低匹配對(duì)接接頭的抗沖擊等承載設(shè)計(jì)方法

董志波 盧偉澤 相靚宇 方洪淵

哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱，150001

0 引言

在傳統(tǒng)的焊接過(guò)程中，常采用與母材強(qiáng)度相等的焊接材料組成等強(qiáng)接頭。但對(duì)于高強(qiáng)鋼而言，等強(qiáng)接頭的冷裂傾向較為嚴(yán)重，在抗疲勞和韌性方面表現(xiàn)較差[1-4]。如果使用強(qiáng)度稍低的焊接材料組成高強(qiáng)鋼低匹配焊接接頭，則能夠解決冷裂的問(wèn)題并增強(qiáng)韌性[5-6]。但該類(lèi)接頭的缺點(diǎn)是母材與接頭無(wú)法達(dá)到等匹配的強(qiáng)度。

為了解決上述問(wèn)題，方洪淵[7]提出了等承載能力的概念，舍棄了單純追求焊縫強(qiáng)度高的觀念，并提出了使焊接接頭與母材等承載的思想；趙智力等[8-10]提出了靜載條件下低匹配對(duì)接接頭的等承載設(shè)計(jì)方案，僅將母材和熔敷金屬的性能參量作為焊接接頭設(shè)計(jì)的初始參量，并制定了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

實(shí)際工程中的焊接結(jié)構(gòu)不僅會(huì)處于靜載環(huán)境下，還可能處于沖擊環(huán)境下。沖擊載荷屬于動(dòng)載，所產(chǎn)生的情況比靜載復(fù)雜，依據(jù)靜載設(shè)計(jì)的等承載接頭將不再適用[11]。因此，如何進(jìn)行等承載設(shè)計(jì)，使沖擊載荷下接頭不先于母材發(fā)生破壞，具有重要的工程意義[12]。

對(duì)于承受沖擊載荷的焊接接頭，要建立其等承載關(guān)系，需要尋求能體現(xiàn)材料抗沖擊能力的純性能參量。沖擊功是衡量材料韌性的指標(biāo)，可以表征材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。但是，沖擊功是與試件幾何形狀有關(guān)的參量，不能直接用于等承載設(shè)計(jì)。

本文通過(guò)研究A921鋼極限抗沖擊能量與試件抗彎能力的關(guān)系，建立了母材與焊接接頭之間的抗沖擊等承載關(guān)系，并設(shè)計(jì)了低速?zèng)_擊條件下的抗沖擊焊接接頭。

1 沖擊試驗(yàn)研究

以A921鋼試件為極限抗沖擊能量與抗彎能力規(guī)律的試驗(yàn)材料，并采用Q345鋼作為驗(yàn)證該規(guī)律的試驗(yàn)材料。利用夏比沖擊試驗(yàn)法，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007對(duì)材料進(jìn)行線切割加工。沖擊試件的尺寸見(jiàn)圖1，其中長(zhǎng)度為5.5 cm，設(shè)計(jì)不同的寬度與厚度，設(shè)寬度為B，厚度為H。在試件長(zhǎng)度方向上中間位置加工出夾角為45°的V形缺口，缺口深度為0.2 cm，尖端曲率半徑為0.025 cm。

圖1 沖擊試件尺寸示意圖Fig.1 Diagram of impact specimen size

在室溫環(huán)境下使用JB-300B型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)有兩種擺錘，小擺錘所施予的最大沖擊功為150 J，大擺錘所施予的最大沖擊功為300 J。為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，應(yīng)使試驗(yàn)時(shí)示數(shù)盤(pán)所顯示的沖擊功在量程的10%～90%之間，若超出此范圍則需對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行特別標(biāo)注。

為了解試驗(yàn)材料A921高強(qiáng)鋼的沖擊性能以選擇合適的擺錘，取一標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行沖擊。使用大擺錘得到的沖擊功數(shù)值為202 J，表明該材料沖擊韌性較好，小量程將無(wú)法滿足要求，因此為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)試驗(yàn)皆采用大擺錘。

試驗(yàn)后的沖擊斷裂試樣如圖2所示，若沖擊試驗(yàn)所獲得的沖擊功為Akv(J)，則沖擊韌度akv(J/cm2)可由下式計(jì)算得到：

圖2 部分沖擊斷裂試樣Fig.2 Partial impact fracture sample

(1)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

夏比沖擊試驗(yàn)所得到的A921鋼和Q345鋼不同幾何尺寸試件的沖擊功數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)沖擊韌度值如表1所示。

表1 A921鋼和Q345鋼的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of the impact test of A921 and Q345

2.1 試件抗彎能力與沖擊韌度的關(guān)系

為使試件的抗彎能力可與沖擊韌度建立關(guān)聯(lián)，首先應(yīng)尋求能夠表征抗彎能力的參量。根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)，慣性矩和抗彎截面系數(shù)均與抗彎能力有關(guān)。試驗(yàn)中沖擊試件的橫截面為矩形，其Z軸慣性矩IZ(cm4)和Z軸抗彎截面系數(shù)WZ(cm3)可分別表示為

(2)

(3)

從而采用試件的幾何尺寸間接地表征了抗彎能力。

試件的抗彎能力與沖擊韌度的關(guān)系可等價(jià)于幾何尺寸與沖擊韌度的關(guān)系。分別對(duì)A921鋼沖擊試件的H3B、H2B值與其對(duì)應(yīng)沖擊韌度進(jìn)行線性回歸分析，如圖3所示。自變量H3B、H2B的擬合關(guān)系式分別如下：

圖3 A921鋼沖擊韌度與抗彎能力的線性擬合Fig.3 Linear fitting of impact toughness and bending resistance of A921 steel

akv=93.61+137.86H3B

(4)

akv=76.10+155.75H2B

(5)

式(4)和式(5)擬合的相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.93，表明試件的沖擊韌度與表征其抗彎能力的H3B值有較好的線性擬合關(guān)系。定義akv0為材料的基礎(chǔ)韌度，系數(shù)k為材料沖擊韌度關(guān)于幾何尺寸變化速率的表征，則上述關(guān)系可表示為

akv=akv0+kH3B

(6)

與沖擊韌度不同，基礎(chǔ)韌度是材料在一定沖擊載荷下的常量屬性，與試件的幾何尺寸無(wú)關(guān)，可表征材料本身的塑韌性。由此可知，不同材料在試件尺寸不同時(shí)其沖擊韌度沒(méi)有可比性，但是其基礎(chǔ)韌度具有可比性。

2.2 材料抗沖擊性能對(duì)比分析

以Q345材料為研究對(duì)象，對(duì)其沖擊試件的H3B值與對(duì)應(yīng)沖擊韌度進(jìn)行線性回歸分析，其表達(dá)式如下：

akv=47.24+34.99H3B

(7)

式(7)擬合的相關(guān)系數(shù)為0.93，表明線性關(guān)系良好，從而驗(yàn)證了試件沖擊韌度與H3B值之間規(guī)律的有效性，并說(shuō)明該規(guī)律在其他材料中具備一定的可推廣性。

對(duì)比分析式(4)與式(7)可以發(fā)現(xiàn)，A921鋼的基礎(chǔ)韌度akv0約為Q345鋼akv0的2倍，A921鋼的系數(shù)k遠(yuǎn)大于Q345鋼的系數(shù)k。依據(jù)兩種材料akv0與k的差異，結(jié)合沖擊試驗(yàn)，可分析比較二者的抗沖擊性能。

從akv0值方面分析，A921鋼的韌性?xún)?yōu)于Q345鋼的韌性。從k值方面分析，Q345鋼試件在承受沖擊載荷以解理斷裂為主的范圍內(nèi)，隨著試件幾何尺寸的增大，單位面積消耗的能量變化不大；A921鋼試件在承受沖擊載荷而斷裂時(shí)，裂紋尖端擴(kuò)展的塑性變形及試件整體的大塑性變形將消耗較多的能量，而且塑性變形量隨試件尺寸的增大而增大，相比于韌度較小的材料，A921鋼試件的沖擊韌度隨尺寸變化的趨勢(shì)更明顯。

因此，如果兩材料均滿足式(6)所示的關(guān)系，則可以借助式(6)全面地對(duì)比材料的沖擊韌性，并預(yù)測(cè)不同尺寸試件在一定沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)。

3 接頭抗沖擊等承載設(shè)計(jì)方法

對(duì)構(gòu)件進(jìn)行沖擊載荷下的等承載設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證焊接接頭斷裂所吸收的沖擊功AkvW與母材失效所吸收的沖擊功AkvB相同，確保構(gòu)件可以在母材抗沖擊能力范圍內(nèi)安全服役，使接頭不先于母材發(fā)生破壞，因此，沖擊載荷下等承載設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)條件可表示為

AkvW=AkvB

(8)

結(jié)合接頭熔敷金屬抗彎能力與沖擊韌度的關(guān)系，根據(jù)式(6)和式(8)可得

AkvB=(akv0+kH3B)HB

(9)

其中一定尺寸的母材失效所消耗的沖擊功AkvB可由試驗(yàn)獲得。對(duì)于工程中在一定條件下服役的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，焊接接頭的寬度B往往已根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)完成，因而可通過(guò)尋求接頭的最佳厚度H來(lái)滿足等承載。解出方程中僅有的一個(gè)未知量H，即為滿足沖擊載荷下等承載設(shè)計(jì)的接頭最小厚度。

在沖擊環(huán)境下服役的接頭也會(huì)受到拉伸靜載等其他載荷的影響，因此，除了實(shí)現(xiàn)沖擊載荷下的等承載設(shè)計(jì)外，還要考慮提高接頭承受其他載荷的能力，做好接頭與母材過(guò)渡處的形狀優(yōu)化，將危險(xiǎn)區(qū)向母材轉(zhuǎn)移。如在設(shè)計(jì)沖擊載荷下對(duì)接等承載接頭時(shí)可加入減小焊趾、焊根等處應(yīng)力集中系數(shù)的形狀優(yōu)化方法。

對(duì)圖4所示的A921鋼低匹配對(duì)接接頭進(jìn)行沖擊載荷下的抗沖擊等承載設(shè)計(jì)，接頭幾何參數(shù)包括板厚2t、余高高度h、余高寬度w0、過(guò)渡處寬度wr、焊趾半徑r等。在靜載條件下等承載設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了沖擊載荷下低匹配接頭的抗沖擊等承載設(shè)計(jì)流程，如圖5所示。

圖4 1/4對(duì)接接頭幾何參數(shù)示意圖Fig.4 1/4 geometric parameter diagram of butt joint

圖5 沖擊等承載對(duì)接接頭設(shè)計(jì)流程Fig.5 Design process of butt joints for equal load-carrying of impact resistance

首先，按照前述方法計(jì)算得到?jīng)_擊載荷條件下的最小接頭厚度Hmin；另一方面，根據(jù)靜載條件下的等承載接頭設(shè)計(jì)方法，可計(jì)算得到接頭的最小余高高度hmin，其表達(dá)式如下：

(10)

其中，μMMR為屈服強(qiáng)度匹配比。將由hmin構(gòu)成的接頭厚度2(t+hmin)與Hmin進(jìn)行比較，選取二者中的較大者作為滿足安全設(shè)計(jì)的數(shù)值，從而得到余高高度h。而后，根據(jù)下式可以計(jì)算得到接頭處的焊趾半徑r：

(11)

式中，Ktoe為焊趾處的應(yīng)力集中系數(shù)；a為形狀系數(shù)。

蓋面焊道寬度w的計(jì)算表達(dá)式如下：

(12)

若以最大主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，則余高寬度w0和過(guò)渡處寬度wr可分別表示為

(13)

(14)

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)A921鋼試件進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)材料的沖擊韌度與表征抗彎能力的幾何尺寸H3B值之間具有良好的線性關(guān)系。

(2)通過(guò)對(duì)比分析A921鋼與Q345鋼抗彎能力與沖擊韌度的關(guān)系式，表明該規(guī)律具有對(duì)比材料沖擊韌性并預(yù)測(cè)不同尺寸試件受到一定沖擊載荷作用時(shí)力學(xué)響應(yīng)的能力。

(3)以沖擊功為承受沖擊載荷能力的參量，提出了A921鋼低匹配對(duì)接接頭在沖擊載荷作用下的抗沖擊等承載設(shè)計(jì)方法。