焊接接头力学失配对断裂参量的影响

梅潇+董丙赛

摘要：针对高强钢失配的对接接头设计，采用有限元方法，考察了该种匹配方式对断裂参量应力强度因子和J积分的影响，为结构设计提供一种近似求解方法。

关键词：焊接接头；力学失配；断裂参量

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）32-0206-02

一、序言

焊接接头力学性能失配，对于焊接结构的强度和抗断裂性能的影响，是目前焊接接头完整性与可靠性研究领域的热点，本文首先对焊接接头进行简化，将模型分成三个区域，即热影响区、焊缝区和母材区，通过有限元方法，建立平面二维紧凑拉伸试样模型，求解出裂纹尖端的断裂参量应力强度因子和J积分。

二、焊接接头的强度失配

焊接接头性能存在着显著的不均匀性，焊缝与母材强度匹配对焊接接头有着很大影响，是焊接接头疲劳强度设计必须考虑的主要因素之一。严格意义上的焊缝与母材同质等强是很难做到的，焊缝强度与母材强度的差异性称为焊缝强度的失配。焊缝强度失配可以用失配比来描述，失配比的定义与焊缝和母材的弹塑性行为有关。在实际的接头中，焊缝熔敷金属和HAZ（热影响区）的单向载荷拉伸（应力-应变）性能不同。虽然弹性模量并无显著差异，但是σ■、σ■、σ■以及应变硬化性能不同。在弹性范围内，屈服强度的匹配性不影响焊接接头变形的行为，即施加应力小于母材和焊接金属中最小屈服强度的情况。然而，当焊缝或母材发生屈服时的焊接接头就必须考虑材料的强度失配问题。一般意义上的焊缝强度失配性大多是指屈服强度匹配。用焊缝金属的屈服强度与母材金属的屈服强度的比值表示，即M=■式中，M为失配比，σ■为焊缝金属的屈服强度；σ■为母材金属的屈服强度。焊缝金属屈服强度大于母材金属屈服强度时称为高匹配（M>1），反之则称为低匹配（M<1）。除了考虑强度匹配外，还可考虑抗拉强度匹配、塑性匹配或综合考虑反映强度和塑性的韧性匹配。

三、有限元模型的建立

按照标准比例，设定与试验试件相同的尺寸参数，其中宽度W=80mm，厚度B=8mm，裂纹长度a=24mm，紧凑拉伸C（T）试样采用PLANE183单元建模，该单元为8节点二次实体单元，用来模拟平面应力状态，并通过定义各向同性材料多线性随动强化模型来模拟材料的弹塑性，为模拟裂纹尖端奇异性，使用KSCON命令指定围绕裂纹尖端周围生成二次单元，且在1/4节点处由中间节点，裂纹尖端区域网格如图1所示。在断裂韧度试验中，紧凑拉伸试样下孔固定，上孔借由销轴对其施加竖直向上的载荷；在仿真中，ANSYS可以通过建立刚性域来模拟位移约束及载荷的定义。

四、力学失配对裂纹尖端应力强度因子的影响

本节将对线弹性范围内讨论力学失配对应力强度因子的影响。为方便计算，将焊接接头简化为焊缝区和母材区，使用弹性模量来衡量失配比，即M=■，低匹配时M的取值分别为0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1。母材为Q690，其弹性模量为200GPa。现将各种情况列表如下：

从上表中可以看出，应力强度因子随着匹配比的增大而增大，J积分却与之负相关。

焊缝接头强度失配对纵向载荷接头与横向载荷接头产生完全不同的作用。当对接接头受纵向载荷作用，与外加载荷垂直的横截面上焊缝金属只占很小的一部分，当焊接接头受平行于焊缝轴向的纵向载荷时，焊缝金属、HAZ以及母材同时同量产生应变。无论屈服强度水平如何，焊缝金属被迫追随着母材发生应变。此时，焊接区域的不同的应力-应变特性不会对焊接构件的应变产生直接的影響，强度失配对其影响不大。接头各区域几乎产生相同的伸长，裂纹首先在塑性差的地方产生并扩展。高匹配不会对焊缝起到保护作用，低匹配也能保证焊缝的抗断裂性能，因而母材金属和焊缝金属等塑性才是合理的。

五、结论

1.应力强度因子随着匹配比的增大而增大，J积分却与之负相关。

2.高匹配不会对焊缝起到保护作用，低匹配也能保证焊缝的抗断裂性能。

3.母材金属和焊缝金属等强度才是最为合理的设计。

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