基于等承載能力原則的高強(qiáng)鋼低匹配焊接接頭設(shè)計(jì).pdf

1、若仍然按照“等強(qiáng)原則”進(jìn)行高強(qiáng)鋼或超高強(qiáng)鋼的接頭設(shè)計(jì)，不僅容易引發(fā)冷裂紋缺陷、造成焊縫韌性儲(chǔ)備不足，其專用抗裂焊材的開發(fā)也需要較長的周期。采用強(qiáng)度低于母材、塑韌性較高的焊材施焊，在提高焊縫韌性、顯著降低冷裂傾向的同時(shí)，還可降低預(yù)熱溫度或進(jìn)行不預(yù)熱焊接。但承載能力低于等匹配接頭。為提高承載能力，文中提出了低匹配焊接接頭與母材具有相等的靜載承載能力和疲勞抗力的“等承載能力”(Equal load-carrying capacity-ELCC

2、)概念及其設(shè)計(jì)思想。在確定ELCC實(shí)現(xiàn)條件的基礎(chǔ)上，給出了低匹配對(duì)接接頭和 K形焊縫十字接頭的ELCC設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。進(jìn)行了低匹配接頭設(shè)計(jì)及其承載能力的試驗(yàn)研究。
　　從安全性角度出發(fā)，焊接結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度和應(yīng)力松弛能力?？紤]到斷裂模式類型同時(shí)反映了接頭強(qiáng)度、塑性變形能力及焊縫與母材之間塑性變形的非均勻程度，由于母材先于焊縫發(fā)生塑性變形的全面屈服斷裂是最安全的結(jié)構(gòu)斷裂模式，提出了使低匹配接頭焊縫屈服載荷不低于母材屈服載荷為判據(jù)的E

3、LCC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。
　　按照ELCC設(shè)計(jì)思想，依據(jù)焊縫幾何參數(shù)設(shè)計(jì)能夠調(diào)整接頭應(yīng)力應(yīng)變分布、降低應(yīng)力集中，改善低強(qiáng)焊縫區(qū)承載能力的原理，將焊趾和焊根處的應(yīng)力集中系數(shù)作為承載能力的評(píng)定參量，提出了低匹配接頭與母材靜載和疲勞ELCC的實(shí)現(xiàn)條件，即焊根處的應(yīng)力集中系數(shù)與接頭屈服強(qiáng)度匹配比相等、及焊趾應(yīng)力集中最小化。
　　可行性研究發(fā)現(xiàn)，焊縫形狀設(shè)計(jì)能夠滿足極端低匹配情況的ELCC實(shí)現(xiàn)條件。分析確定了對(duì)接接頭和K形焊縫十字接頭應(yīng)力

4、集中最小化的焊縫形狀方案，借助有限元軟件研究了該焊縫形狀方案下焊趾半徑、余高高度、余高寬度、蓋面焊道寬度、焊腳尺寸等焊縫幾何參數(shù)對(duì)焊趾和焊根處應(yīng)力集中系數(shù)的影響規(guī)律，建立了焊縫幾何參數(shù)與焊趾和焊根處應(yīng)力集中系數(shù)之間的關(guān)系方程。
　　根據(jù)ELCC實(shí)現(xiàn)條件和應(yīng)力集中系數(shù)關(guān)系方程，能夠確定特定匹配比條件下低匹配對(duì)接接頭和K形焊縫十字接頭ELCC所需的焊縫幾何參數(shù)。文中給出了描述ELCC設(shè)計(jì)過程的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及其適用范圍。
　　借助有限

5、元軟件分析了ELCC設(shè)計(jì)接頭的承載特點(diǎn)和優(yōu)越性。由于拉伸載荷下ELCC接頭焊縫區(qū)不先于母材屈服，匹配比很低時(shí)也不存在三軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)，斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦踩娜媲嗔?。焊趾和焊根處的?yīng)力應(yīng)變?cè)黾泳徛?，等效塑性?yīng)變峰值首先位于焊趾，隨后轉(zhuǎn)移到焊趾外的母材區(qū)，焊縫材料延性更好的條件下，ELCC接頭應(yīng)斷于母材。
　　進(jìn)行了高強(qiáng)鋼ELCC對(duì)接接頭承載能力的試驗(yàn)研究，證明了接頭ELCC設(shè)計(jì)的可行性。接頭強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，極限裂紋

6、尺寸超過母材，ELCC設(shè)計(jì)降低了高強(qiáng)鋼接頭對(duì)裂紋缺陷的敏感程度。在高應(yīng)力區(qū)，ELCC對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度與削平等匹配接頭非常接近；在低應(yīng)力區(qū)，隨匹配比降低疲勞壽命有所降低。試驗(yàn)條件下，0.57屈服強(qiáng)度匹配比的ELCC接頭對(duì)應(yīng)1×107循環(huán)的疲勞強(qiáng)度較焊態(tài)等匹配對(duì)接接頭提高約115％，可達(dá)到削平等匹配接頭的80%。
　　ELCC設(shè)計(jì)在一定程度上使低匹配接頭承載薄弱區(qū)由焊縫向母材轉(zhuǎn)移，因此，不必考慮匹配比的影響，焊接結(jié)構(gòu)直接按照母材強(qiáng)度