[發(fā)明專利]低匹配對(duì)接接頭達(dá)到與母材等彎曲承載的接頭形狀設(shè)計(jì)方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310098324.9
• 申請(qǐng)日: 2013-03-26
• 公開（公告）號(hào): CN103143853A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 方洪淵;王佳杰;董志波;劉雪松;楊建國;張敬強(qiáng);王濤;劉濤;姜斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K33/00
• 分類號(hào): B23K33/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種對(duì)接接頭設(shè)計(jì)方法，具體涉及一種可使低匹配對(duì)接接頭達(dá)到與母材等彎曲承載的接頭設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，如果按照“等匹配原則”進(jìn)行焊接材料的選擇，則容易出現(xiàn)焊接冷裂紋、熱影響區(qū)的軟化及脆化以及焊縫韌性儲(chǔ)備不足等現(xiàn)象，這些問題都將導(dǎo)致高強(qiáng)鋼母材的優(yōu)異性能得不到充分發(fā)揮。另外，可供選擇用于高強(qiáng)鋼焊接的焊接材料種類有限，工藝性能不佳，增加了獲得高質(zhì)量焊接接頭的難度。

單從調(diào)整鋼材的化學(xué)成分的角度很難完全解決這些問題。針對(duì)高強(qiáng)鋼接頭冷裂紋的突出問題，目前主要有兩種控制措施，一種是焊前預(yù)熱和焊后熱處理等措施，但預(yù)熱會(huì)使焊接熱影響區(qū)韌性降低，加劇熱影響區(qū)的軟化和脆化現(xiàn)象，而且預(yù)熱和焊后熱處理會(huì)惡化工人的工作環(huán)境。另一種是研發(fā)專用抗裂焊材，這不但加大了資金的投入，而且也需要較長的周期。若能在不預(yù)熱條件下進(jìn)行焊接，對(duì)簡(jiǎn)化焊接工藝、提高焊接接頭性能和改善勞動(dòng)條件均具有重要意義。

通過實(shí)驗(yàn)證明，選用強(qiáng)度低于母材且塑韌性較高的焊接填充材料進(jìn)行高強(qiáng)鋼焊接，即采用高強(qiáng)鋼低匹配接頭，既可以降低焊前預(yù)熱溫度甚至不預(yù)熱焊接，而且還可以達(dá)到降低冷裂紋傾向、提高焊縫韌性的目的。然而最突出的缺點(diǎn)，低匹配接頭達(dá)不到母材或等匹配接頭的承載能力，即低匹配接頭承載能力不足。低匹配接頭目前主要應(yīng)用于受壓載荷的結(jié)構(gòu)，較少應(yīng)用于承受拉伸與彎曲載荷的情況。

綜上所述，針對(duì)高強(qiáng)鋼等強(qiáng)施焊會(huì)造成焊縫韌性儲(chǔ)備不足、產(chǎn)生冷裂紋等問題，采用低匹配焊接材料施焊可以有效地解決以上問題。但低匹配接頭承載能力較低，迄今為止已有從幾何形狀設(shè)計(jì)的角度降低接頭危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中程度來提高高強(qiáng)鋼低匹配接頭的靜載拉伸與疲勞承載能力方面的相關(guān)研究。目前從可查到的資料來看，尚無從提高低匹配接頭彎曲承載能力角度開展相關(guān)研究的報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種使低匹配對(duì)接接頭與母材具有相等彎曲承載能力的對(duì)接接頭設(shè)計(jì)方法，以解決低匹配對(duì)接接頭彎曲承載能力低于母材或等強(qiáng)以上匹配接頭的問題。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思：使低匹配接頭達(dá)到母材的彎曲承載能力，即為“等彎曲承載”。以使低匹配接頭屈服時(shí)施加的彎曲載荷不低于使母材發(fā)生屈服時(shí)的彎曲載荷（即低匹配接頭不先于母材發(fā)生屈服），同時(shí)低匹配焊縫屈服時(shí)的撓度低于母材屈服時(shí)的撓度為判據(jù)，按照“等彎曲承載”設(shè)計(jì)思想進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)滿足低匹配對(duì)接接頭焊縫底部中心部位（圖1中A點(diǎn)）彎曲應(yīng)力集中系數(shù)與低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比相等且焊趾部位（圖1中B點(diǎn)）應(yīng)力集中系數(shù)最小化的“等彎曲承載”為實(shí)現(xiàn)條件。根據(jù)這個(gè)接頭設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)條件對(duì)接頭的幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定接頭幾何形狀參數(shù)對(duì)焊縫底部中心部位及焊趾部位應(yīng)力集中系數(shù)的影響，建立接頭幾何形狀參數(shù)與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系方程，再根據(jù)不同匹配比及等彎曲承載條件來確定合適的接頭幾何形狀參數(shù)(如圖3)。

該接頭設(shè)計(jì)原理為：借助于接頭幾何形狀參數(shù)設(shè)計(jì)能夠調(diào)整接頭內(nèi)部的彎曲應(yīng)力應(yīng)變分布，降低焊縫底部中心部位及焊趾部位彎曲承載薄弱區(qū)的應(yīng)力集中程度，從而使低強(qiáng)焊縫區(qū)的彎曲承載能力提高，接頭設(shè)計(jì)在一定程度上使低匹配接頭的彎曲承載薄弱區(qū)由焊縫向母材轉(zhuǎn)移，使焊接結(jié)構(gòu)可按照母材強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

所述的低匹配等彎曲承載接頭設(shè)計(jì)方法為：

步驟一、確定低匹配接頭屈服強(qiáng)度匹配比???????????????????????????????????????????????（焊縫熔敷金屬屈服強(qiáng)度與母材屈服強(qiáng)度的比值）；即：

?????????????????????????????????(1)；

?步驟二、通過材料力學(xué)公式，根據(jù)等彎曲承載條件計(jì)算得到焊縫余高高度h，為了盡量節(jié)省焊接材料和結(jié)構(gòu)空間，焊縫余高高度h應(yīng)取最小值，公式為：

?????????????????????????????????(2)；

式中，t為半板厚；

步驟三、確定蓋面焊道半寬w：

通過分析計(jì)算得出焊縫底部中心部位A點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)與焊縫余高高度h、蓋面焊道半寬w及半板厚t之間的關(guān)系方程：

???????????????????????(3)；

按照正應(yīng)力計(jì)算：

??????????????????(4)；

??????????????????(5)；