大型焊接结构焊缝裂纹尖端张开位移试验研究

余启明，孙清华，何晓鸣，张智

（1.武汉工业学院土建学院，武汉 430023；2.武汉市公路勘察设计院，武汉 430051）

大型焊接结构焊缝裂纹尖端张开位移试验研究

余启明1，孙清华2，何晓鸣1，张智1

（1.武汉工业学院土建学院，武汉 430023；2.武汉市公路勘察设计院，武汉 430051）

对大型焊接结构焊缝进行了裂纹尖端张开位移（CTOD）断裂韧度试验，测试了其焊缝的CTOD特征值，得出相应的结论。

Q420qE；裂纹尖端张开位移（CTOD）；断裂韧性

随着现代大型焊接结构的大量出现，大型水电站、核电站、大跨度桥梁等厚板焊接结构广泛地被人们采用。然而由于厚板结构焊接过程中散热不均，造成了焊缝区的韧性不足，因此焊接接头断裂韧度的控制成为工程质量的一个重要指标。本文以实际工程为研究对象，以等尺寸试件的裂纹尖端张开位移，简称CTOD，研究在20℃条件下，E43和E38厚钢板对接焊接的焊缝区的断裂韧性。CTOD，即带裂纹的材料受到张开型荷载后，裂纹尖端两点张开的相对距离，其值越大，表示材料断裂韧性越强；反之，CTOD值越小，韧性就越差[1]。

1 试样的制备[1-5]

试验采用E43和E38高强度钢板焊缝区为研究对象，其力学性能见表1。

表1 焊材强度

制备三点弯曲（TPB）标准试样。焊缝和HAZ（热影响区）根据BS7448：1997-Part2《确定金属材料KIC、临界CTOD和积分的方法》

1.1 试样焊缝工艺和切割工艺

截取厚度B为54mm的试样，对试样进行分组编号登记；将切割下的试样进行对接焊接；焊接材料采用J507（E5015）焊条。焊接工艺基本参数如表2所示。

表2 焊接工艺

依据规范对CTOD试件进行线切割加工，然后在试样单侧加工缺口，使缺口沿厚度方向。最后采用高频疲劳试验机预制疲劳裂纹。首先确定缺口的位置，根据英国规范BS7448标记需要切割加工线，并且要求保证裂纹平面垂直于试样表面，偏差在±2°以内。在线切割机上用直径不超过0.12mm的钼丝加工机械缺口。

1.2 预制疲劳裂纹

在试样单侧用线切割加工深度为2mm的缺口，缺口沿厚度方向。然后采用高频疲劳试验机预制疲劳裂纹，为防止疲劳裂纹扩展速度过快，首先按应力比R=0.1将疲劳裂纹预制到2mm，然后立即将应力比调整为R=0.6，再将疲劳裂纹预制到4mm处。这样可以保证试样的预制疲劳裂纹和线切割长度之和在0.45～0.55W（母材）或者0.45～0.70W（焊缝和HAZ）范围内，W为试样宽度。

2 试验过程

试验在1000kN的万能材料试验机上进行，试验现场如图1。

试验主要步骤：（1）把各组试件分别放置在20℃的环境中24h后取出，确定各组的荷载和位移测量系统的标定，然后安放试样，调整跨距S=4W（W为试样的宽度，mm），确定F-V曲线斜率；②加载并同时利用LZ38-204函数记录仪描制F-V曲线，如图2；③二次疲劳，压断试样，测量a和a0，最后根据记录的曲线计算得到CTOD值，原始裂纹尖端部位的张开位移δ可表示成公式（1）.即

δ＝δe+δp（1）

式中δe为裂纹尖端部位张开位移的弹性分量；δp为裂纹尖端部位张开位移的塑性分量。即

图1 CTOD试验照片

图2 函数记录仪

式中μ为泊松比；ReL为屈服强度；W为试样宽度（mm）；a0为原始裂纹长度（mm）；E为弹性模量；Vp为F-V曲线上取值点对应的夹式引伸计位移的塑性部分；rp为旋转因子，取0.45；KI为强度因子，K1=；Y为a/W的函数；Z为刀口厚度（mm）。

3 试验结果

试验中6根试件全部发生韧性失稳断裂。焊缝试样在20℃温度下的CTOD试验结果、试件的主要尺寸及特征CTOD值如表3所示。

表3 试件在低温下的特征CTOD值（-20℃）单位：mm

其中δu、δm分别为脆性失稳CTOD值、最大载荷CTOD值。由式（1）可知试件的CTOD值只与弹性分量δe和塑性分量δp有关，对于焊缝区，其塑性分量δp远大于其弹性分量δe，所以在常温条件下，板厚为54mm的对接焊接试件，塑性分量δp对其抵抗开裂性能起决定性作用。一般说来，CTOD数值一般小于1，数值越大，断裂韧性越好，而测试试验中其特征值均偏，说明其断裂韧性良好，能够满足工程需要。

4 结语

对于板厚为54mm的对接焊接试件，其CTOD塑性分量δp对其抵抗开裂性能起决定性作用。试件发生韧性失稳断裂，说明其断裂韧性良好，能够满足实际要求。

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Study on Welded Joints of Large Structure for Crack Tip Open Displacement

YU Qi-ming1，SUN Qing-hua2，HE Xiao-ming1，ZHANG Zhi1
（1.Civil Engineering and Architectural Institute，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China；2.Wuhan Road Reconnaissancing and Planning Academy，Wuhan 430051，China）

Based on BS7448 fracture toughness test experiment standard and DNV-OS-C401，the analysis of the welded seam of structure is extended to three point bending specimen with a center crack were carried out，the CTOD value of the welded zone were obtain.

Q420qE；crack tip open displacement（CTOD）；breaking toughness

TV34

A

1672-9900（2012）02-0031-03

2012-02-21

国家自然科学基金（51009111）

余启明（1980-），男（汉族），湖北鄂州人，讲师，主要从事材料非线性研究，（Tel）13397162363。