薄壁鋼管對接焊縫強度試驗分析

鄒群飛

（洪都航空工業(yè)集團，江西 南昌330024）

0 引言

飛機是通過許多構(gòu)件相互連接組合成的一個整體結(jié)構(gòu)，對于某些材料和某些形式的構(gòu)件，焊接是連接各構(gòu)件的重要方法。 目前正在不斷地研制更好的焊接技術(shù)、焊接機器以及新型焊接材料，使焊接后的構(gòu)件強度不至于降低。

焊接廣泛應(yīng)用于機身鋼架、 發(fā)動機架和起落架系統(tǒng)等，常見的鋼管焊接形式有對接、套接和搭接，焊縫的設(shè)計需綜合考慮工藝、結(jié)構(gòu)、強度的要求，應(yīng)盡可能選擇能承受較高靜載荷和抗疲勞性能較好的形狀，應(yīng)避免兩條焊縫相距過近，避免一條焊縫連接三個以上的零件，避免兩條焊縫縱橫交叉，以免引起應(yīng)力集中和金屬過熱而使組織惡化。

在計算鋼管對接焊縫強度時， 常采用參考文獻[1]中的經(jīng)驗公式進行計算，公式適用范圍有限，公式的推導(dǎo)過程、建立的依據(jù)不明確，且缺少相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。

1 鋼管對接焊縫計算現(xiàn)狀分析

1.1 對接焊縫概述

薄壁鋼管常采用CO2保護焊，焊接形式有對接、套接、搭接等，如圖1 所示。

若鋼管在軸線方向斷開， 在保證截面不變情況下，常采用對接焊縫連接形式，對接焊接有直焊縫和斜焊縫之分，見圖1 所示。 焊縫應(yīng)盡量設(shè)計成使其承受剪力或壓力而不承受拉力， 但承受拉力的情況往往也無法避免， 所以為了避免對接焊縫承受太大的拉力，推薦采用斜焊縫對接形式。

圖1 薄壁鋼管常用焊接形式

1.2 對接焊縫計算現(xiàn)狀分析

在對薄壁鋼管對接斜焊縫進行強度校核時，參照以往各型號飛機，常采用參考文獻[1]表33-2 中焊接接管的焊縫計算公式進行計算，計算公式如下：

單位長度焊縫上的力為：

單位長度焊縫上的許用力為：

強度條件：

式(1)～(3)中：

N－線載，N/mm；P－軸力，N；D－鋼管外徑，mm；δ－鋼管壁厚，mm；S－許用線載，N/mm；σb－抗拉強度極限，MPa。

在采用式(1)～(3)進行計算時，存在以下問題：

a) 參考文獻[1]中規(guī)定公式僅適用于氣焊的30CrMnSiA 鋼管，而薄壁鋼管常采用CO2保護焊；

b)式(2)中的σb值理解上不統(tǒng)一，是取鋼管本身材料的抗拉強度極限，還是取焊縫的抗拉強度極限，焊縫的抗拉強度極限計算公式如下：

式中：

顯然， 焊縫的抗拉強度極限小于鋼管材料的抗拉強度極限。

c)式(2)為國外60年代通過試驗得到的經(jīng)驗公式，隨著航空制造工藝和航空材料的日益發(fā)展，此公式需要進一步的驗證。

2 薄壁鋼管對接焊縫強度試驗分析

2.1 試驗情況

采用8 件相同的焊接鋼管試驗件進行靜力拉伸試驗，試驗鋼管外徑為27 mm，壁厚為1 mm，材料為30CrMnSiA，鋼管焊前進行熱處理， 熱處理后鋼管材料抗拉強度極限：焊接采用CO2保護焊，焊絲材料為H08Mn2SiA，焊接按三級焊縫標準執(zhí)行，焊后不進行熱處理，焊后鋼管材料抗拉強度極限：焊縫采用斜焊縫。

試驗件結(jié)構(gòu)簡圖見圖2 所示，-1 零件為試驗鋼管、-2 零件為試驗墊片(外徑為25 mm，壁厚1.5 mm)、-3 零件為夾持端加強件(直徑為25 mm 的實心圓管)，三個零件材料和熱處理狀態(tài)一樣，但-2、-3 零件為非試驗考核件。

試驗在華龍液壓伺服萬能材料試驗機 (型號WAW-300B) 上進行， 試驗加載至鋼管拉斷。

圖2 試驗件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗分析

8 件試驗樣品都在焊縫以外區(qū)域拉斷，試驗檢測報告見表1。

平均破壞載荷為：

表1 試驗檢測報告

2.2.1 鋼管破壞分析

按鋼管材料抗拉強度極限計算理論許用破壞載荷為：

試驗與理論破壞載荷相對誤差為：

理論計算與試驗很吻合。

2.2.2 焊縫經(jīng)驗公式分析

現(xiàn)根據(jù)經(jīng)驗公式式(1)～式(3)計算焊縫的理論破壞載荷，根據(jù)σb不同取值分別計算。

a)σb取焊縫抗拉強度極限

結(jié)合式(1)、(2)可得焊縫處理論破壞載荷：

b)σb取鋼管材料抗拉強度極限

結(jié)合式(1)、(2)可得焊縫處理論破壞載荷：

由此可見， 若采用參考文獻[1]表33-2 中方法計算鋼管對接焊縫強度時， σb值取鋼管材料抗拉強度極限值更接近試驗結(jié)果， 但依據(jù)此方法計算過于保守。

2.2.3 焊縫受力分析

現(xiàn)對鋼管對接斜焊縫進行受力分析， 力學(xué)模型如圖3 所示， 鋼管所受軸向載荷P 可以分解為焊縫的拉伸載荷Pla和焊縫的剪切載荷Pjian， 斜焊縫角度α=45°。

圖3 斜焊縫受力分析

焊縫拉伸載荷為：Pla＝P·sinα； 焊縫剪切載荷為：Pjian＝P·cosα

焊縫拉伸和剪切截面面積一致，為：

式中：

Awe－焊縫實際截面面積，mm2；Dwe－焊縫中心面直徑，mm；D0－鋼管壁厚中心面直徑，mm； D －鋼管外徑，mm；δ－鋼管壁厚，mm。

焊縫的拉伸應(yīng)力：

焊縫的剪切應(yīng)力：

抗剪強度小于抗拉強度，理論許用破壞載荷為：

2.3 試驗分析結(jié)論

綜上所述，試驗在鋼管非焊接處拉斷，試驗破壞載荷與鋼管自身材料的理論計算破壞載荷吻合，誤差僅為2.1%；若采用參考文獻[1]表33-2 中的經(jīng)驗公式計算對接焊縫的理論破壞載荷，σb值應(yīng)取鋼管材料的抗拉強度極限，但此計算方法過于保守，與試驗的誤差為22.5%；若采用上述章節(jié)2.2.3 的方法計算，理論計算與試驗結(jié)果誤差僅為1.3%，計算方法可取。

因此，通過對焊縫進行受力分析并結(jié)合試驗結(jié)果， 可得到圖4 所示薄壁鋼管對接焊縫的強度計算方法。

圖4 對接焊縫

焊縫工作應(yīng)力：

強度條件：

式(8)～(11)中：

σ－工作拉伸應(yīng)力，MPa；P－軸向拉伸載荷，N；α－焊縫斜角，如圖4 所示；Awe－焊縫實際截面面積，mm2；δ－鋼管壁厚，mm；D－鋼管外徑，mm；τ－工作剪切應(yīng)力，MPa；σb－鋼管材料的抗拉強度極限；K1－焊縫的強度削弱系數(shù)(對于CO2保護焊，K1＝0.8)；K2－焊縫的拉剪系數(shù)(對于CO2保護焊，K2＝0.63)。

3 結(jié)語

通過試驗和理論結(jié)合， 推導(dǎo)出了薄壁鋼管對接焊縫強度的計算公式， 并給出了保護焊焊縫強度削弱系數(shù)和拉剪系數(shù)的取值， 適用于薄壁鋼管對接焊縫強度校核。

[1]飛機設(shè)計手冊總編委會編. 飛機設(shè)計手冊9:載荷、強度和剛度.北京:航空工業(yè)出版社,2001.