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

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μＭＭＲ，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术方法同样适用于低匹配十字接头的焊缝形状设计。本专利技术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。本专利技术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CI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y ME,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P _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，wQ = kt ；<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>(2)步骤B3、确定焊趾半径r 以焊趾应力集中系数Kt。e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；<formula>formula see original document page 5</formula>(3)式中a——辉趾应力集中形状系数；按最大主应力计算时，a = 3.285-2.541(—)2(4)h+t按等效Von Mises应力计算时， <formula>formula see original document page 6</formula>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^，根据丁字接头的几何参数关系，将 获得的^代入式(7)确定盖面焊道总宽度w;<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula>(7)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\和盖面焊道总宽度w即可获得所需的焊缝形状。本专利技术具有以下有益技术效果本专利技术适用于双面施焊的低匹配K形焊缝丁(十)字接头。本专利技术使承受拉伸载 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。本专利技术使低匹配丁(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。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
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ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力计算的式（２），即可确定焊脚尺寸ｈ的最小值，式中，ｗ↓［０］＝ｋｔ；μ↓［ＭＭＲ］＝０．０５４０５（ｔ＋ｈ／ｗ↓［０］）↑［２］－０．４２９２６（ｔ＋ｈ）／ｗ↓［０］＋１．３０６７７（１）μ↓［ＭＭＲ］＝０．０３１５４（ｔ＋ｈ／ｗ↓［０］）↑［２］－０．２９８６５（ｔ＋ｈ）ｗ↓［０］＋１．１８４６４（２）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↓［ｔｏｅ］＝１＋αｒ↑［（０．４０３ｔ／（ｈ＋ｔ）－１．０３１）］＝１．０５（３）式中α－－焊趾应力集中形状系数；按最大主应力计算时，α＝３．２８５－２．５４１（ｔ／ｈ＋ｔ）↑［２］（４）按等效ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力计算时，α＝３．０３０－２．３００（ｔ／ｈ＋ｔ）↑［２］（５）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...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵智力，方洪渊，杨建国，刘雪松，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]