第3 7卷第12期 2 0 1 6年1 2月焊 接 学 报 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION Vo1.37 No.12 December 20 1 6 Q345 T形焊接接头焊脚尺寸对强度的影响分析 李金风, 张东焕, 王玉朋 (山东理工大学交通与车辆工程学院,淄博摘255049) 要:T形焊接接头在工程中应用广泛,焊脚尺寸直接影响着焊接件的质量.为了探索焊脚尺寸对焊接件强度 的影响,分别对取样位置不同、尺寸不同的Q345 T形焊接接头试样进行拉伸试验,得到T形焊接接头的力学性能 数据并对其分析比较.按照等强度理论,计算出T形焊接接头在不同受力情况下的最优焊脚尺寸,将理论计算值与 试验数值对比分析.结果表明,理论值与试测值基本吻合. 关键词:T形焊接接头;拉伸试验;力学特性分析;焊脚尺寸 中图分类号:TG 407 文献标识码:A 文章编号:0253—360X(2016)12—0075—04 0 序 言 ansys软件对焊接件的疲劳强度进行数值模拟,一些 学者结合有限元与边界元,数值模拟分析焊接件的 .焊脚尺寸对焊件强度有很大影 焊接是金属结构件的主要连接方式之一,广泛 应力强度因子 ’应用于航空航天、海洋钻探、建筑等许多领域.T形 响,张立斌和姚玉环 对于埋弧自动焊单面焊双面 利用二次回归正交组合方法及软件分析 接头是一种常见的焊接接头,T形接头焊缝形式有 成形焊接,m 对焊脚 不开坡口的角焊缝和开单边坡口的没有焊脚的对接 来预测几何尺寸,陆志军及陈奎昌等人 ,焊缝.其中对接焊缝接头拐角处有很大的应力集 尺寸进行了理论分析.但涉及焊脚尺寸对焊接件强 中,很少采用;角焊缝的受力比较简单,使用广泛. 度影响的试验分析较少.通过对取样位置不同和焊 然而在焊接接头焊脚尺寸方面仍存在很多的问题, 接尺寸不同的T形焊接接头进行拉伸试验,得到接 实际生产中,存在着焊脚尺寸过大的情况,比如一些 头的一般力学特性并对其分析比较.按照等强度理 设计图纸要求焊缝尺寸偏大,传统观念认为焊缝是 论计算得到T形焊接接头在不同受力情况下的最优 结构中的薄弱环节,越大越放心.焊脚尺寸过大会 焊脚尺寸,计算结果与试验数据进行比较,结果基本 造成接近焊缝区的金属过热,产生粗大的魏氏组织, 吻合.不仅降低冲击韧性,还会造成焊接变形和残余应力 过大,浪费材料,增加制造成本;焊脚尺寸过小会导 1 T形焊接接头拉伸试验 致母材与焊缝熔合不良,引起应力集中,还可能出现 焊缝咬边、裂纹等缺陷,这种情况更是严重影响焊接 1.1试样的制备 试验所用的T形焊接接头的材料是Q345,焊丝 件的强度. 6,采用不开坡口对接手工焊接.为了 目前工业中使用的焊接技术是19世纪末20世 材料是ER50-纪初现代科学技术发展的产物.最近几年,国内外 探索焊脚尺寸对焊接件的影响,将T形焊接接头试 许多学者对焊接区的温度场和应力场,焊接区的残 样分3组试样进行试验,第一组编号为A,取样位置 第二组编号为 余应力和应变及焊接缺陷、疲劳断裂等进行了分析. 是焊接端头段,即起弧和收弧的位置;胥国祥等人¨ 利用有限元软件对焊接接头的温度 B,取样位置是焊接中间段;第三组编号为F,取样位 场和应力场进行模拟分析,刘玉君等人 通过对焊 置同样是焊接中间段.每组焊接试样各准备4件,接结构焊前施加弹性反向角变形来控制结构残余角 并且要求焊接试样无缺陷,无残余应力,试验时选取 一变形,姜克斌等人 利用磁测应力仪及有限元数值 3件进行试样测试,1件为预留件.A组与B组为同 个T形焊接接头中截取得到的试样,其尺寸差异 模拟得焊接残余应力分布规律;卢峰华等人l5 利用 由于加工及测量误差产生,通过第一组与第二组的 收稿日期:2014—12—01 基金项目:山东省自然科学基金资助项目(ZR2011EEM020) 比较来探讨焊接起弧,收弧对焊接件强度的影响;B 组与F组取于不同尺寸T形焊接接头的中间段,把 76 焊 接 学 报 A B F 第37卷 它们设计成尺寸不同的试样,通过第2组与第3组 均匀缓慢的加载,南应变仪记录应变值.为了能取 舵 平均 阱陀阱平均 n 均 的比较来探讨焊接件尺寸对焊接件强度的影响. }}得比较理想的试验数据,不影响T形焊接接头性能 i i T形焊接接头试样的尺寸如表1所示,形状如 图l所示.图1中,t为焊接接头的宽度,b为垂直板 的厚度,n为水平板的厚度, ,, , , 为焊接接头 接接头的宽度t. 表1 T形焊接接头试样尺寸 Table 1 Size of test piece T welded joint 8 试样 编 I I “ /mm b /ram f /nm1 kI /nllI l9.5 l0.O 9.7 1】l l 1 测试的真实性,要求试样受力彤式合理,试样夹持到 试验机时必须调好位置,避免出现偏心现象,如图2 所示,试样的拉伸试验示意图如图3所示.在试验 mm/mi3 3n 41 l l 5 5 5 5 焊脚的尺寸,其中T形焊接接头的焊缝长度等于焊 时采用位移控制的方式加载,其加载的速度为0.1 ●7 3 7 6 0 6 9 9 9 9 9 9 9 8 9 8 8 2 /mm 3 2 7 2 O 4 0 O 0 O 0 O 0 3 /l11m /n1m 10.0 10.5 8 10.0 10.2 9.5 9.5 2 9 9 9 9 9 8 8 8 9 9 8 7 2 0 7 O O 9 O O O 7 9.7 9.7 9.2 l0.0 9.6 8.0 9.0 9.3 8.0 图2 T形焊件拉伸试验装置图 Fig.2 Tensile test device of T welded joint 9.0 8.0 8.3 9.0 9.0 8.7 图3拉伸试验示意图 Fig.3 Schematic diagram of tensile test 图1 T形焊接接头试样示意图 Fig.1 Schematic diagram of test piece T welded joint 通过观察试验过程发现,编号为A和编号为B 1.2试验设备 的T形焊接接头试样在加载初期无明显现象,当载 试验所用的主要仪器设备为CMT5305微机控 荷接近最大值时能听到轻微的焊缝拉开的声音,随 制电子万能试验机,其准确等级为1级;YJ_4501A 后载荷下降试样“嘭”的一声破坏.拉断后的T形焊 静态数字应变仪,灵敏系数为2.08%;BHFI20—3AA 接接头断口是沿角焊缝45。的位置,如图4a,4b所 和BX120-2BA型号的电阻应变计. 1.3拉伸试验 示.而编号为F的T形焊接接头试样在加载初期也 是无明显变化,随着载荷的上升,在强化阶段中,试 用游标卡尺测量试样的尺寸(包括标距、厚度、 样的母材区长度明显增长,观察到出现了明显缩颈 宽度、长度和截面面积);把试样磨平并且贴应变片, 上,用半桥接线法将工作片及补偿片接于电阻应变 现象,最后随着载荷的下降试样“嘭”的一声破坏. 有发生破坏,如图4c所示.各组试样的断口形貌示 意图如图5所示.试验机自动记录了试样的荷载随 接线;准备好试验机,将准备好的试样夹持到试验机 拉断后的T形焊接接头断口在母材上,且角焊缝没 仪;试验开始前将应变仪预调平衡,试样夹紧后开始 第12期 李金风,等:Q345 T形焊接接头焊脚尺寸对强度的影响分析 77 位移变化的曲线,将A1,Bl和Fl的载荷一位移曲 线放在同一个图中进行比较,如图6所示,从图6可 以看出Fl的承载力小于A1和B1的承载力. E: :拿 A (1) 式中: 为材料的弹性模量;F为轴向拉力;A为试样 的横截面面积; 为轴向应变,由式(1)可计算材料 的弹性模量.在母材上贴了夹角是90。的应变花,通 过拉伸试验可测出轴向应变占 和横向应变 .当 应力不超过比例极限时,横向应变与轴向应变之比 的绝对值是个常数,即 f一, l :I l I 8p I (2) 由式(2)即可求出材料的泊松比. T形焊接接头的3组试样的拉伸试验数据及数 据处理结果,如表2所示.其中弹性模量和泊松比 都是母材的. (a1AI形貌 (b)Bl形貌 (c)Fl形貌 图4 T形焊接接头断口形貌 表2 T形焊接接头试样的试验数据及其参数 Table 2 Experimental data and parameters of T welded Fig.4 Fracture morphology of T welded joint joint specimen 断口 < /、 I(a)A组B组试样的端口 (b)F组试样的端口 图5断口形貌示意图 Fig.5 Schematic diagram of fracture morphology 为了分析比较T形焊接接头焊接质量及其参 数,编号为A,B,F的焊接试样的试验数据及其参数 的平均值,如表3所示. Z . 表3三组T形焊接接头试验结果的对比 Table 3 Comparing for experimental results of three 柱 锚 groups of T welded joint 位移x/mm 图6 T形焊接接头拉伸试验载荷一位移曲线 Fig.6 Load--displacement curve of T welded joint 由表3可以看出无论是端头段还是中间段,它 们的弹性模量与泊松比基本是一致的,这与理论是 2试验数据分析 材料在线弹性阶段,根据胡克定律,有 相符合的,因为弹性模量与泊松比是材料的基本属 性.比较取样于端头段的A组和取样于中间段的B 组,这两组都是在焊缝处断裂,它们的最大承载力, 78 焊 接 学 报 第37卷 抗拉强度基本一致,但是屈服强度相差110.53 同样取样于中间段的B组与F组,F组试样都是拉 断于母材上,抗拉强度有所提高,屈服强度基本一 致,但是B组承受的最大力要比F组的要大41.25 MPa,由于F组的焊脚大于最薄的母板材的厚度b, (2)当接头焊缝以传递剪应力为主时,按等强 [r]X b=2 X0.7k X[r] 则可求得 k=0.714b 一MPa,这说明焊接试样中间段的焊接质量更好.比较 度理论计算,有 (7) (8) 般取 =而B组的焊脚小于最薄的母板材的厚度b,同时根 据试验结果可看出它们的强度基本一致,说明了在 0.7b (9) (3)梁柱系腹板受压区的加劲板的T形接头角 工程中B组的尺寸是最佳的选择,而F组存在焊脚 焊,这种接头主要是为防止梁柱腹板受压区失稳而 尺寸大所导致的问题. 3 T形焊接接头等强度理论 对于焊接件,并不是焊脚的尺寸越大越好,若焊 脚尺寸偏大,不仅加大了热影响区尺寸、焊接应力和 变形,还浪费材料和工时,并且对焊接件的强度没有 任何好处.因此,优化焊脚尺寸对于焊接件具有重 要意义.随着焊接材料和焊接工艺的不断发展,按 照等强度理论,根据T形焊接接头焊缝受力情况,确 定T形接头角焊的焊脚尺寸.T形焊接接头焊脚如 图7所示. b 图7 T形焊接接头焊脚示意图 Fig.7 Schematic diagram of T welding joint leg size (1)当接头焊缝以传递拉(压)应力为主时,按 等强度理论计算,有 [ ]・b=2 X0.7k・[ ] (3) 式中:[ ]为材料的许用拉(压)应力(MPa);b为垂 直板板厚(mm);[ ]为材料的许用切应力(MPa);k 为焊缝焊脚尺寸(mm). 因为 [ ]=0.7[ ] (4) 将式(4)代人式(3),整理得 k=0.98b (5) 一般取 k=b (6) 设置,它的焊缝是联系焊缝,不受力,通常按加劲板 板厚的0.5—0.6倍选取,一般不小于6 mm.即 k=(0.5~0.6)b,且kI>6 mm (10) 综上所述,T形接头角焊缝作为工作焊缝和作 为联系焊缝时的焊脚尺寸选取分别为k=b, :0.7b 和k=(0.5~0.6)b,且 >16 mm 3种. T形焊接接头试样的尺寸平均值对比,焊脚的 大小与薄板的厚度的比值及拉伸试验断裂位置,如 表4所示. 表4 T形焊接接头尺寸以及比值 Table 4 Size and ratio of T welded joint 由表4中的数据,可以看出编号为A的试验试 样满足k=0.81b,编号为B的试验试样满足k= 0.78b,编号为F的试验试样满足k=1.10b,与理论 计算结果基本吻合. 4 结 论 (1)通过静载拉伸试验测得Q345 T形焊接接 头的力学性能,端头段A组和中间段B组相比较, 可以看出焊接中间段的焊接质量更好. (2)中间段B组与F组相比较,可以看出B组 的尺寸是最佳的尺寸. (3)由等强度理论确定T形焊脚的最佳尺寸 是:传递拉压应力时, =b;传递剪应力时,k=0.7b; 为防止梁柱腹板受压区失稳时,k=(0.5~0.6)b,且 1>6 mm.比较试验数据和理论计算结果,可以看出 它们基本吻合. [下转第1O0页] 100 焊接 学报 第37卷 [上接第78页] 参考文献 [1] 胥国祥,杜宝帅,董再胜,等.厚板多层多道焊温度场的有 限元分析[J].焊接学报,2013,34(5):87—90. Xu Guoxiang,Du Baoshuai,Dong Zaisheng,et a1.Finite ele— [6]Lie S T,Li G,Cen Z.Effect of brace wall thickness and weld size on stress intensity factors for welded tubular T-joints[J]. Journal of Constructional Steel Research,2000,53(2):167— 182. 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