[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

摘要

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，属于焊接领域，为了解决含中心裂纹受拉伸载荷的对接接头承载能力低于母材的问题。对于焊缝含中心裂纹母材也存在裂纹的受拉伸载荷接头：确定等承载条件、焊缝金属与母材金属的断裂韧度、求母材区的应力强度因子、满足等承载的焊缝区应力强度因子、求应力强度因子公式、获所焊缝几何参数值。对于焊缝含中心裂纹而母材无缺陷受拉伸载荷接头：确定等承载条件、母材金属的抗拉强度、求应力强度因子公式、确定临界应力关系式、焊缝金属的断裂韧度、获焊缝几何参数值。应用焊缝区应力强度因子求含中心裂纹受拉伸载荷接头的临界裂纹尺寸、临界应力及接头剩余寿命。本发明适用于双面施焊的平板对接接头。

主权项

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，其特征在于：所述对接接头设计方法是基于焊缝与母材中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、降低焊趾应力集中系数来实现等承载的；根据承载特点，对接接头的焊缝形状确定为余高与母材之间采用简单的圆弧曲线过渡的焊缝形状；所述对接接头设计方法为：步骤一、确定满足焊缝区与母材都存在裂纹时的等承载条件： K I w K I b = K IC w K IC b - - - ( 1 ) 其中，KIw为焊缝含中心裂纹对接接头受拉伸载荷时的K因子，简称为焊缝区应力强度因子，KIb为母材区的应力强度因子，KICw为焊缝熔敷金属的断裂韧度，KICb为母材金属的断裂韧度；步骤二、获得焊缝熔敷金属的断裂韧度KICw与母材金属的断裂韧度KICb：设计断裂韧度试样，测试母材和焊缝熔敷金属的断裂韧度；步骤三、求得母材区的应力强度因子KIb：基于母材中含有中心裂纹的情况，在板厚、母材区裂纹尺寸、工作载荷已知时，带入式(2)求得母材区的应力强度因子KIb； K I b = t t 2 - a 2 σ πa - - - ( 2 ) 式中，t为板厚一半、σ为外加载荷、a为中心裂纹尺寸的一半；步骤四、求得满足焊缝区与母材都存在裂纹时的等承载条件的焊缝区应力强度因子KIw值：结合上述步骤一、二、三的结果，即可求得满足焊缝区与母材都存在裂纹时等承载所需的KIw；步骤五、求得焊缝含中心裂纹对接接头受拉伸载荷时的K因子KIw的表达式： K I w = { 1 + 1.77633 h h + t exp [ - w h + t - 2 hwr ( w 2 + h 2 ) ( h + t ) - 0.49536 ( h t ) 2 + 0.66789 h t + 0.75115 ] } t ( t + h ) 2 - a 2 σ πa - - - ( 3 ) 式中，t为板厚一半、σ为外加载荷、a为焊缝中心裂纹尺寸的一半、h为焊缝余高、w为盖面焊道总宽度的一半、r为焊趾处的圆弧过渡半径；步骤六、确定焊趾圆弧过渡半径r：对接接头焊趾半径r的大小依据现有机械加工条件确定，选择较大的砂轮半径或者焊趾成形半径，以获得较小的焊趾应力集中系数；这里所述砂轮半径或者焊趾成形半径即为焊趾处的圆弧过渡半径r；步骤七、确定等承载接头的盖面焊道总宽度的一半w与焊缝余高h的关系：将已知参数板厚一半t、外加载荷σ、焊缝中心裂纹尺寸一半a以及焊趾处的圆弧过渡半径r带入步骤五确定的焊缝含中心裂纹对接接头受拉伸载荷时的K因子表达式中，并使其等于步骤四所求得的满足焊缝区与母材都存在裂纹时等承载所需的KIw，可求出盖面焊道总宽度的一半w与焊缝余高h的关系，即w＝nh；(4)步骤八、确定等承载接头的焊缝余高h：将步骤六确定的焊趾处的圆弧过渡半径r与式(4)代入接头一侧的余高面积公式(5)，求出满足余高面积S最小的余高h，即为最终满足要求的焊缝余高h； S = w ( h - R + r ) + ( R 2 - r 2 ) arccos ( R + r - h R + r ) - - - ( 5 ) 其中 R = w 2 + h 2 - 2 hr 2 h , arccos ( R + r - h R + r ) ∈ [ 0 , π 2 ] ; 步骤九、确定等承载接头的盖面焊道总宽度的一半w：把步骤八确定的等承载焊缝余高h代入步骤七确定的式(4)中求出等承载接头盖面焊道总宽度的一半w；步骤十、根据步骤六确定的焊趾处的圆弧过渡半径r、步骤八确定的焊缝余高h以及步骤九确定的盖面焊道总宽度的一半w这些焊缝几何参数值即可获得焊缝含中心裂纹且母材也存在裂纹的对接接头受拉伸载荷时满足和母材等承载所需的焊缝形状。