进行疲劳试验，能够简便快速评价(预测、推定)T型焊接接头结构体的T接头部的疲劳特性的方法。本发明的评价方法可以适用于例如造船、海洋结构物、低温箱、管道管线、土木建筑结构物等的T型焊接接头结构体所适用的各种领域。

背景技术

如船舶和机械等使用厚钢板的焊接结构物的破坏的大半是疲劳裂纹引起的，该疲劳裂纹几乎都在焊接接头部发生。这是因为焊接接头部的疲劳强度与母材相比显著低下。

焊接接头部的疲劳特性受母材侧的焊趾部(溶接止端部)的形状(特别是止端半径)的影响很大，这是公知的。因此，历来为了提高焊接接头部的疲劳特性，使用通过研磨机研磨焊趾部使其光滑(焊接部形状平坦化)，降低应力集中的方法(例如，参照非专利文献1)。

另一方面，焊接接头部的材料特性(机械特性)对于破老特性的影响还未明了，至今几乎未进行研究。因此，在评价(预测)焊接接头部的疲劳特性时，实际情况是将大量的焊接接头的疲劳实验结果进行统计处理等而决定。具体地说，变化焊接接头部的条件，制作反应各条件的焊接接头结构试验体进行疲劳试验，其成本大且花费时间，是非现实的。

因此，在专利文献1中公开了不进行实际焊接简便、快捷地评价钢材的焊接热影响部的疲劳破坏感受性的试验方法。在此，疲劳裂纹从应力集中最激烈的焊趾部发生，传播，疲劳裂纹最容易发生的位置着眼于焊接热影响部(HAZ)的点，使用赋予规定的热过程和切口加工的试验片评价HAZ的疲劳破坏感受性。但是，上述专利文献1的方法由于未从焊接接头部的材料特性进行研究，所以希望提供对焊接接头部的疲劳特性评价有用的材料设计方针。

专利文献1特开平7-103871号公报

非专利文献1“疲劳设计便览”，日本材料学会编，养贤堂出版，1995年1月出版

发明内容

本发明鉴于上述情况而作，其目的在于提供一种无需进行繁杂的疲劳试验，能够简便且迅速地评价(预测、推定)T型焊接接头结构体的T接头部的疲劳特性的方法。

能够解决上述课题的本发明的评价方法，是评价T型焊接接头结构体的T接头部的疲劳特性的方法，其要旨在于，在将所述T接头部的焊趾部曲率半径定为ρ(mm)，将所述T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率(％)定为UE_HAZ，将所述T接头部的焊接热影响部的屈服应力(MPa)定为YP_HAZ时，通过使用由下式(1)表示的焊趾部应变评价参数(1)，对T型焊接接头结构体的疲劳特性进行评价。

焊趾部应变评价参数(1)＝(1.13×10^-2×ρ^-0.59)×(1.05×10^-4×UE_HAZ+1.64×10^-2)×(5.15×YP_HAZ ^-0.92)…(1)

另外，能够解决上述课题的本发明的其他的评价方法，是评价T型焊接接头结构体的T接头部的疲劳特性的方法，其要旨在于，在将所述T接头部的焊趾部曲率半径定为ρ(mm)，将所述T接头部的焊接热影响部的10000次塑性应变负荷后的均匀拉伸率(％)定为UE_HAZ，cycle，将所述T接头部的焊接热影响部的10000次塑性应变负荷后的屈服应力(MPa)定为YP_HAZ，cycle时，通过使用由下式(2)表示的焊趾部应变评价参数(2)，对T型焊接接头结构体的疲劳特性进行评价。

焊趾部应变评价参数(2)＝(1.13×10^-2×ρ^-0.59)×(1.05×10^-4×UE_{HAZ， cycle}+1.64×10^-2)×(5.15×YP_HAZ，cycle ^-0.92)…(2)

本发明规定的式(1)和式(2)的参数作为T型焊接接头结构体的T接头部的焊趾部疲劳特性的代替评价参数有用，即使实际不制作焊接接头进行疲劳试验，也能够评价(预测、推定)T接头部的疲劳特性。本发明的T接头部的疲劳特性的评价方法不仅适用于焊趾部局部塑性应变发生的情况，而且也适用于焊趾部局部塑性应变反复负荷的情况。前者的情况使用式(1)的参数，后者的情况使用式(2)的参数，由此，能够评价T接头部的疲劳特性。

附图说明

图1是显示由于焊趾部局部发生局部塑性应变而产生疲劳裂纹的情况的模式图。

图2是表示T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率UE_HAZ＝5％，T接头部的焊接热影响部的屈服应力YP_HAZ＝500MPa一定时，仅使焊趾部曲率半径ρ变化时，对于焊趾部局部塑性应变量的影响的曲线图。

图3是表示焊趾部曲率半径ρ＝0.5mm，T接头部的焊接热影响部的屈服应力YP_HAZ＝500MPa一定时，仅使T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率UE_HAZ变化时，对于焊趾部局部塑性应变量的影响的曲线图。

图4是表示焊趾部曲率半径ρ＝0.5mm，T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率UE_HAZ＝5％一定时，仅使T接头部的焊接热影响部的屈服应力YP_HAZ变化时，对于焊趾部局部塑性应变量的影响的曲线图。

图5是模式化地显示使用实施例中所用的微小切口试验片实施疲劳试验时，局部塑性应变发生的状况的图。

图6是显示在实施例中本发明规定的焊趾部应变评价参数(1)和与疲劳裂纹发生寿命10⁵次对应的应力范围Δσ/TS的关系的曲线图。

图7是显示在实施例中本发明规定的焊趾部应变评价参数(2)和与疲劳裂纹发生寿命10⁵次对应的应力范围Δσ/TS的关系的曲线图。

具体实施方式

本发明者们为了提供一种无需进行繁杂的疲劳试验，从材料设计的观点能够评价(预测、推定)T型焊接接头结构体的T接头部的疲劳特性的方法，进行了研究，其结果是发现如果使用由下式(1)表示的焊趾部应变评价参数(1)或由下式(2)表示的焊趾部应变评价参数(2)，能够简便且迅速地评价该T接头部的疲劳特性，完成了本发明。其中的焊趾部应变评价参数(1)在焊趾部局部塑性应变发生时的疲劳特性评价中有用，焊趾部应变评价参数(2)在焊趾部局部塑性应变反复负荷时的疲劳特性评价中有用。

焊趾部应变评价参数(1)＝(1.13×10^-2×ρ^-0.59)×(1.05×10^-4×UE_HAZ+1.64×10^-2)×(5.15×YP_HAZ ^-0.92)…(1)

式中，ρ为焊趾部曲率半径(mm)

UE_HAZ为T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率(％)

YP_HAZ为T接头部的焊接热影响部的屈服应力(MPa)。

焊趾部应变评价参数(2)＝(1.13×10^-2×ρ^-0.59)×(1.05×10^-4×UE_{HAZ， cycle}+1.64×10^-2)×(5.15×YP_HAZ，cycle ^-0.92)…(2)

式中，ρ为焊趾部曲率半径(mm)

UE_HAZ，cycle为T接头部的焊接热影响部的10000次塑性应变负荷后的均匀拉伸率(％)

YP_HAZ，cycle为T接头部的焊接热影响部的10000次塑性应变负荷后的屈服应力(MPa)。

以下，参照图1说明得到本发明的过程。

在本发明中，以焊接接头形状中焊接结构物所广泛使用的T型接头形状(T接头部)为对象，为了通过模拟使疲劳特性和T接头部的材料特性的关系清楚，进行以下基础实验。在此，使用通过焊接将高强度钢板对接焊的垂直构件和将高强度钢板对接焊的水平构件接合而成的T型焊接接头结构体。基础实验中使用的水平构件和垂直构件的板厚为60mm，水平构件的公称应力(相当于母材的YP)为490MPa。

在进行研究时，不仅着眼于和疲劳特性密切相关的焊趾部曲率半径ρ(mm)，而且着眼于作为材料特性因子，特别是均匀拉伸率(UE)和屈服应力(YP)。这是因为，焊趾部发生的局部塑性应变量是疲劳特性的支配因子(参照图1)，UE和YP与塑性应变相关。另外，疲劳裂纹从应力集中最激烈的焊趾部发生，传播，该止端部是焊接热影响部(HAZ)，因此，在本发明中特别着眼于HAZ部的UE和屈服应力。在本发明中，T接头部的HAZ部的均匀拉伸率(％)为UE_HAZ，T接头部的焊接热影响部的屈服应力(MPa)为YP_HAZ。

而且，在调查T接头部的条件(ρ、UE_HAZ、YP_HAZ)各自对焊趾部塑性应变量的影响时，得到图2～图4的结果。

图2是UE_HAZ＝5％，YP_HAZ＝500MPa一定时，仅使ρ变化时，对于焊趾部局部塑性应变量的影响的曲线图。

如图2所示，ρ以外的条件一定时，ρ越大，焊趾部局部塑性应变量以指数函数地减少。其结果与现有的认知一致。如上所述，焊趾部半径受到应力集中的影响，止端部半径越大，应力集中越减少，因此，局部塑性应变也减少。根据图2的结果导出下述关系式(1A)。

焊趾部应变量＝1.13×10^-2×ρ^-0.59…(1A)

ρ为焊趾部曲率半径(mm)，T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率UE_HAZ(％)，T接头部的焊接热影响部的屈服应力YP_HAZ(MPa)一定。

图3是ρ＝0.5mm，YP_HAZ＝500MPa一定时，仅使UE_HAZ变化时，对于焊趾部局部塑性应变量的影响的曲线图。

根据图3可知，由于UE_HAZ变化局部塑性应变发生举动大幅变动，UE_HAZ越小焊趾部局部塑性应变量也越小。根据图3的结果可以导出下述关系式(1B)。

焊趾部局部塑性应变量＝1.05×10^-4×UE_HAZ+1.64×10^-29…(1B)

UE_HAZ为T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率(％)，焊趾部曲率半径ρ(mm)，和T接头部的焊接热影响部的屈服应力YP_HAZ(MPa)一定。

图4是ρ＝0.5mm，UE_HAZ＝5％一定时，仅使YP_HAZ变化时，对于焊趾部局部塑性应变量的影响的曲线图。根据图4可知，由于YP_HAZ变化局部塑性应变发生举动大幅变动，YP_HAZ越大焊趾部局部塑性应变量越小。焊接热影响部的屈服应力对疲劳负荷时的止端部的变性举动有很大影响。根据图4的结果可以导出下述关系式(1C)。

焊趾部局部塑性应变量＝5.15×YP_HAZ ^-0.92…(1C)

YP_HAZ为T接头部的焊接热影响部的屈服应力(MPa)，焊趾部曲率半径ρ(mm)，和T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率UE_HAZ(％)一定。

基于上述基础实验的结果，对上述要件(ρ、UE_HAZ、YP_HAZ)对于焊趾部的局部塑性应变量综合影响进行详细研究。其结果是发现，在以上述要件之外的条件(例如水平构件和垂直构件的板厚、焊接方法等)不变化，同一条件为前提的情况下，结合上述式(1A)、(1B)和(1C)的焊趾部局部塑性应变量，即由上述式(1)表示的参数(1)与焊趾部的疲劳特性具有良好的相关关系，从而完成本发明。由上述式(1)算出的参数的值越小，焊趾部局部塑性应变量越大，疲劳特性越优异(参照后述图6)。

另外，上述参数在焊趾部局部塑性应变反复负荷时的疲劳特性评价中也有用，此时，可以使用上式(2)的评价参数。即，根据钢种等，通过超过屈服应力的应力反复负荷，屈服应力和均匀拉伸率变化，此时，焊趾部局部塑性应变反复负荷，因此，HAZ部的屈服应力和均匀拉伸率变化，对焊趾部的疲劳寿命有很大影响。如果使用上述式(2)，可以高精度地评价由于反复负荷屈服应力和均匀拉伸率变化时的疲劳寿命。

在此，上述式(2)是在上述式(1)中，除了将UE_HAZ(T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率)置换为UE_HAZ，cycle(T接头部的焊接热影响部的10000次塑性应变负荷后的均匀拉伸率)，将YP_HAZ(T接头部的焊接热影响部的屈服应力)置换为YP_HAZ，cycle(T接头部的焊接热影响部的10000次塑性应变负荷后的屈服应力)以外，与上述式(1)完全相同。

还有，在上述式(2)中，将反复次数定为10000次，是考虑到反复负荷后的屈服应力和均匀拉伸率的变化在反复到1000～5000次有很大变化，但其后大致一定的经验法则，作为5000次以后的HAZ部的屈服应力和均匀拉伸率的代表值，选择10000次(0.5％应变)的各值。

如此，本发明的特点在于，由上述式(1)和上述式(2)表示的焊趾部评价参数作为T型焊接接头结构体的T接头部的焊趾部疲劳特性的代替评价参数有用。根据本发明，即使不如现有技术那样实际制作焊接接头进行疲劳试验，也能够评价T接头部的疲劳特性。

在本发明中，如上所述，是以上述评价参数中不含的条件一定，并且，焊趾部局部塑性应变发生为前提，导出上述式(1)或上述式(2)，因此，作为本发明的方法适用的前提条件，举出以下事项。

首先，为了使焊趾部发生局部的塑性变形，水平构件(母材)的公称应力的范围大致为300～500MPa。水平构件的公称应力低于300MPa时，有可能局部不发生塑性变形，而超过500MPa时，钢板全面塑性变形。同样，水平构件和焊接热影响部(HAZ)的抗拉强度大致为400～700MPa。

另外，上述式(1)适用的ρ、UE_HAZ、YP_HAZ的容许范围没有特别限定，但从使焊趾部发生局部的塑性变形的观点出发，优选大致ρ：0.1mm以上2.0mm以下，UE_HAZ：5％以上20％以下，YP_HAZ：300MPa以上650MPa以下的范围内。

另外，上述式(2)适用的ρ、UE_HAZ，cycle、YP_HAZ，cycle的容许范围没有特别限定，但从使焊趾部发生局部的塑性变形的观点出发，优选大致ρ：0.1mm以上2.0mm以下，UE_HAZ，cycle：5％以上20％以下，YP_HAZ，cycle：300MPa以上650MPa以下的范围内。

考虑到对于焊趾部的应力集中系数的影响，构成本发明中作为对象的焊接结构体的水平构件的板厚优选大致50～80mm。垂直构件与上述相同，优选大致50～80mm。

对于上述要件以外本发明没有特别限定。例如用于接合垂直构件和水平构件的方法没有特别限定，例如可以例举埋弧焊接法或碳酸气体电弧焊接法。

另外，构成接合垂直构件和水平构件的钢板的种类没有特别限定，只要满足上述抗拉强度等要件，可以适用焊接结构体通常似乎用的钢板。优选构成接合垂直构件和水平构件的钢板的种类相同。

由上述式(1)和上述式(2)表示的焊趾部评价参数适用于对焊接止端半径ρ和材料特性(UE_HAZ和YP_HAZ、或UE_HAZ，cycle和YP_HAZ，cycle)的至少一个不同的T接头部彼此的疲劳特性进行比较研究。基于该式计算出的数值成为用于决定二种以上的T接头部间的疲劳特性的优劣(疲劳特性设计方针)，但数值自身没有含义，也并非是用于推定各T接头部间的疲劳特性的指标。

具体地说，作为本发明的代表适用例，可以举出制作几个水平构件和垂直构件的板厚的组合相同的T型焊接接头时，对各接头不进行繁杂的疲劳试验，进行用于算出ρ的简便的曲率调查，和用于算出上述材料特性(UE_HAZ和YP_HAZ)的抗拉试验，算出由上述式(1)和上述式(2)表示的评价参数的值进行比较，由此，决定疲劳特性优异的焊接接头。数值越小，疲劳特性越优异，从而选定疲劳特性最优异的T接头。

另外，如果预先将由上式表示的评价参数和必要的疲劳特性的关系数据库化，则能够决定疲劳特性优异的T接头部的材料设计方针和焊接条件等。在此，由于ρ可能根据焊接材料(详细地说形成熔覆金属的焊丝)的种类的变化而变化，而均匀拉伸率和屈服应力的材料特性(例如UE_HAZ和YP_HAZ)根据焊接时的总热量(J)的变化而变化，因此，焊接条件和材料特性的关系可以数据库化。

实施例

以下，举实施例更具体地说明本发明，但本发明不受下述实施例限定，在本发明前后宗旨的范围内可以适当变更实施，这均包含在本发明的技术范围中。

实施例1

在本实施例中，作为模拟焊接接头的试验片制作微小切口试验片，对使用上述试验片进行疲劳试验时的疲劳特性和由上述式(1)和上述式(2)表示的焊趾部局部塑性应变评价参数(1)或(2)的关系进行研究。

详细地说，准备图5所示的平滑板状的切口试验片(没有焊接部等的不连续形状的试验片，纵65mm×横16mm×厚4mm)。使用该试验片时，切口部应力集中发生局部的塑性应变，因此，能够再现T接头的焊趾部的应变状态。

图5所示的平滑试验片的疲劳特性(疲劳裂纹寿命)是通过将负荷应力范围Δσ(疲劳试验中作用反复最大应力S₁和反复最小应力S₂的差)除以试验片的抗拉强度TS的值(Δσ/TS)而进行评价。在本实施例中，通过以下方法进行疲劳试验，算出对应于疲劳裂纹发生寿命为10⁵次的应力范围Δσ/TS。

(疲劳试验)

将试验片安装在油压式疲劳试验机上，对试验片的轴向(图5的箭头方向)施加的拉伸载荷，在S₁和S₂一定的条件下反复施加载荷。S₁和S₂通过安装在充分远离试验片的切口的位置的应变计进行测定。另外，准备3根相同的试验片(n＝3)，在疲劳裂纹发生寿命进入大约10⁴～10⁶的范围的条件下，变化应力负荷条件进行试验，求出应力范围和疲劳裂纹发生寿命的关系，作为应力范围和疲劳裂纹发生寿命的关系的函数定式化，算出疲劳裂纹发生寿命＝10⁵时的应力范围。同样，求出反复塑性应变10000循环(0.5％应变)负荷后的应力范围和疲劳裂纹发生寿命的关系，算出疲劳裂纹发生寿命＝10⁵时的应力范围。

具体地说，使用屈服应力YP、均匀拉伸率UE和切口曲率R不同的表1的试验片1～8实施上述疲劳试验，根据上述方法测定Δσ/TS。另外，对上述试验片1～8分别算出焊趾部局部塑性应变评价参数(1)和(2)。在此，上述试验片的切口曲率R对应于T接头的焊趾部曲率半径ρ，上述试验片的屈服应力YP和均匀拉伸率UE分别对应于T接头部的HAZ部的屈服应力YP_HAZ或YP_HAZ，cycle，和均匀拉伸率UE_HAZ或UE_HAZ，cycle。

这些结果并记在表1中。另外，图6显示焊趾部应变评价参数(1)和Δσ/TS的关系的曲线图，图7显示焊趾部应变评价参数(2)和Δσ/TS的关系的曲线图。

表1

根据表1和图6以及图7可以进行如下考察。

如上所述，评价参数(1)或(2)的数值越小，疲劳特性越显示向上的趋势，图6和图7的结果基本与该趋势一致。例如参照图6，试验片1～8中评价参数(1)的数值最小的试验片2、4与其他试验片相比Δσ/TS变大，疲劳特性提高。在图7中也发现和图6相同的趋势。

详细地说，例如对表1的试验片1、3(均是切口曲率R＝0.8mm)和试验片2、4(均是切口曲率R＝1.6mm)进行对比时，与试验片1和3相比，切口曲率R大的试验片2和4的Δσ/TS变大，上述评价参数(1)和(2)的数值变小(参照图6)，其结果是与现有的认知(焊趾部曲率半径ρ越大，疲劳特性越提高)一致。

另外，即使切口曲率R相同，根据材料特性，疲劳特性也有不同的情况。详细地说，切口曲率R＝1.6mm的试验片2和4，由于试验片的YP和UE(对应于T接头部的YP_HAZ和均匀拉伸率UE_HAZ)不同，因此上述评价参数(1)和(2)的数值不同，与试验片4相比上述评价参数(1)和(2)的数值小的试验片2疲劳特性优异。同样，切口曲率R＝0.8mm的试验片1和3，由于试验片的YP和UE(对应于T接头部的YP_HAZ和均匀拉伸率UE_HAZ)不同，因此上述评价参数(1)和(2)的数值不同，与试验片3相比上述评价参数(1)和(2)的数值小的试验片1疲劳特性优异。

其结果是通过使用本发明限定的上述参数首次导出，根据本发明能够评价现有技术不能判定的材料特性引起的试验片彼此的疲劳特性，非常有用。

Claims (2)

1.一种T接头部的疲劳特性评价方法，是评价T型焊接接头结构体的T接头部的疲劳特性的方法，其特征在于，在将所述T接头部的焊趾部曲率半径定为ρ(mm)，将所述T接头部的焊接热影响部的均匀拉伸率(％)定为UE_HAZ，将所述T接头部的焊接热影响部的屈服应力(MPa)定为YP_HAZ时，通过使用由下式(1)表示的焊趾部应变评价参数(1)，对T型焊接接头结构体的疲劳特性进行评价，

焊趾部应变评价参数(1)＝(1.13×10^-2×ρ^-0.59)×(1.05×10^-4×UE_HAZ+1.64×10^-2)×(5.15×YP_HAZ ^-0.92)…(1)。

2.一种T接头部的疲劳特性评价方法，是评价T型焊接接头结构体的T接头部的疲劳特性的方法，其特征在于，在将所述T接头部的焊趾部曲率半径定为ρ(mm)，将所述T接头部的焊接热影响部的10000次塑性应变负荷后的均匀拉伸率(％)定为UE_HAZ，cycle，将所述T接头部的焊接热影响部的10000次塑性应变负荷后的屈服应力(MPa)定为YP_HAZ，cycle时，通过使用由下式(2)表示的焊趾部应变评价参数(2)，对T型焊接接头结构体的疲劳特性进行评价，

焊趾部应变评价参数(2)＝(1.13×10^-2×ρ^-0.59)×(1.05×10^-4×UE_{HAZ， cycle}+1.64×10^-2)×(5.15×YP_HAZ，cycle ^-0.92)…(2)。

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