張立平，張立杰，袁曉明，李 穩(wěn)，彭根琛，楊 帆

1.燕山大學(xué) 起重機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004

2.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州 221000

3.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 064000

0 引言

T型接頭是由一組件端面與另一組件表面經(jīng)焊接后構(gòu)成的直角或近似直角的接頭［1］。根據(jù)接頭的板厚及作用的不同，焊接時(shí)可以選擇開或不開坡口。作為焊接結(jié)構(gòu)中最廣泛應(yīng)用的接頭之一，T型接頭需要有合適的焊縫尺寸以保證其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。然而，目前在焊接接頭焊腳尺寸設(shè)計(jì)方面仍存在著許多問題。焊腳尺寸設(shè)計(jì)相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)通常只建議最大和最小的焊腳尺寸［2-4］，范圍相對(duì)寬泛，無法精準(zhǔn)地確定既滿足強(qiáng)度要求又不過設(shè)計(jì)的尺寸。在傳統(tǒng)的焊接接頭尺寸設(shè)計(jì)中，通常只考慮到靜強(qiáng)度的要求而忽略疲勞強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)中，人們認(rèn)為焊縫尺寸越大越放心，為了滿足疲勞強(qiáng)度的要求，往往采用過大的焊腳尺寸［5］。這種焊縫的過設(shè)計(jì)不僅會(huì)造成焊絲的浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本，而且會(huì)增大接頭的變形程度，給實(shí)際生產(chǎn)中的變形控制增加難度［6］。此外，在多層多道焊接中，還容易產(chǎn)生焊接缺陷，降低接頭的使用性能［7］。因此，如何確定合理的焊腳尺寸一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。

焊腳尺寸的確定及其對(duì)接頭性能的影響目前已有很多研究。陳明剛［8］等人以工程機(jī)械中的伸臂為研究對(duì)象，結(jié)合GB50017和AWS D1.1確定了焊腳尺寸范圍，研究焊腳尺寸對(duì)焊接變形的影響，結(jié)果表明采用最大的焊腳尺寸時(shí)焊接變形更大，且會(huì)造成焊材的浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。Maddox［9］等人通過大量試驗(yàn)和對(duì)現(xiàn)有焊接接頭設(shè)計(jì)方法的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)接頭最佳焊腳尺寸與板厚之間存在一個(gè)比例關(guān)系，并得出隨著板厚減小該比值增加的結(jié)論。李金風(fēng)［10］等人對(duì)Q345鋼正面角焊縫T型接頭最大折合應(yīng)力與焊縫承載力和尺寸的關(guān)系進(jìn)行了理論計(jì)算，并利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，兩者結(jié)果基本一致，說明了基于折合應(yīng)力設(shè)計(jì)接頭尺寸的可行性。

本文基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，以Q355鋼T型接頭為研究對(duì)象，以靜力等承載和疲勞等承載為前提，分析了焊腳尺寸的確定過程。通過對(duì)得到的焊縫尺寸與現(xiàn)有焊縫尺寸的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的對(duì)比，證明了焊腳尺寸校核方法的有效性，為焊縫的尺寸設(shè)計(jì)提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)角焊縫焊腳尺寸的規(guī)定

關(guān)于角焊縫焊腳尺寸的確定，中外標(biāo)準(zhǔn)中都給出了相關(guān)的規(guī)定。通過解讀美國焊接學(xué)會(huì)編制的AWS D1.1《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》、GB50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及DIN 18800《鋼架結(jié)構(gòu)》，總結(jié)了根據(jù)母材厚度確定角焊縫最大和最小焊腳尺寸的依據(jù)，如表1所示。其中，GB50017規(guī)定T型接頭單面角焊縫最小焊腳尺寸應(yīng)在1.5T基礎(chǔ)上再增加1 mm。

表1 角焊縫最小焊腳尺寸（單位：mm)Table 1 Minimum leg size of the fillet weld（Unit：mm）

2 靜力等承載強(qiáng)度理論

通過對(duì)中外標(biāo)準(zhǔn)的解讀，在設(shè)計(jì)角焊縫時(shí)可以從中選擇焊腳尺寸。但是由于其范圍較為寬泛，使用的焊腳尺寸可能出現(xiàn)“過設(shè)計(jì)”的現(xiàn)象，因此有必要開發(fā)出一種焊腳尺寸校核方法，為接頭焊腳尺寸設(shè)計(jì)提供參考。

靜力等承載強(qiáng)度理論認(rèn)為，理論焊喉尺寸與母材和焊材的強(qiáng)度存在以下關(guān)系：

式中a和t分別為理論焊喉尺寸和立板厚度（單位：mm）；SBM和TWM分別為T型接頭立板母材拉伸強(qiáng)度和焊材剪切強(qiáng)度（單位：MPa）?；陟o力等承載原則可以對(duì)設(shè)計(jì)焊腳尺寸進(jìn)行校核，從而得出既能滿足強(qiáng)度需求又能避免浪費(fèi)的焊腳尺寸。

3 T型接頭角焊縫焊腳尺寸確定

3.1 基于標(biāo)準(zhǔn)的焊腳尺寸確定

選擇實(shí)際產(chǎn)品中的一種承載T型接頭，其接頭形式及尺寸細(xì)節(jié)如圖1所示。立板和底板材質(zhì)均為Q355鋼，其中立板厚度為14 mm，底板厚度為60 mm。結(jié)合上述的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，確定其焊腳尺寸為D1×D2=12 mm×12 mm，并確定該接頭熔深為0 mm。

圖1 T型接頭尺寸Fig.1 T-joint size details

3.2 基于靜力等承載強(qiáng)度理論的焊腳尺寸確定

基于第2節(jié)所述的靜力等承載強(qiáng)度理論，結(jié)合接頭材料參數(shù)和尺寸細(xì)節(jié)參數(shù)等相關(guān)信息，可以對(duì)現(xiàn)有接頭尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，Q355鋼的抗拉強(qiáng)度為600 MPa，ER50-6焊絲的剪切強(qiáng)度為599 MPa，計(jì)算得到的單側(cè)焊喉尺寸為7.01 mm，為并將校核結(jié)果與實(shí)際接頭信息進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 焊縫尺寸計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of the weld size

根據(jù)計(jì)算的校核焊喉尺寸可推出校核焊腳尺寸為D1×D2=9.91 mm×9.91 mm。相對(duì)于該接頭的實(shí)際焊縫尺寸，校核后的接頭焊喉和焊腳尺寸均減小了17.4%，焊縫面積減小31.8%。焊縫尺寸與焊接質(zhì)量息息相關(guān)，校核后的焊縫尺寸減小，有必要將其疲勞性能與原接頭進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證校核接頭的質(zhì)量是否能滿足要求，從而證明焊縫尺寸校核方法的正確性。

4 T型接頭疲勞特性分析

4.1 有限元模型建立

本文將通過仿真手段對(duì)比分析校核前后T型接頭的疲勞性能。首先，分別建立實(shí)際接頭和校核接頭的幾何模型，并將其導(dǎo)入到Hyper mesh軟件中進(jìn)行六面體實(shí)體單元網(wǎng)格劃分。圖2為接頭的有限元模型。對(duì)板材及焊縫賦予相同的材料屬性，并對(duì)底板左右兩側(cè)表面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，同時(shí)對(duì)立板上表面施加向上的均布載荷，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)施加100 N的力。焊接接頭的疲勞破壞主要有兩種形式，即焊趾失效和焊喉失效。因此，通過對(duì)焊接接頭的焊趾和焊喉位置進(jìn)行分析組件設(shè)置來計(jì)算和預(yù)測(cè)其疲勞壽命。

圖2 T型接頭有限元模型Fig.2 Finite element model of the T-joint

4.2 靜力計(jì)算

利用ABAQUS對(duì)實(shí)際接頭有限元模型和校核接頭有限元模型進(jìn)行靜力計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在外力作用下，兩個(gè)接頭均產(chǎn)生了一定的變形，且變形趨勢(shì)基本相同，均為下底板沿著受力方向產(chǎn)生了一定的彎曲，立板上表面發(fā)生了嚴(yán)重的變形。其應(yīng)力分布也很相似，最大靜力均分布在立板上部及立板焊趾處，說明立板焊趾為接頭的薄弱區(qū)，在之后的疲勞循環(huán)中較易出現(xiàn)最短疲勞壽命。實(shí)際接頭承受的最大靜力與校核接頭承受的最大靜力幾乎相同，都在50 MPa左右。說明在外載荷作用條件相同時(shí)，焊縫的尺寸校核對(duì)結(jié)構(gòu)所受靜力結(jié)果沒有明顯影響。

圖3 接頭靜力計(jì)算結(jié)果：（a）實(shí)際接頭（b）校核接頭Fig.3 Static calculation results of the joints

4.3 疲勞強(qiáng)度分析

將接頭的靜力計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到Fe-safe軟件中，設(shè)置好焊喉及焊趾位置的分析組件，進(jìn)行接頭疲勞壽命計(jì)算分析。靜力計(jì)算中，受力面上各個(gè)節(jié)點(diǎn)施加的載荷為100 MPa，以此為基礎(chǔ)力，對(duì)其放大一定的倍數(shù)，即：0-1倍、0-2倍、0-3倍、0-4倍、0-5倍，分別作為疲勞循環(huán)外力進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)疲勞循環(huán)外力為0-1倍時(shí)，實(shí)際和校核接頭各位置疲勞壽命云圖如圖4所示。由圖可知，在疲勞循環(huán)外力作用下，兩種接頭的疲勞壽命云圖分布情況類似，在底板焊趾處疲勞壽命均較高，而在立板焊趾處疲勞壽命均較低，且隨著焊趾位置從兩端到中間的轉(zhuǎn)移，疲勞壽命逐漸降低，立板兩側(cè)焊趾疲勞壽命分布及大小均相同。兩種接頭的不同之處在于校核接頭焊喉處的疲勞壽命略低于實(shí)際接頭。實(shí)際接頭的最低疲勞壽命為2.541E7（107.405）次，校核接頭的最低疲勞壽命為2.539E7（107.405）次，兩者的疲勞壽命幾乎相同。

圖4 0-1倍循環(huán)外力下接頭各位置疲勞壽命云圖Fig.4 Cloud chart of fatigue life at each position of the joints under 0-1 times of cyclic external force

圖5顯示了疲勞循環(huán)力最大比例與T型焊接接頭疲勞壽命的關(guān)系。如圖5所示，實(shí)際接頭與校核接頭的疲勞壽命曲線幾乎完全重合，兩者都隨著循環(huán)力最大比例的增加先顯著降低，然后逐漸緩慢降低并趨于穩(wěn)定，說明焊縫的尺寸校核對(duì)接頭的疲勞壽命不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

圖5 循環(huán)力最大比例與疲勞壽命的關(guān)系Fig.5 Relationship between maximum proportion of cyclic force and fatigue life

5 結(jié)論

本文基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法提出了一種校核T型接頭雙面角焊縫焊縫尺寸的方法，并通過軟件對(duì)實(shí)際接頭和校核接頭的靜力計(jì)算和疲勞分析進(jìn)行對(duì)比，得到了以下結(jié)論：

（1）利用焊縫尺寸校核法對(duì)焊縫進(jìn)行校核，可減小17.4%的焊喉尺寸和焊腳尺寸，可減小31.8%的焊縫面積。焊縫尺寸減小將節(jié)省焊絲用量，降低成本，并能減小焊件的變形。

（2）經(jīng)仿真分析發(fā)現(xiàn)校核后焊縫尺寸的減小對(duì)接頭承受靜力、疲勞壽命、失效位置沒有產(chǎn)生明顯的不利影響，校核接頭質(zhì)量與實(shí)際接頭質(zhì)量基本一致，證明了焊縫尺寸校核法的正確性和有效性，可以對(duì)焊縫尺寸設(shè)計(jì)提供參考。