[发明专利]焊缝含中心裂纹受拉伸载荷对接接头实现等承载的设计方法及K因子的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种受拉伸载荷的对接接头设计方法及K因子的应用，具体涉及一种可使焊缝含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头按照母材承载能力承载的对接接头设计方法及焊缝区应力强度因子的应用方法，属于焊接技术领域。

背景技术

焊接结构作为一种特殊的连接方式广泛应用于民用以及军用生产设计等方面，尤其对于现在的轻量化要求来说，高强材料被广泛应用。对于焊接接头来说，由于焊接过程的作用，使得材料的性能发生很大的变化，接头局部区域的常规力学性能以及断裂韧度等性能都大幅度下降。焊接缺陷不可避免，尤其对于高强钢焊接结构来说，如果处理措施不当，经常产生冷裂纹。再加上焊接残余拉应力的存在，使得焊接结构经常发生低应力脆断现象，降低了焊接结构的承载能力，给人们的生产生活带来严重的损失。对于不可避免缺陷且容易产生低应力脆断的焊接结构的问题处理，应该从断裂力学的角度出发。断裂力学有三个断裂参量：应力强度因子K、J积分、裂纹尖端张开位移δ。对于不同的材料应该用不同的断裂参量进行评定，对于经常发生低应力脆断的焊接结构，由于使其失效的应力远低于材料的屈服强度，此时应该用应力强度因子K来评定。

针对焊接结构，尤其是高强钢焊接结构的应用中经常出现的低应力脆断现象，以及焊接接头中不可避免的存在焊接缺陷以及局部区域材料性能劣化的情况下，从断裂力学角度出发，就如何提高焊接结构的承载能力使得焊接结构能够按照性能较好的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。

以往计算焊缝含裂纹接头的应力强度因子时，为简化计算，不考虑余高对其影响，都按照有限宽板的应力强度因子进行计算。其实余高对焊缝含裂纹接头的应力强度因子的影响是不可忽略的。适当的余高可以减小焊缝含裂纹接头的应力强度因子，对接头的承载能力是有利的，因此，就如何通过改变余高的形状参数来提高接头的承载能力使其能够按照母材金属的承载能力承载，开展相应研究工作，具有现实意义。

由于焊接所经历特殊的热过程，往往使得焊接接头的局部区域性能裂纹，再加上焊接残余应力的影响，使得接头的承载能力不如性能良好的母材金属。对接接头是一种应用最普遍的接头形式，而焊缝中心存在裂纹等缺陷的对接接头又时常存在。因此采取有效方法和措施来提高容易出现焊缝中心存在裂纹的对接接头的承载能力使其能够达到性能良好的母材金属的承载能力是完全有必要的。从可查资料来看，目前并无通过对接头余高的形状参数进行设计使焊缝中存在中心裂纹的对接接头按照母材的承载能力进行设计的研究和报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种焊缝含中心裂纹受拉伸载荷对接接头实现等承载的设计方法及K因子的应用，以解决焊缝含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头承载能力低于母材承载能力，且接头容易出现低应力脆断事故的问题；本发明还提出了根据焊缝区含中心裂纹受拉伸载荷的应力强度因子表达式(焊缝区应力强度因子)，求出焊缝含中心裂纹对接接头受拉伸载荷时的临界裂纹尺寸、临界应力以及承受疲劳载荷时的剩余寿命等重要参数，解决了对服役的含中心裂纹对接接头的可靠性进行评估的问题。

本发明所述的焊缝含中心裂纹受拉伸载荷对接接头实现等承载的设计方法是可使焊缝含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头按性能良好的母材承载能力承载的对接接头设计方法；本发明所述“K因子”是指焊缝区应力强度因子。

本发明的设计构思：本发明申请主要从应力强度因子K角度进行考虑的。为提高含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头的承载能力，使其达到与性能良好的母材金属承载能力相等。对于焊缝存在中心裂纹和母材中也存在裂纹的情况，应使焊缝与母材的应力强度因子之比与焊缝和母材金属的断裂韧度之比相等，这样就能使焊缝中的裂纹不先于母材中的裂纹失稳扩展，以保证受拉伸载荷的对接接头含中心裂纹焊缝不先于含裂纹母材发生破坏。对于焊缝存在中心裂纹，而母材无缺陷的情况，应使焊缝中裂纹发生失稳扩展的临界应力不低于母材金属的抗拉强度，以保证受拉伸载荷的对接接头含中心裂纹焊缝不先于无缺陷的母材发生破坏。

以上是从静载承载方面保证焊缝含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头的承载能力不低于母材的承载能力。若焊缝含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头承受疲劳载荷时，要保证其接头的疲劳承载能力不低于母材，应提高疲劳承载能力薄弱的焊趾区域的承载能力，因此，可以通过机械加工或者其它手段使得焊趾处存在一定的圆弧过渡减少其应力集中系数，进而提高接头的疲劳承载能力。