焊接接頭力學失配對斷裂參量的影響

梅瀟+董丙賽

摘要：針對高強鋼失配的對接接頭設(shè)計，采用有限元方法，考察了該種匹配方式對斷裂參量應(yīng)力強度因子和J積分的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一種近似求解方法。

關(guān)鍵詞：焊接接頭；力學失配；斷裂參量

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）32-0206-02

一、序言

焊接接頭力學性能失配，對于焊接結(jié)構(gòu)的強度和抗斷裂性能的影響，是目前焊接接頭完整性與可靠性研究領(lǐng)域的熱點，本文首先對焊接接頭進行簡化，將模型分成三個區(qū)域，即熱影響區(qū)、焊縫區(qū)和母材區(qū)，通過有限元方法，建立平面二維緊湊拉伸試樣模型，求解出裂紋尖端的斷裂參量應(yīng)力強度因子和J積分。

二、焊接接頭的強度失配

焊接接頭性能存在著顯著的不均勻性，焊縫與母材強度匹配對焊接接頭有著很大影響，是焊接接頭疲勞強度設(shè)計必須考慮的主要因素之一。嚴格意義上的焊縫與母材同質(zhì)等強是很難做到的，焊縫強度與母材強度的差異性稱為焊縫強度的失配。焊縫強度失配可以用失配比來描述，失配比的定義與焊縫和母材的彈塑性行為有關(guān)。在實際的接頭中，焊縫熔敷金屬和HAZ（熱影響區(qū)）的單向載荷拉伸（應(yīng)力-應(yīng)變）性能不同。雖然彈性模量并無顯著差異，但是σ■、σ■、σ■以及應(yīng)變硬化性能不同。在彈性范圍內(nèi)，屈服強度的匹配性不影響焊接接頭變形的行為，即施加應(yīng)力小于母材和焊接金屬中最小屈服強度的情況。然而，當焊縫或母材發(fā)生屈服時的焊接接頭就必須考慮材料的強度失配問題。一般意義上的焊縫強度失配性大多是指屈服強度匹配。用焊縫金屬的屈服強度與母材金屬的屈服強度的比值表示，即M=■式中，M為失配比，σ■為焊縫金屬的屈服強度；σ■為母材金屬的屈服強度。焊縫金屬屈服強度大于母材金屬屈服強度時稱為高匹配（M>1），反之則稱為低匹配（M<1）。除了考慮強度匹配外，還可考慮抗拉強度匹配、塑性匹配或綜合考慮反映強度和塑性的韌性匹配。

三、有限元模型的建立

按照標準比例，設(shè)定與試驗試件相同的尺寸參數(shù)，其中寬度W=80mm，厚度B=8mm，裂紋長度a=24mm，緊湊拉伸C（T）試樣采用PLANE183單元建模，該單元為8節(jié)點二次實體單元，用來模擬平面應(yīng)力狀態(tài)，并通過定義各向同性材料多線性隨動強化模型來模擬材料的彈塑性，為模擬裂紋尖端奇異性，使用KSCON命令指定圍繞裂紋尖端周圍生成二次單元，且在1/4節(jié)點處由中間節(jié)點，裂紋尖端區(qū)域網(wǎng)格如圖1所示。在斷裂韌度試驗中，緊湊拉伸試樣下孔固定，上孔借由銷軸對其施加豎直向上的載荷；在仿真中，ANSYS可以通過建立剛性域來模擬位移約束及載荷的定義。

四、力學失配對裂紋尖端應(yīng)力強度因子的影響

本節(jié)將對線彈性范圍內(nèi)討論力學失配對應(yīng)力強度因子的影響。為方便計算，將焊接接頭簡化為焊縫區(qū)和母材區(qū)，使用彈性模量來衡量失配比，即M=■，低匹配時M的取值分別為0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1。母材為Q690，其彈性模量為200GPa。現(xiàn)將各種情況列表如下：

從上表中可以看出，應(yīng)力強度因子隨著匹配比的增大而增大，J積分卻與之負相關(guān)。

焊縫接頭強度失配對縱向載荷接頭與橫向載荷接頭產(chǎn)生完全不同的作用。當對接接頭受縱向載荷作用，與外加載荷垂直的橫截面上焊縫金屬只占很小的一部分，當焊接接頭受平行于焊縫軸向的縱向載荷時，焊縫金屬、HAZ以及母材同時同量產(chǎn)生應(yīng)變。無論屈服強度水平如何，焊縫金屬被迫追隨著母材發(fā)生應(yīng)變。此時，焊接區(qū)域的不同的應(yīng)力-應(yīng)變特性不會對焊接構(gòu)件的應(yīng)變產(chǎn)生直接的影響，強度失配對其影響不大。接頭各區(qū)域幾乎產(chǎn)生相同的伸長，裂紋首先在塑性差的地方產(chǎn)生并擴展。高匹配不會對焊縫起到保護作用，低匹配也能保證焊縫的抗斷裂性能，因而母材金屬和焊縫金屬等塑性才是合理的。

五、結(jié)論

1.應(yīng)力強度因子隨著匹配比的增大而增大，J積分卻與之負相關(guān)。

2.高匹配不會對焊縫起到保護作用，低匹配也能保證焊縫的抗斷裂性能。

3.母材金屬和焊縫金屬等強度才是最為合理的設(shè)計。

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