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基于等承载能力原则的高强钢低匹配焊接接头设计

赵智力  
【摘要】:若仍然按照“等强原则”进行高强钢或超高强钢的接头设计,不仅容易引发冷裂纹缺陷、造成焊缝韧性储备不足,其专用抗裂焊材的开发也需要较长的周期。采用强度低于母材、塑韧性较高的焊材施焊,在提高焊缝韧性、显著降低冷裂倾向的同时,还可降低预热温度或进行不预热焊接。但承载能力低于等匹配接头。为提高承载能力,文中提出了低匹配焊接接头与母材具有相等的静载承载能力和疲劳抗力的“等承载能力”(Equal load-carrying capacity-ELCC)概念及其设计思想。在确定ELCC实现条件的基础上,给出了低匹配对接接头和K形焊缝十字接头的ELCC设计准则。进行了低匹配接头设计及其承载能力的试验研究。 从安全性角度出发,焊接结构必须具有足够的强度和应力松弛能力。考虑到断裂模式类型同时反映了接头强度、塑性变形能力及焊缝与母材之间塑性变形的非均匀程度,由于母材先于焊缝发生塑性变形的全面屈服断裂是最安全的结构断裂模式,提出了使低匹配接头焊缝屈服载荷不低于母材屈服载荷为判据的ELCC结构设计思想。 按照ELCC设计思想,依据焊缝几何参数设计能够调整接头应力应变分布、降低应力集中,改善低强焊缝区承载能力的原理,将焊趾和焊根处的应力集中系数作为承载能力的评定参量,提出了低匹配接头与母材静载和疲劳ELCC的实现条件,即焊根处的应力集中系数与接头屈服强度匹配比相等、及焊趾应力集中最小化。 可行性研究发现,焊缝形状设计能够满足极端低匹配情况的ELCC实现条件。分析确定了对接接头和K形焊缝十字接头应力集中最小化的焊缝形状方案,借助有限元软件研究了该焊缝形状方案下焊趾半径、余高高度、余高宽度、盖面焊道宽度、焊脚尺寸等焊缝几何参数对焊趾和焊根处应力集中系数的影响规律,建立了焊缝几何参数与焊趾和焊根处应力集中系数之间的关系方程。 根据ELCC实现条件和应力集中系数关系方程,能够确定特定匹配比条件下低匹配对接接头和K形焊缝十字接头ELCC所需的焊缝几何参数。文中给出了描述ELCC设计过程的设计准则及其适用范围。 借助有限元软件分析了ELCC设计接头的承载特点和优越性。由于拉伸载荷下ELCC接头焊缝区不先于母材屈服,匹配比很低时也不存在三轴拉伸应力状态,断裂模式转变为更安全的全面屈服断裂。焊趾和焊根处的应力应变增加缓慢,等效塑性应变峰值首先位于焊趾,随后转移到焊趾外的母材区,焊缝材料延性更好的条件下,ELCC接头应断于母材。 进行了高强钢ELCC对接接头承载能力的试验研究,证明了接头ELCC设计的可行性。接头强度达到母材抗拉强度的同时,极限裂纹尺寸超过母材,ELCC设计降低了高强钢接头对裂纹缺陷的敏感程度。在高应力区,ELCC对接接头的疲劳强度与削平等匹配接头非常接近;在低应力区,随匹配比降低疲劳寿命有所降低。试验条件下,0.57屈服强度匹配比的ELCC接头对应1×107循环的疲劳强度较焊态等匹配对接接头提高约115%,可达到削平等匹配接头的80%。 ELCC设计在一定程度上使低匹配接头承载薄弱区由焊缝向母材转移,因此,不必考虑匹配比的影响,焊接结构直接按照母材强度设计成为可能。


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