[发明专利]一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法

说明书

一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法，涉及焊接技术领域。本发明的目的是通过设计对接焊接接头余高的几何形状以提升焊接接头的疲劳承载能力。将焊接接头抽象成非均质材料，相应的将母材、焊材抽象成均质材料，根据均质材料的疲劳失效过程得到基于名义应力SN曲线的均质材料的疲劳寿命估算方法，利用疲劳寿命估算方法估算疲劳裂纹在均质材料中扩展一定尺寸时经历的应力循环次数；将均质材料的疲劳寿命估算方法推广到非均质材料，得到非均质材料的疲劳寿命估算方法。采用低合金高强钢Q550和焊丝ER70S‑6为实验材料，进行双Y形对接接头疲劳等承载设计及实验论证，本发明提出的焊接接头疲劳设计是可行的，焊接接头可以具有与母材相当的疲劳承载能力。

技术领域

本发明涉及对接焊接接头设计方法，属于焊接技术领域。

背景技术

焊接接头存在力学性能不均匀性和几何不连续性，一直是工程结构中的薄弱环节，尤其在承受疲劳载荷时往往是工程结构中优先发生破坏的区域。

在传统观念中，焊接接头的存在会拉低整体工程结构的疲劳承载能力。所谓疲劳承载能力，是指材料在承受一定疲劳载荷下能经历的最大应力循环次数，即疲劳寿命。这是因为焊接接头由于存在力学性能不均匀性、几何不连续性及缺陷[1-3]，其疲劳承载能力普遍低于母材，是工程结构中优先发生破坏的区域。因此有很多研究工作致力于提升焊接接头的疲劳承载能力[4-7]，但是当焊接接头的疲劳承载能力超过母材的疲劳承载能力时，单一的提升焊接接头的疲劳承载能力对工程结构而言就意义不大了。实际上，如果焊接接头的疲劳承载能力能与母材相当，则既可以满足工程结构的承载要求，又不会造成没有必要的浪费。但目前还未发现能实现焊接接头与母材有相当疲劳承载能力的焊接接头疲劳设计方法[8-15]。

实现焊接接头与母材有相当的疲劳承载能力，需要研究焊接接头与母材疲劳行为的区别和联系。母材的微观组织和力学性能是均匀且单一的，是一种均质材料,其疲劳行为仅与应力分布状态有关。而焊接接头由于母材和焊材的组织性能差异及焊接热循环的影响，普遍存在微观组织和力学性能不均匀性[16,17]，导致同一承载截面上，不同区域的材料性能不同，是一种非均质材料。其疲劳行为不仅与应力分布状态有关，还与疲劳裂纹起始位置有关[18-20]。这是因为不同的疲劳裂纹起始位置决定着不同的疲劳裂纹扩展路径，对非均质材料而言，不同裂纹扩展路径上各组成材料的比例是不同的。由于疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹临界扩展尺寸是与材料有关的物理量[21-24]，所以疲劳裂纹扩展路径上各组成材料的比例变化将直接影响非均质材料的最大疲劳承载能力。

现有技术中并没有根据均质材料和非均质材料的疲劳寿命影响因素找到焊接接头与母材有相当疲劳承载能力的突破口。

发明内容

本发明的目的是通过设计对接焊接接头余高的几何形状以提升焊接接头的疲劳承载能力，进而提供了一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法，所述方法将焊接接头(母材及位于母材之间焊材)抽象成非均质材料，相应的将母材、焊材抽象成均质材料，根据所述均质材料的疲劳失效过程得到基于名义应力SN曲线的均质材料的疲劳寿命估算方法，利用所述疲劳寿命估算方法估算疲劳裂纹在均质材料中扩展一定尺寸(一定尺寸是指小于等于疲劳裂纹临界扩展尺寸)时经历的应力循环次数；将均质材料的疲劳寿命估算方法推广到非均质材料，得到非均质材料的疲劳寿命估算方法；再将非均质材料疲劳寿命估算方法应用于焊接接头，以相同疲劳载荷下母材的疲劳寿命作为焊接接头疲劳寿命的设计目标，形成焊接接头疲劳等承载设计方法；所述方法的实现过程如下：

步骤一、均质材料疲劳寿命估算

均质材料疲劳失效过程可描述为：疲劳裂纹在材料中扩展一定长度后，试件剩余承载截面上的应力值达到了均质材料的抗拉强度值σ_u，疲劳裂纹高速扩展导致材料发生瞬断，均质材料瞬断截面尺寸t_re表示为：