Q345 T形焊接接頭焊腳尺寸對強度的影響分析

Q345 T形焊接接頭焊腳尺寸對強度的影響分析

李金風， 張東煥， 王玉朋

(山東理工大學交通與車輛工程學院，淄博 255049)

摘 要：T形焊接接頭在工程中應用廣泛，焊腳尺寸直接影響著焊接件的質量. 為了探索焊腳尺寸對焊接件強度的影響，分別對取樣位置不同、尺寸不同的Q345 T形焊接接頭試樣進行拉伸試驗，得到T形焊接接頭的力學性能數據并對其分析比較. 按照等強度理論，計算出T形焊接接頭在不同受力情況下的最優焊腳尺寸，將理論計算值與試驗數值對比分析. 結果表明，理論值與試測值基本吻合.

關鍵詞：T形焊接接頭；拉伸試驗；力學特性分析；焊腳尺寸

0 序 言

焊接是金屬結構件的主要連接方式之一，廣泛應用于航空航天、海洋鉆探、建筑等許多領域. T形接頭是一種常見的焊接接頭，T形接頭焊縫形式有不開坡口的角焊縫和開單邊坡口的沒有焊腳的對接焊縫. 其中對接焊縫接頭拐角處有很大的應力集中，很少采用；角焊縫的受力比較簡單，使用廣泛. 然而在焊接接頭焊腳尺寸方面仍存在很多的問題，實際生產中，存在著焊腳尺寸過大的情況，比如一些設計圖紙要求焊縫尺寸偏大，傳統觀念認為焊縫是結構中的薄弱環節，越大越放心. 焊腳尺寸過大會造成接近焊縫區的金屬過熱，產生粗大的魏氏組織，不僅降低沖擊韌性，還會造成焊接變形和殘余應力過大，浪費材料，增加制造成本；焊腳尺寸過小會導致母材與焊縫熔合不良，引起應力集中，還可能出現焊縫咬邊、裂紋等缺陷，這種情況更是嚴重影響焊接件的強度.

目前工業中使用的焊接技術是19世紀末20世紀初現代科學技術發展的產物. 最近幾年，國內外許多學者對焊接區的溫度場和應力場，焊接區的殘余應力和應變及焊接缺陷、疲勞斷裂等進行了分析. 胥國祥等人[1,2]利用有限元軟件對焊接接頭的溫度場和應力場進行模擬分析，劉玉君等人[3]通過對焊接結構焊前施加彈性反向角變形來控制結構殘余角變形，姜克斌等人[4]利用磁測應力儀及有限元數值模擬得焊接殘余應力分布規律；盧峰華等人[5]利用ansys軟件對焊接件的疲勞強度進行數值模擬，一些學者結合有限元與邊界元，數值模擬分析焊接件的應力強度因子[6,7]. 焊腳尺寸對焊件強度有很大影響，張立斌和姚玉環[8]對于埋弧自動焊單面焊雙面成形焊接，利用二次回歸正交組合方法及軟件分析來預測幾何尺寸，陸志軍及陳奎昌等人[9,10]對焊腳尺寸進行了理論分析. 但涉及焊腳尺寸對焊接件強度影響的試驗分析較少. 通過對取樣位置不同和焊接尺寸不同的T形焊接接頭進行拉伸試驗，得到接頭的一般力學特性并對其分析比較. 按照等強度理論計算得到T形焊接接頭在不同受力情況下的最優焊腳尺寸，計算結果與試驗數據進行比較，結果基本吻合.

1 T形焊接接頭拉伸試驗

1.1 試樣的制備

試驗所用的T形焊接接頭的材料是Q345，焊絲材料是ER50-6，采用不開坡口對接手工焊接. 為了探索焊腳尺寸對焊接件的影響，將T形焊接接頭試樣分3組試樣進行試驗，第一組編號為A，取樣位置是焊接端頭段，即起弧和收弧的位置；第二組編號為B，取樣位置是焊接中間段；第三組編號為F，取樣位置同樣是焊接中間段. 每組焊接試樣各準備4件，并且要求焊接試樣無缺陷，無殘余應力，試驗時選取3件進行試樣測試，1件為預留件. A組與B組為同一個T形焊接接頭中截取得到的試樣，其尺寸差異由于加工及測量誤差產生，通過第一組與第二組的比較來探討焊接起弧，收弧對焊接件強度的影響；B組與F組取于不同尺寸T形焊接接頭的中間段，把它們設計成尺寸不同的試樣，通過第2組與第3組的比較來探討焊接件尺寸對焊接件強度的影響.

T形焊接接頭試樣的尺寸如表1所示，形狀如圖1所示. 圖1中，t為焊接接頭的寬度，b為垂直板的厚度，a為水平板的厚度，k1,k2,k3,k4為焊接接頭焊腳的尺寸，其中T形焊接接頭的焊縫長度等于焊接接頭的寬度t.

表1 T形焊接接頭試樣尺寸
Table 1 Size of test piece T welded joint

試樣編號a/mmb/mmt/mmk1/mmk2/mmk3/mmk4/mmA111．711．725．19．58．210．08．2A211．711．722．110．09．710．59．7A311．811．825．79．79．210．09．2A平均11．711．724．39．79．010．29．0B111．811．824．79．79．09．59．7B211．811．724．39．29．09．59．0B411．911．824．310．09．09．08．0B平均11．811．824．49．69．09．38．9F115．67．724．68．08．08．08．0F215．57．725．09．09．09．09．0F415．67．824．18．08．09．09．0F平均15．67．724．68．38．38．78．7

圖1 T形焊接接頭試樣示意圖
Fig.1 Schematic diagram of test piece T welded joint

1.2 試驗設備

試驗所用的主要儀器設備為CMT5305微機控制電子萬能試驗機，其準確等級為1級；YJ-4501A靜態數字應變儀，靈敏系數為2.08%；BHF120-3AA和BX120-2BA型號的電阻應變計.

1.3 拉伸試驗

用游標卡尺測量試樣的尺寸(包括標距、厚度、寬度、長度和截面面積)；把試樣磨平并且貼應變片，接線；準備好試驗機，將準備好的試樣夾持到試驗機上，用半橋接線法將工作片及補償片接于電阻應變儀；試驗開始前將應變儀預調平衡，試樣夾緊后開始均勻緩慢的加載，由應變儀記錄應變值. 為了能取得比較理想的試驗數據，不影響T形焊接接頭性能測試的真實性，要求試樣受力形式合理，試樣夾持到試驗機時必須調好位置，避免出現偏心現象，如圖2所示，試樣的拉伸試驗示意圖如圖3所示. 在試驗時采用位移控制的方式加載，其加載的速度為0.1 mm/min.

圖2 T形焊件拉伸試驗裝置圖
Fig.2 Tensile test device of T welded joint

圖3 拉伸試驗示意圖
Fig.3 Schematic diagram of tensile test

通過觀察試驗過程發現，編號為A和編號為B的T形焊接接頭試樣在加載初期無明顯現象，當載荷接近最大值時能聽到輕微的焊縫拉開的聲音，隨后載荷下降試樣“嘭”的一聲破壞. 拉斷后的T形焊接接頭斷口是沿角焊縫45°的位置，如圖4a,4b所示. 而編號為F的T形焊接接頭試樣在加載初期也是無明顯變化，隨著載荷的上升，在強化階段中，試樣的母材區長度明顯增長，觀察到出現了明顯縮頸現象，最后隨著載荷的下降試樣“嘭”的一聲破壞. 拉斷后的T形焊接接頭斷口在母材上，且角焊縫沒有發生破壞，如圖4c所示. 各組試樣的斷口形貌示意圖如圖5所示. 試驗機自動記錄了試樣的荷載隨位移變化的曲線，將A1,B1和F1的載荷—位移曲線放在同一個圖中進行比較，如圖6所示，從圖6可以看出F1的承載力小于A1和B1的承載力.

圖4 T形焊接接頭斷口形貌
Fig.4 Fracture morphology of T welded joint

圖5 斷口形貌示意圖
Fig.5 Schematic diagram of fracture morphology

圖6 T形焊接接頭拉伸試驗載荷—位移曲線
Fig.6 Load—displacement curve of T welded joint

2 試驗數據分析

材料在線彈性階段，根據胡克定律，有

(1)

式中:E為材料的彈性模量；F為軸向拉力；A為試樣的橫截面面積；ε為軸向應變,由式(1)可計算材料的彈性模量. 在母材上貼了夾角是90°的應變花，通過拉伸試驗可測出軸向應變εP和橫向應變當應力不超過比例極限時，橫向應變與軸向應變之比的絕對值是個常數，即

(2)

由式(2)即可求出材料的泊松比.

T形焊接接頭的3組試樣的拉伸試驗數據及數據處理結果，如表2所示. 其中彈性模量和泊松比都是母材的.

表2 T形焊接接頭試樣的試驗數據及其參數
Table 2 Experimental data and parameters of T welded joint specimen

試樣編號最大力Fmax/kN抗拉強度Rm/MPa屈服強度ReL/MPa彈性模量E/GPa泊松比νA1153．22521．74215．882250．25A2123．25476．65377．342090．28A3147．70487．03186．012150．28B1139．16477．47363．322030．31B2143．71505．45377．992030．27B4146．95512．50369．511930．32F1103．82548．10356．651970．24F2101．16525．51351．022210．26F4101．07537．68346．022300．27

為了分析比較T形焊接接頭焊接質量及其參數，編號為A，B，F的焊接試樣的試驗數據及其參數的平均值，如表3所示.

表3 三組T形焊接接頭試驗結果的對比
Table 3 Comparing for experimental results of three groups of T welded joint

試樣編號最大力Fmax/kN抗拉強度Rm/MPa屈服強度ReL/MPa彈性模量E/GPa泊松比νA141．39495．14259．74216．330．27B143．27498．47370．27199．670．30F102．02537．10351．23216．000．26

由表3可以看出無論是端頭段還是中間段，它們的彈性模量與泊松比基本是一致的，這與理論是相符合的，因為彈性模量與泊松比是材料的基本屬性. 比較取樣于端頭段的A組和取樣于中間段的B組，這兩組都是在焊縫處斷裂，它們的最大承載力，抗拉強度基本一致，但是屈服強度相差110.53 MPa，這說明焊接試樣中間段的焊接質量更好. 比較同樣取樣于中間段的B組與F組，F組試樣都是拉斷于母材上，抗拉強度有所提高，屈服強度基本一致，但是B組承受的最大力要比F組的要大41.25 MPa，由于F組的焊腳大于最薄的母板材的厚度b，而B組的焊腳小于最薄的母板材的厚度b，同時根據試驗結果可看出它們的強度基本一致，說明了在工程中B組的尺寸是最佳的選擇，而F組存在焊腳尺寸大所導致的問題.

3 T形焊接接頭等強度理論

對于焊接件，并不是焊腳的尺寸越大越好，若焊腳尺寸偏大，不僅加大了熱影響區尺寸、焊接應力和變形，還浪費材料和工時，并且對焊接件的強度沒有任何好處. 因此，優化焊腳尺寸對于焊接件具有重要意義. 隨著焊接材料和焊接工藝的不斷發展，按照等強度理論，根據T形焊接接頭焊縫受力情況，確定T形接頭角焊的焊腳尺寸. T形焊接接頭焊腳如圖7所示.

圖7 T形焊接接頭焊腳示意圖
Fig.7 Schematic diagram of T welding joint leg size

(1) 當接頭焊縫以傳遞拉(壓)應力為主時，按等強度理論計算，有

[σ]·b=2×0.7k·[τ]

(3)

式中:[σ]為材料的許用拉(壓)應力(MPa)；b為垂直板板厚(mm)；[τ]為材料的許用切應力(MPa)；k為焊縫焊腳尺寸(mm).

因為

[τ]=0.7[σ]

(4)

將式(4)代入式(3)，整理得

k=0.98b

(5)

一般取

k=b

(6)

(2)當接頭焊縫以傳遞剪應力為主時，按等強度理論計算，有

[τ]×b=2×0.7k×[τ]

(7)

則可求得

k=0.714b

(8)

一般取

k=0.7b

(9)

(3)梁柱系腹板受壓區的加勁板的T形接頭角焊,這種接頭主要是為防止梁柱腹板受壓區失穩而設置，它的焊縫是聯系焊縫，不受力，通常按加勁板板厚的0.5～0.6倍選取，一般不小于6 mm. 即

k=(0.5～0.6)b，且k≥6 mm

(10)

綜上所述，T形接頭角焊縫作為工作焊縫和作為聯系焊縫時的焊腳尺寸選取分別為k=b，k=0.7b和k=(0.5～0.6)b，且k≥6 mm 3種.

T形焊接接頭試樣的尺寸平均值對比，焊腳的大小與薄板的厚度的比值及拉伸試驗斷裂位置，如表4所示.

表4 T形焊接接頭尺寸以及比值
Table 4 Size and ratio of T welded joint

編號a/mmb/mmt/mmk/mmk/b斷裂位置A11．7311．7324．39．490．81焊縫斷裂B11．8011．7524．389．210．78焊縫斷裂F15．577．7324．578．501．10母材斷裂

由表4中的數據，可以看出編號為A的試驗試樣滿足k=0.81b，編號為B的試驗試樣滿足k=0.78b，編號為F的試驗試樣滿足k=1.10b，與理論計算結果基本吻合.

4 結 論

(1) 通過靜載拉伸試驗測得Q345 T形焊接接頭的力學性能，端頭段A組和中間段B組相比較，可以看出焊接中間段的焊接質量更好.

(2) 中間段B組與F組相比較，可以看出B組的尺寸是最佳的尺寸.

(3) 由等強度理論確定T形焊腳的最佳尺寸是：傳遞拉壓應力時，k=b；傳遞剪應力時，k=0.7b；為防止梁柱腹板受壓區失穩時，k=(0.5～0.6)b，且k≥6 mm. 比較試驗數據和理論計算結果，可以看出它們基本吻合.

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收稿日期：2014-12-01

基金項目：山東省自然科學基金資助項目(ZR2011EEM020)

中圖分類號：TG 407

文獻標識碼：： A

文章編號：： 0253-360X(2016)12-0075-04

作者簡介：李金風，女，1990年出生，碩士研究生. 主要從事材料與結構的力學性能研究. Email: lijinfengsyc@163.com

通訊作者：張東煥，男，副教授. Email: zhangdonghuan@sdut.edu.cn