大型焊接結構焊縫裂紋尖端張開位移試驗研究

余啟明，孫清華，何曉鳴，張智

（1.武漢工業(yè)學院土建學院，武漢 430023；2.武漢市公路勘察設計院，武漢 430051）

大型焊接結構焊縫裂紋尖端張開位移試驗研究

余啟明1，孫清華2，何曉鳴1，張智1

（1.武漢工業(yè)學院土建學院，武漢 430023；2.武漢市公路勘察設計院，武漢 430051）

對大型焊接結構焊縫進行了裂紋尖端張開位移（CTOD）斷裂韌度試驗，測試了其焊縫的CTOD特征值，得出相應的結論。

Q420qE；裂紋尖端張開位移（CTOD）；斷裂韌性

隨著現(xiàn)代大型焊接結構的大量出現(xiàn)，大型水電站、核電站、大跨度橋梁等厚板焊接結構廣泛地被人們采用。然而由于厚板結構焊接過程中散熱不均，造成了焊縫區(qū)的韌性不足，因此焊接接頭斷裂韌度的控制成為工程質量的一個重要指標。本文以實際工程為研究對象，以等尺寸試件的裂紋尖端張開位移，簡稱CTOD，研究在20℃條件下，E43和E38厚鋼板對接焊接的焊縫區(qū)的斷裂韌性。CTOD，即帶裂紋的材料受到張開型荷載后，裂紋尖端兩點張開的相對距離，其值越大，表示材料斷裂韌性越強；反之，CTOD值越小，韌性就越差[1]。

1 試樣的制備[1-5]

試驗采用E43和E38高強度鋼板焊縫區(qū)為研究對象，其力學性能見表1。

表1 焊材強度

制備三點彎曲（TPB）標準試樣。焊縫和HAZ（熱影響區(qū)）根據(jù)BS7448：1997-Part2《確定金屬材料KIC、臨界CTOD和積分的方法》

1.1 試樣焊縫工藝和切割工藝

截取厚度B為54mm的試樣，對試樣進行分組編號登記；將切割下的試樣進行對接焊接；焊接材料采用J507（E5015）焊條。焊接工藝基本參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝

依據(jù)規(guī)范對CTOD試件進行線切割加工，然后在試樣單側加工缺口，使缺口沿厚度方向。最后采用高頻疲勞試驗機預制疲勞裂紋。首先確定缺口的位置，根據(jù)英國規(guī)范BS7448標記需要切割加工線，并且要求保證裂紋平面垂直于試樣表面，偏差在±2°以內。在線切割機上用直徑不超過0.12mm的鉬絲加工機械缺口。

1.2 預制疲勞裂紋

在試樣單側用線切割加工深度為2mm的缺口，缺口沿厚度方向。然后采用高頻疲勞試驗機預制疲勞裂紋，為防止疲勞裂紋擴展速度過快，首先按應力比R=0.1將疲勞裂紋預制到2mm，然后立即將應力比調整為R=0.6，再將疲勞裂紋預制到4mm處。這樣可以保證試樣的預制疲勞裂紋和線切割長度之和在0.45～0.55W（母材）或者0.45～0.70W（焊縫和HAZ）范圍內，W為試樣寬度。

2 試驗過程

試驗在1000kN的萬能材料試驗機上進行，試驗現(xiàn)場如圖1。

試驗主要步驟：（1）把各組試件分別放置在20℃的環(huán)境中24h后取出，確定各組的荷載和位移測量系統(tǒng)的標定，然后安放試樣，調整跨距S=4W（W為試樣的寬度，mm），確定F-V曲線斜率；②加載并同時利用LZ38-204函數(shù)記錄儀描制F-V曲線，如圖2；③二次疲勞，壓斷試樣，測量a和a0，最后根據(jù)記錄的曲線計算得到CTOD值，原始裂紋尖端部位的張開位移δ可表示成公式（1）.即

δ＝δe+δp（1）

式中δe為裂紋尖端部位張開位移的彈性分量；δp為裂紋尖端部位張開位移的塑性分量。即

圖1 CTOD試驗照片

圖2 函數(shù)記錄儀

式中μ為泊松比；ReL為屈服強度；W為試樣寬度（mm）；a0為原始裂紋長度（mm）；E為彈性模量；Vp為F-V曲線上取值點對應的夾式引伸計位移的塑性部分；rp為旋轉因子，取0.45；KI為強度因子，K1=；Y為a/W的函數(shù)；Z為刀口厚度（mm）。

3 試驗結果

試驗中6根試件全部發(fā)生韌性失穩(wěn)斷裂。焊縫試樣在20℃溫度下的CTOD試驗結果、試件的主要尺寸及特征CTOD值如表3所示。

表3 試件在低溫下的特征CTOD值（-20℃）單位：mm

其中δu、δm分別為脆性失穩(wěn)CTOD值、最大載荷CTOD值。由式（1）可知試件的CTOD值只與彈性分量δe和塑性分量δp有關，對于焊縫區(qū)，其塑性分量δp遠大于其彈性分量δe，所以在常溫條件下，板厚為54mm的對接焊接試件，塑性分量δp對其抵抗開裂性能起決定性作用。一般說來，CTOD數(shù)值一般小于1，數(shù)值越大，斷裂韌性越好，而測試試驗中其特征值均偏，說明其斷裂韌性良好，能夠滿足工程需要。

4 結語

對于板厚為54mm的對接焊接試件，其CTOD塑性分量δp對其抵抗開裂性能起決定性作用。試件發(fā)生韌性失穩(wěn)斷裂，說明其斷裂韌性良好，能夠滿足實際要求。

［1］苗張木．厚鋼板焊接接頭韌度CTOD評定研究［D］．武漢：武漢理工大學，2005．

［2］BS7448：Part 1：1991，F(xiàn)racture mechanics toughness tests．Method for determination of Kic，critical CTOD and critical J values of metallic materials［S］．

［3］BS7448：Part 2：1991，F(xiàn)acture mechanics toughness test．Method for determination of Kic，critical CTOD and critical J values of welds inmetallic materials［S］．

［4］王元清.鋼結構脆性破壞事故分析［J］．工業(yè)建筑，1998，28（5）：55－58．

［5］苗張木，蔣軍，王志堅，等．一種評價導管架焊接接頭韌性的方法［J］．中國海洋平臺，2003．18（5）：34－37.

［7］馬濤.厚鋼板EH40低溫CTOD韌性試驗研究［J］．船海工程，2010（5）.

［8］苗張木.焊接接頭韌性CTOD評定的適用性與允許值研究［J］．機械強度，2006（1）.

［9］苗張木，吳華方．海洋鋼結構韌性問題與CTOD試驗技術［J］．鋼結構，2008，23（2）．

［10］張玉玲．低溫環(huán)境下鐵路鋼橋疲勞斷裂性能研究［J］．中國鐵道科學，2008（1）．

Study on Welded Joints of Large Structure for Crack Tip Open Displacement

YU Qi-ming1，SUN Qing-hua2，HE Xiao-ming1，ZHANG Zhi1
（1.Civil Engineering and Architectural Institute，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China；2.Wuhan Road Reconnaissancing and Planning Academy，Wuhan 430051，China）

Based on BS7448 fracture toughness test experiment standard and DNV-OS-C401，the analysis of the welded seam of structure is extended to three point bending specimen with a center crack were carried out，the CTOD value of the welded zone were obtain.

Q420qE；crack tip open displacement（CTOD）；breaking toughness

TV34

A

1672-9900（2012）02-0031-03

2012-02-21

國家自然科學基金（51009111）

余啟明（1980-），男（漢族），湖北鄂州人，講師，主要從事材料非線性研究，（Tel）13397162363。