年月
92 2018 1
HEILONGJIANG SCIENCE
黑龙江科学Vol. 9January 2018
焊接结构的等承载设计
方洪渊
(哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨150001)
摘要：哈尔
， 实
进焊接与连接
接接头与母材 的
重点实 通过对焊接接头的力学行为进行深入分析，
，仅将母材和 的性 为焊接接 的
，使得接接头的
可以
具体的产品结构
单纯
， 立进行，有
的观
具有与母发
，
材相同的 力的焊接接 和 为一个标准化的焊接结构 \"关键词：焊接;焊接结构;等中图分类号：407 文献标志码：
TGA
文章编号：1674 -8646(2018)02 -0027 -04
Welding structure of equal bearing design
FANG Hong-yuan
(State Key Laboratory 〇f Advanced Welding and Joining，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)
Abstract: The State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining，Harl)in Institute of Technology，deeply analyzes
the mechanical behavior of welded joints， abandons the notion of simply pursues the strength of welded joints，puts forward the idea of carrying welded joints and base materials，and takes deposited metal as initial parameters of the design of welded joints，gives the design method and design criteria of welded joints to ensure the same carrying capacityas the base metal， so that the design of welded joints can be independently carried out from the specific productstructure，which is expected to gradually develop into a standardized welding structure design.
Key words： Welding； Welding structure； Equal bearing design
焊接结构是指以焊接为主要手段实现各零部件之 间联系 习惯 用 、车这不是
成的具有一定功能的结构。因此
、
、车
技术制造的产品 结构设计这一
、飞行器、压容器 作者的 。 为结构的 有预设的功 、 定
。
由于焊接过
有的加热局部性和瞬时性，使得
成为具有冶金不完善性、力学性能不 性
几何不 性的不 ，因 成为 结构中的 作
节。 分析 践 结构 性 性的关键部位。大的
如何提高 哈尔滨工业大学先进 通过
的力学行为进行
的性
现
重 分析，
是
工。验室了单
的排布、
设计，即一 要进行 顺序、
、 为
作
追求 “ 作为
材 同的 使得
强度的观念，提
母材
现 母材
金属的性能参量
”的思想，并
、飞行器、压容器等主要
结构。但是，对
为
、
结构的设计，因为
结构设计，可以
结构，为保证。这涉及焊材的
及的
、焊确
设计的初始参量，给了保证具有与母
的 设计 设计 ，的设计
脱 成为一个标
的产品结构
的
立结构设
，却不
进行，并有望逐
计 节。
1
焊接接头等承载思想的提出
中心开有
荷
为a的
的试件，在承受外
生断裂时，依据各部位应变的大小关系，可以
的确定，以及
将断裂区分为:线弹性断裂！ >!”！’！；弹塑性断裂 ! >! >!”>!;韧带屈服断裂！’>!” >! >!和（韧 带）全面屈服断裂！’ >! >!>!。只有当断裂以全 面屈服模式发生时，才能发挥出材料的全部效能。
，并追求焊
金属具有与母材相同的强度，
S —无缺口部位的应变或称施加应变;
e” s’ 一缺口尖端处的应变；
S ”一缺陷所在平面内(或构件)边缘处
的应变。
收稿日期=2017-11 -23
作者简介:方洪渊（1956 -)，男，博士研究生导师。
图1断裂模式与各点应变的关系
Fig. 1 Relationship between fracture mode and strain at each point
27
如果 保证
面
不会先于母材发生断
生，这样就保证了
的母材，
。
。来非其
Q，就可以使焊缝所在截面上的应力值降低，当M h
，并断裂只
的载荷不 构成
并且断裂时母材 了其极
应 是 强度。
，强 面所
强度是指单位截面所 说，在服役过中
所
的极 的最大载荷。
的是
荷，而
#$时，就可以满足上述条件。
是两个不同的
不 构成 的材料性能有关，
的几何参量有关。这 得我们有 在
给定材料性能的前提下，通过 状的设计保证接的最大 荷不 母材所 的极荷。因此， 设计的
不 是
所
的极
荷pw不
1
图2
表征对接接头几何形状的参量（图为1/4对接接头)
母材所能承受的极限载荷PB，即pw >PB，按这种思想
保证结构 。
时发生破坏的部位
Fig. 2 The geometry parameter of the butt joint
(the figure shows a quarter butt joint)
2
承受静拉伸载荷时对接接头的等承载 设计
对于板厚为2 t的母材，开对称的X型坡口，我们
我们可以依据上述等承载原则按照图3所示的流
程来设计 ，所涉及的应力集中系数1 给 的 计 。
设计具有等承载能力（8? > 8)的对接接头。假定母金属的
?
假定\"f > \"'，匹配比为m h」5。
的
中区域。 材的
强度为\"5，
强度为\"'，并且
峰静载等承载对接接头设计准则
/(mm)r/(mm)h/(mm)wr0.50
0.600.700.80
80808080
t
2t/34b/74/4
根部位是两个可能的应力集位， 过Matthech 三角
作为过渡曲线 过渡， 应力
集中 。 根部位，如果 根处的应力集
Kroot(\"$ adv % f ) >>l
中系数满足如下条件$
$ h ( \" $ max % a ) / ( \" $
w h/2/
adv % J) h ( \" $ max % a ) /
■
V
： Wr
3.667t
3.064t2.619t2.292t1.0511.0541.0561.055
Sis
1/4对接头几何参数关系示意图
(式中:\"$max% ?为焊趾处的应力峰值;\"Jdv为焊 的平均应力；\"fdv为母材上的平均应力'/>为) 保证 不会先于母材发生屈
服。
过
的几
状，增大
表1
图3
静载等承载对接接头设计流程及结果
Fig. 3 Static load bearing but joint design process and results
高
对接接头应力集中系数计算公式
Tab. 1 Butt joint stress concentration factor calculation formula
位置
计算公式
焊趾
焊根
K〇e=i .(，柳忐―1.031)
K$〇t Hh#t+ar++% =0.023 -^-0.002
按最大主应力计算按Von Mises等效应计算
% = 3. 285 - 2. 541 (^---)2
：+1
w$ =).788(h+)2 -0.654(h+% =0. 041^-0. 0025
a
) + 0. 133
A
%=3. 030 -2. 300(t~#)2
h + tB =0. 963(Jh+)2 -0.516(^) + 0. 05
U) U)差在4D以内
当（：+#/a&1时，误差均在1.5%以内；（：+ #/a>1时， 当（h + #/a&1时，误差在1.5%以内，（h + #/a>1时，误
可能的误差
误差在5D以内
28
对于板厚\"
MPa
t = 6 mm 的 10CrNi3MoV 钢（\"
=662
，\"
=715 MPa
)取 60〇X 型坡口，钝边高度\"，此时的
m
mm
，
g
坡口间隙\"
= 585 MPa
mm
。采用HT945焊条（\"
=485 MPa
，\"
)进行 设计
为！ =0.74。
m
的余高Q = 1.0 m，
的过渡
，盖
面焊道半宽W = 11. 2 m
10 mm
半径r =。有 计算所获得的 性应变结果表
，期的断裂位 的
位
•
了
的母材处。
图4等承载接头与常规接头的等效塑性应变
有限元计算结果的比较
Fig. 4 Comparison of the equivalent plastic strain FEMresults of equal load - bearing joints and conventional joints
3
承受静弯曲载荷时的对接接头等承载 设计
对于承受弯曲载荷的构件，在评价其抗弯曲能力
时，有两 标:一是在弹性
构 同的载荷条
有较小的 ，另一个是
性
，在
同的载荷条 有更大的冷
。因此，在
荷作用下，
母材
的条
为:弹性 ， 同 荷作用 的最大
挠度不大于母材的最大挠度，即U - uA ;塑性阶段，在 同 荷作用 的冷
不小于母材的
冷 ，即\"=\"。
过
高，可以降低焊缝处的应力值，如
图5抗静弯曲等承载对接接头的设计准则及流程
Fig. 5 Design guidelines and processes of anti - static
bending equal load - bearing butt joint
果 保证 母材所
的最大弯荷时，
的峰值应 小
金属的屈
强度， 保证 的
不 母
材。这里 借鉴“ ”的设计思想， 各面的极 矩不 母材所 的最大弯矩，
保证了 母材 。图5给了的 的设计 设计
。验结果 ，依据该 所设计的
满
足
的要求。
4
基于断裂参量
K因子的焊接接头等承载
介绍的均是基于材料强度来进行的
设计。
应
断
的情况，需要
断裂参量K(应强度因子）考 的
：
。 有同 的I型裂纹的母材 为对象， 的条 为$(中
标W
, ，a表，母材）。
对于焊缝中裂纹失稳扩展的临界应力\"！可表述
为：\"cYKicW?槡槡(其中a为裂纹长度，Yw为焊缝区的形状因子）。通过调整形状因子Yw，可以使临界应力\"？
。
降低到小于母材的裂纹
临界应
29
力\"5时，就保证了相同尺度的裂纹在焊缝中不会先
母材中 。定 的形状因子Yu是无限大平板的形状因子Y0
征
状的几何参量(w-焊道宽度，Q半径，t-母材
）的数f(w，
-余高，r-过渡 有
定
荷时复杂得多，但仍然可以利用等承载的思想进行焊
的设计。
疲
疲劳强 进而建立
荷的 系，
，
完成抗疲
用母材的
，
金属的疲劳强度确定其疲
^，1，），即1〜=£(〜>，8,1:)10。采用复变函数法结合
计 获得 状因子的解析 。假
的形状曲线金属为三 （见图6)，中心含有I型裂纹的形状因子
写为：
的设计。如果需要考虑疲劳寿 时，可
用母材和焊缝金属的应力强度因子变化幅值和
及其断 标来建立
系，同样
的
完成 疲 寿 为 征参 的
f( h，w，r，t) =1 G cexp
：
+t
G
\"hwr
=1 cexp
h + t
(w2 +d
h2)(h G t
)
其中，待定系数c和d分别为：
c = 1.77633 h +，
(t
i \\ 2
：
+0.66789 ^+0.75115。
图6
焊缝和母材都含中心裂纹的三圆相切对接接头
Fig. 6 Tri - round tangential butt joint with center crack
in weld and parent metal
据此， 设计 有 的
。
如果假定
中心
有裂纹，而母材上没有裂纹，
据同样的思路
，
设计出这种条件
的 。并，实验结果 所设计的
确 保证 不会先于母材发生破坏。图7给了相应的实验结果。
a)焊缝中心与母材含有相同尺度裂纹时的等承载接头
b)只有焊缝中心含有裂纹时的等承载焊接接头
图7
等承载焊接接头的拉伸实验结果
Fig. 7 Equal load - bearing tensile test results of the joint
5
关于动载荷条件下的等承载焊接接头设 计问题
当焊接接头承受动载荷时，其情况要比承受静载
30
设计。
击载荷的
，要建立
系，需要求 辩证材料 击 的纯性能参。
是，冲击功是与试件几
状有关的参量，不能用
设计。
结果
，
速击条 ，极 击 试件的 面系数成
正比，这样，只要知道材料的冲击功，就状截面的极 击 。以极 击 为媒介， 建立母材
之间的 击等承载
系，进行低速冲击条 的 击 的.
设计。 高速冲击条件，要考 击断裂的方是 性 破坏，还是剪切破坏，并确定其破坏时的极 击载荷，进
用母材
金属的动态
断 建立 系。此时，应材料的应变
速
应考
， 进行 击 的设计。
有
的T型
字
，由应力状态的复杂性和这类
荷的多样
性，需要进行更 的 考 现的各种情况。
一种简单的 是，将T型 看成是余高为无限大
的单面焊道 ， 字
看成是余高为无限大的双面
道的
，并
的设
计思路进行近似
，只是相应的应力集中系数的计
要重新确定。
6
结语
结构母材所 的极 荷为约束条件，以所 的极 荷不 母材所 的
最大载荷为目标，通过 的
设计
有 母材 同的 ，不再是结构中的最
节。
进行
的
设计过程中，要充分考
虑载荷特性。 复杂载荷或载荷特征不确定的情况 ， 要考 面 。满足
要求的前提下，结构设计 结构的设计中 不必考虑因
接
的
母材的
。在结构设计完成后，由设计
有
的 设计结构
“镶嵌”到结构的相应位置，即可完成最终设计。
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