[发明专利]低匹配对接接头达到与母材等弯曲承载的接头形状设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对接接头设计方法，具体涉及一种可使低匹配对接接头达到与母材等弯曲承载的接头设计方法。

背景技术

高强钢焊接时，如果按照“等匹配原则”进行焊接材料的选择，则容易出现焊接冷裂纹、热影响区的软化及脆化以及焊缝韧性储备不足等现象，这些问题都将导致高强钢母材的优异性能得不到充分发挥。另外，可供选择用于高强钢焊接的焊接材料种类有限，工艺性能不佳，增加了获得高质量焊接接头的难度。

单从调整钢材的化学成分的角度很难完全解决这些问题。针对高强钢接头冷裂纹的突出问题，目前主要有两种控制措施，一种是焊前预热和焊后热处理等措施，但预热会使焊接热影响区韧性降低，加剧热影响区的软化和脆化现象，而且预热和焊后热处理会恶化工人的工作环境。另一种是研发专用抗裂焊材，这不但加大了资金的投入，而且也需要较长的周期。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。

通过实验证明，选用强度低于母材且塑韧性较高的焊接填充材料进行高强钢焊接，即采用高强钢低匹配接头，既可以降低焊前预热温度甚至不预热焊接，而且还可以达到降低冷裂纹倾向、提高焊缝韧性的目的。然而最突出的缺点，低匹配接头达不到母材或等匹配接头的承载能力，即低匹配接头承载能力不足。低匹配接头目前主要应用于受压载荷的结构，较少应用于承受拉伸与弯曲载荷的情况。

综上所述，针对高强钢等强施焊会造成焊缝韧性储备不足、产生冷裂纹等问题，采用低匹配焊接材料施焊可以有效地解决以上问题。但低匹配接头承载能力较低，迄今为止已有从几何形状设计的角度降低接头危险部位的应力集中程度来提高高强钢低匹配接头的静载拉伸与疲劳承载能力方面的相关研究。目前从可查到的资料来看，尚无从提高低匹配接头弯曲承载能力角度开展相关研究的报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种使低匹配对接接头与母材具有相等弯曲承载能力的对接接头设计方法，以解决低匹配对接接头弯曲承载能力低于母材或等强以上匹配接头的问题。

本发明的设计构思：使低匹配接头达到母材的弯曲承载能力，即为“等弯曲承载”。以使低匹配接头屈服时施加的弯曲载荷不低于使母材发生屈服时的弯曲载荷（即低匹配接头不先于母材发生屈服），同时低匹配焊缝屈服时的挠度低于母材屈服时的挠度为判据，按照“等弯曲承载”设计思想进行接头设计，应当满足低匹配对接接头焊缝底部中心部位（图1中A点）弯曲应力集中系数与低匹配接头屈服强度匹配比相等且焊趾部位（图1中B点）应力集中系数最小化的“等弯曲承载”为实现条件。根据这个接头设计思想及实现条件对接头的几何形状进行设计，确定接头几何形状参数对焊缝底部中心部位及焊趾部位应力集中系数的影响，建立接头几何形状参数与应力集中系数的关系方程，再根据不同匹配比及等弯曲承载条件来确定合适的接头几何形状参数(如图3)。

该接头设计原理为：借助于接头几何形状参数设计能够调整接头内部的弯曲应力应变分布，降低焊缝底部中心部位及焊趾部位弯曲承载薄弱区的应力集中程度，从而使低强焊缝区的弯曲承载能力提高，接头设计在一定程度上使低匹配接头的弯曲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进行设计。

本发明的技术方案：

所述的低匹配等弯曲承载接头设计方法为：

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

                                 (1)；

 步骤二、通过材料力学公式，根据等弯曲承载条件计算得到焊缝余高高度h，为了尽量节省焊接材料和结构空间，焊缝余高高度h应取最小值，公式为：

                                 (2)；

式中，t为半板厚；

步骤三、确定盖面焊道半宽w：

通过分析计算得出焊缝底部中心部位A点的应力集中系数与焊缝余高高度h、盖面焊道半宽w及半板厚t之间的关系方程：

                       (3)；

按照正应力计算：

                  (4)；

                  (5)；