[发明专利]一种使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方法

说明书

本发明是一种使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方法。对于母材与焊缝都无裂纹，通过调整焊缝几何参数使焊缝与母材应力的比值等于焊缝熔敷金属与母材疲劳极限的比值、焊缝熔敷金属与母材抗拉强度的比值中较小的数值，实现焊缝与母材变幅疲劳等承载；对于母材和焊缝都存在裂纹，通过调整焊缝几何参数使焊缝与母材应力强度因子的比值等于焊缝熔敷金属与母材应力强度因子门槛值的比值、焊缝熔敷金属与母材临界应力强度因子的比值中较小的数值，实现焊缝与母材变幅疲劳等承载。在保持安全裕度不变，采用变幅疲劳等承载设计可以降低母材厚度，实现轻量化；保持母材厚度不变，采用变幅疲劳等承载设计可以增大安全裕度，提高承载能力。

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，是一种使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方法。

背景技术

开发高强钢是当前减轻钢结构重量并保证可靠性，应对资源和环境挑战的主要做法。但是高强钢焊接接头承载能力(尤其是高周疲劳承载能力)低于母材，且脆断的倾向大，极大的限制了高强钢在焊接结构中的应用。对于静载的情形，通过复杂的预热和后热工艺、开发专用的焊接材料或者采用低匹配焊接接头静载等承载设计，都可实现焊接接头承载能力与母材相同。但是对于工程广泛存在的疲劳载荷，尤其是变幅疲劳，尚没有合适的方法使焊接接头承载能力与母材相同。由于疲劳载荷的特殊性，其对焊接缺欠更为敏感，然而即使采用了严格的工艺和专用的焊接材料，焊接过程也不可避免的会产生各种缺欠，因此从接头形状设计入手解决高强钢焊接接头疲劳性能低于母材的问题十分必要。与低匹配焊接接头静载等承载设计不同，焊接接头的疲劳等承载设计时母材的承载能力是由载荷和寿命共同表征的。对于常幅疲劳，母材的承载能力可由条件疲劳强度表征，但是焊接结构实际工况往往是变幅疲劳，甚至载荷谱是不确定的，为接头设计带来极大不便。因此，研究载荷大小对接头形状设计的影响，解决高强钢焊接接头变幅疲劳性能低于母材的问题，对于高强钢在焊接结构中的应用具有重要意义。

发明内容

本发明为使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同，本发明提供了一种使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方法，本发明提供了以下技术方案：

一种使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方法，当母材与焊缝都无裂纹时，包括以下步骤：

步骤1：分别确定焊缝熔敷金属与母材疲劳极限的比值和焊缝熔敷金属与母材抗拉强度的比值；

步骤2：根据焊缝熔敷金属与母材疲劳极限的比值和焊缝熔敷金属与母材抗拉强度的比值，选取数值最小的广义匹配比，确定设计采用的载荷；

步骤3：当母材与焊缝都无裂纹时，确定满足疲劳等承载条件时焊缝区的工作应力；

步骤4：根据不同接头形式和工况，通过解析、数值计算或经验方法确定接头几何参数对焊缝区峰值应力的影响规律；

步骤5：计算满足疲劳等承载条件下焊缝区的工作应力时，焊缝接头焊趾的几何参数；

步骤6：对步骤5中得到的焊缝接头焊趾的几何参数进行优化，使焊缝区的应力集中程度降到最低，则得到母材与焊缝都无裂纹时，焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方案。

优选地，根据m^W-m^B取值的不同，疲劳等承载实现条件有不同的形式，其中m^W为焊缝金属材料参数，m^B为母材材料参数；

当m^W-m^B＞0时，焊缝金属寿命和母材寿命的比值ρ随载荷P增加而递增，使ρ始终不小于1，当P降低至使母材和焊缝的应力均为疲劳极限σ_r时，确定疲劳等承载条件,通过下式表示疲劳等承载条件：

其中，为焊缝与母材工作应力的比值，和分别为焊缝金属和母材的疲劳极限强度；