T型焊接接頭結構體的t接頭部的疲勞特性評價方法
2023-06-26 12:30:26
專利名稱：T型焊接接頭結構體的t接頭部的疲勞特性評價方法
技術領域：
本發明涉及無需實際製作焊接接頭進行疲勞試驗，能夠簡便快速評價(預測、推定)T型焊接接頭結構體的T接頭部的疲勞特性的方法。本發明的評價方法可以適用於例如造船、海洋結構物、低溫箱、管道管線、土木建築結構物等的T型焊接接頭結構體所適用的各種領域。
背景技術：
如船舶和機械等使用厚鋼板的焊接結構物的破壞的大半是疲勞裂紋引起的，該疲勞裂紋幾乎都在焊接接頭部發生。這是因為焊接接頭部的疲勞強度與母材相比顯著低下。焊接接頭部的疲勞特性受母材側的焊趾部(溶接止端部)的形狀(特別是止端半徑)的影響很大，這是公知的。因此，歷來為了提高焊接接頭部的疲勞特性，使用通過研磨機研磨焊趾部使其光滑(焊接部形狀平坦化)，降低應力集中的方法(例如，參照非專利文獻1) O另一方面，焊接接頭部的材料特性(機械特性)對於破老特性的影響還未明了，至今幾乎未進行研究。因此，在評價(預測)焊接接頭部的疲勞特性時，實際情況是將大量的焊接接頭的疲勞實驗結果進行統計處理等而決定。具體地說，變化焊接接頭部的條件，製作反應各條件的焊接接頭結構試驗體進行疲勞試驗，其成本大且花費時間，是非現實的。因此，在專利文獻1中公開了不進行實際焊接簡便、快捷地評價鋼材的焊接熱影響部的疲勞破壞感受性的試驗方法。在此，疲勞裂紋從應力集中最激烈的焊趾部發生，傳播，疲勞裂紋最容易發生的位置著眼於焊接熱影響部(HAZ)的點，使用賦予規定的熱過程和切口加工的試驗片評價HAZ的疲勞破壞感受性。但是，上述專利文獻1的方法由於未從焊接接頭部的材料特性進行研究，所以希望提供對焊接接頭部的疲勞特性評價有用的材料設計方針。專利文獻1特開平7-103871號公報非專利文獻1 「疲勞設計便覽」，日本材料學會編，養賢堂出版，1995年1月出版
發明內容
本發明鑑於上述情況而作，其目的在於提供一種無需進行繁雜的疲勞試驗，能夠簡便且迅速地評價(預測、推定)T型焊接接頭結構體的T接頭部的疲勞特性的方法。能夠解決上述課題的本發明的評價方法，是評價T型焊接接頭結構體的T接頭部的疲勞特性的方法，其要旨在於，在將所述T接頭部的焊趾部曲率半徑定為P (mm)，將所述 T接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率(％)定為UEhaz,將所述T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力(MPa)定為YPhaz時，通過使用由下式(1)表示的焊趾部應變評價參數(1)，對T型焊接接頭結構體的疲勞特性進行評價。焊趾部應變評價參數(1)= (1.13 XKT2X P ^0-59) X (1. 05 X IO-4X UEHAZ+1. 64X10 -2)Χ(5·15ΧΥΡηαζ-°·92) (1)
另外，能夠解決上述課題的本發明的其他的評價方法，是評價T型焊接接頭結構體的T接頭部的疲勞特性的方法，其要旨在於，在將所述T接頭部的焊趾部曲率半徑定為 P (mm)，將所述τ接頭部的焊接熱影響部的10000次塑性應變負荷後的均勻拉伸率(％ )定為UEhaz,。y。le，將所述T接頭部的焊接熱影響部的10000次塑性應變負荷後的屈服應力(MPa) 定為YPhaz,。y。le時，通過使用由下式(2)表示的焊趾部應變評價參數O)，對T型焊接接頭結構體的疲勞特性進行評價。焊趾部應變評價參數O) = (1. 13X10_2X P—0.59) X (1. 05 X KT4XUEhaz, cycie+1· 64 X IO-2) X (5. 15XYPHAZ,cycl；0·92)…O)本發明規定的式(1)和式O)的參數作為T型焊接接頭結構體的T接頭部的焊趾部疲勞特性的代替評價參數有用，即使實際不製作焊接接頭進行疲勞試驗，也能夠評價 (預測、推定)τ接頭部的疲勞特性。本發明的T接頭部的疲勞特性的評價方法不僅適用於焊趾部局部塑性應變發生的情況，而且也適用於焊趾部局部塑性應變反覆負荷的情況。前者的情況使用式(1)的參數，後者的情況使用式O)的參數，由此，能夠評價T接頭部的疲勞特性。
圖1是顯示由於焊趾部局部發生局部塑性應變而產生疲勞裂紋的情況的模式圖。圖2是表示T接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率UEhaz = 5%, T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力YPhaz = 500ΜΙ^ —定時，僅使焊趾部曲率半徑P變化時，對於焊趾部局部塑性應變量的影響的曲線圖。圖3是表示焊趾部曲率半徑P = 0.5mm，T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力 YPhaz = 500MPa—定時，僅使T接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率UEhaz變化時，對於焊趾部局部塑性應變量的影響的曲線圖。圖4是表示焊趾部曲率半徑P=O. 5mm, T接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率 UEhaz = 5%—定時，僅使T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力YPhaz變化時，對於焊趾部局部塑性應變量的影響的曲線圖。圖5是模式化地顯示使用實施例中所用的微小切口試驗片實施疲勞試驗時，局部塑性應變發生的狀況的圖。圖6是顯示在實施例中本發明規定的焊趾部應變評價參數(1)和與疲勞裂紋發生壽命IO5次對應的應力範圍Δ σ/TS的關係的曲線圖。圖7是顯示在實施例中本發明規定的焊趾部應變評價參數( 和與疲勞裂紋發生壽命IO5次對應的應力範圍Δ σ/TS的關係的曲線圖。
具體實施例方式本發明者們為了提供一種無需進行繁雜的疲勞試驗，從材料設計的觀點能夠評價 (預測、推定)T型焊接接頭結構體的T接頭部的疲勞特性的方法，進行了研究，其結果是發現如果使用由下式(1)表示的焊趾部應變評價參數(1)或由下式( 表示的焊趾部應變評價參數O)，能夠簡便且迅速地評價該T接頭部的疲勞特性，完成了本發明。其中的焊趾部應變評價參數(1)在焊趾部局部塑性應變發生時的疲勞特性評價中有用，焊趾部應變評價參數( 在焊趾部局部塑性應變反覆負荷時的疲勞特性評價中有用。焊趾部應變評價參數(1)= (1. 13Χ1(Γ2Χ P-0.59) X (1. 05X 10_4XUEHAZ+1. 64X 10 -2)Χ(5·15ΧΥΡηαζ-°·92) (1)式中，ρ為焊趾部曲率半徑(mm)UEhaz為T接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率(％ )YPhaz為T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力(MPa)。焊趾部應變評價參數O) = (1. 13X 1(Γ2Χ Ρ—。·59) X (1. 05 X KT4XUEhaz, cycie+1· 64 X IO-2) X (5. 15XYPHAZ,cycl；0·92)…O)式中，ρ為焊趾部曲率半徑(mm)UEhaz, cycle為T接頭部的焊接熱影響部的10000次塑性應變負荷後的均勻拉伸率 (%)YPhaz, cycle為T接頭部的焊接熱影響部的10000次塑性應變負荷後的屈服應力 (MPa)。以下，參照圖1說明得到本發明的過程。在本發明中，以焊接接頭形狀中焊接結構物所廣泛使用的T型接頭形狀(T接頭部)為對象，為了通過模擬使疲勞特性和T接頭部的材料特性的關係清楚，進行以下基礎實驗。在此，使用通過焊接將高強度鋼板對接焊的垂直構件和將高強度鋼板對接焊的水平構件接合而成的T型焊接接頭結構體。基礎實驗中使用的水平構件和垂直構件的板厚為 60mm，水平構件的公稱應力(相當於母材的YP)為490MPa。在進行研究時，不僅著眼於和疲勞特性密切相關的焊趾部曲率半徑P (mm)，而且著眼於作為材料特性因子，特別是均勻拉伸率(UE)和屈服應力(YP)。這是因為，焊趾部發生的局部塑性應變量是疲勞特性的支配因子(參照圖1)，UE和YP與塑性應變相關。另外， 疲勞裂紋從應力集中最激烈的焊趾部發生，傳播，該止端部是焊接熱影響部(HAZ)，因此，在本發明中特別著眼於HAZ部的UE和屈服應力。在本發明中，T接頭部的HAZ部的均勻拉伸率(％ )為UEmz，T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力(MPa)為YPHAZ。而且，在調查T接頭部的條件(P、UEHAZ、YPmz)各自對焊趾部塑性應變量的影響時，得到圖2 圖4的結果。圖2是UEhaz = 5%, YPhaz = 500MPa 一定時，僅使P變化時，對於焊趾部局部塑性應變量的影響的曲線圖。如圖2所示，P以外的條件一定時，P越大，焊趾部局部塑性應變量以指數函數地減少。其結果與現有的認知一致。如上所述，焊趾部半徑受到應力集中的影響，止端部半徑越大，應力集中越減少，因此，局部塑性應變也減少。根據圖2的結果導出下述關係式(IA)。焊趾部應變量=1.13 X KT2X ρ_α59... (IA)ρ為焊趾部曲率半徑(mm)，T接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率UEhaz (%)，T 接頭部的焊接熱影響部的屈服應力YPhaz(MPa) —定。圖3是P = 0. 5mm, YPhaz = 500MPa 一定時，僅使UEhaz變化時，對於焊趾部局部塑性應變量的影響的曲線圖。根據圖3可知，由於UEhaz變化局部塑性應變發生舉動大幅變動，UEhaz越小焊趾部局部塑性應變量也越小。根據圖3的結果可以導出下述關係式(IB)。
焊趾部局部塑性應變量=1.05X 10-4XUEmz+l. 64X 10_29…(IB)UEhaz為T接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率(％ )，焊趾部曲率半徑P (mm)，和 T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力YPhaz (MPa) —定。圖4是P =0. 5mm,UEhaz = 5%—定時，僅使YPhaz變化時，對於焊趾部局部塑性應變量的影響的曲線圖。根據圖4可知，由於YPhaz變化局部塑性應變發生舉動大幅變動，YPhaz 越大焊趾部局部塑性應變量越小。焊接熱影響部的屈服應力對疲勞負荷時的止端部的變性舉動有很大影響。根據圖4的結果可以導出下述關係式(IC)。焊趾部局部塑性應變量=5. 15XYPHAZ_°_92…(IC)YPhaz為T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力(MPa)，焊趾部曲率半徑P (mm)，和T 接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率UEhaz(% ) 一定。基於上述基礎實驗的結果，對上述要件(P、UEhaz、YPhaz)對於焊趾部的局部塑性應變量綜合影響進行詳細研究。其結果是發現，在以上述要件之外的條件(例如水平構件和垂直構件的板厚、焊接方法等)不變化，同一條件為前提的情況下，結合上述式(IA)、(IB) 和(IC)的焊趾部局部塑性應變量，即由上述式(1)表示的參數(1)與焊趾部的疲勞特性具有良好的相關關係，從而完成本發明。由上述式(1)算出的參數的值越小，焊趾部局部塑性應變量越大，疲勞特性越優異(參照後述圖6)。另外，上述參數在焊趾部局部塑性應變反覆負荷時的疲勞特性評價中也有用，此時，可以使用上式(2)的評價參數。即，根據鋼種等，通過超過屈服應力的應力反覆負荷，屈服應力和均勻拉伸率變化，此時，焊趾部局部塑性應變反覆負荷，因此，HAZ部的屈服應力和均勻拉伸率變化，對焊趾部的疲勞壽命有很大影響。如果使用上述式(2)，可以高精度地評價由於反覆負荷屈服應力和均勻拉伸率變化時的疲勞壽命。在此，上述式(2)是在上述式(1)中，除了將UEhaz(T接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率)置換為UEhaz,。y& (T接頭部的焊接熱影響部的10000次塑性應變負荷後的均勻拉伸率)，將YPmz(T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力)置換為YPhaz,。y& (T接頭部的焊接熱影響部的10000次塑性應變負荷後的屈服應力)以外，與上述式(1)完全相同。還有，在上述式(2)中，將反覆次數定為10000次，是考慮到反覆負荷後的屈服應力和均勻拉伸率的變化在反覆到1000 5000次有很大變化，但其後大致一定的經驗法則， 作為5000次以後的HAZ部的屈服應力和均勻拉伸率的代表值，選擇10000次(0. 5%應變) 的各值。如此，本發明的特點在於，由上述式(1)和上述式(2)表示的焊趾部評價參數作為 T型焊接接頭結構體的T接頭部的焊趾部疲勞特性的代替評價參數有用。根據本發明，即使不如現有技術那樣實際製作焊接接頭進行疲勞試驗，也能夠評價T接頭部的疲勞特性。在本發明中，如上所述，是以上述評價參數中不含的條件一定，並且，焊趾部局部塑性應變發生為前提，導出上述式(1)或上述式(2)，因此，作為本發明的方法適用的前提條件，舉出以下事項。首先，為了使焊趾部發生局部的塑性變形，水平構件(母材)的公稱應力的範圍大致為300 500MPa。水平構件的公稱應力低於300MPa時，有可能局部不發生塑性變形，而超過500MPa時，鋼板全麵塑性變形。同樣，水平構件和焊接熱影響部(HAZ)的抗拉強度大致為 400 700MPa。
另外，上述式⑴適用的P、UEHAZ, YPhaz的容許範圍沒有特別限定，但從使焊趾部發生局部的塑性變形的觀點出發，優選大致P 0. Imm以上2. Omm以下，UEhaz 以上20% 以下，YPhaz =300MPa以上650MPa以下的範圍內。另外，上述式⑵適用的P、UEhaz, cycle, YPhaz, cycle的容許範圍沒有特別限定，但從使焊趾部發生局部的塑性變形的觀點出發，優選大致P 0. Imm以上2. Omm以下，UEHAZ,。ycle 5%以上20%以下，YPhaz, cycle :300MPa以上650MPa以下的範圍內。考慮到對於焊趾部的應力集中係數的影響，構成本發明中作為對象的焊接結構體的水平構件的板厚優選大致50 80mm。垂直構件與上述相同，優選大致50 80mm。對於上述要件以外本發明沒有特別限定。例如用於接合垂直構件和水平構件的方法沒有特別限定，例如可以例舉埋弧焊接法或碳酸氣體電弧焊接法。另外，構成接合垂直構件和水平構件的鋼板的種類沒有特別限定，只要滿足上述抗拉強度等要件，可以適用焊接結構體通常似乎用的鋼板。優選構成接合垂直構件和水平構件的鋼板的種類相同。由上述式(1)和上述式(2)表示的焊趾部評價參數適用於對焊接止端半徑P和材料特性(UEhaz和YPhaz、或UEhaz, cycle和YPhaz, cycle)的至少一個不同的T接頭部彼此的疲勞特性進行比較研究。基於該式計算出的數值成為用於決定二種以上的T接頭部間的疲勞特性的優劣(疲勞特性設計方針)，但數值自身沒有含義，也並非是用於推定各T接頭部間的疲勞特性的指標。具體地說，作為本發明的代表適用例，可以舉出製作幾個水平構件和垂直構件的板厚的組合相同的T型焊接接頭時，對各接頭不進行繁雜的疲勞試驗，進行用於算出P的簡便的曲率調查，和用於算出上述材料特性(UEhaz和YPhaz)的抗拉試驗，算出由上述式(1) 和上述式(2)表示的評價參數的值進行比較，由此，決定疲勞特性優異的焊接接頭。數值越小，疲勞特性越優異，從而選定疲勞特性最優異的T接頭。另外，如果預先將由上式表示的評價參數和必要的疲勞特性的關係資料庫化，則能夠決定疲勞特性優異的T接頭部的材料設計方針和焊接條件等。在此，由於P可能根據焊接材料(詳細地說形成熔覆金屬的焊絲)的種類的變化而變化，而均勻拉伸率和屈服應力的材料特性(例如UEhaz和YPhaz)根據焊接時的總熱量(J)的變化而變化，因此，焊接條件和材料特性的關係可以資料庫化。實施例以下，舉實施例更具體地說明本發明，但本發明不受下述實施例限定，在本發明前後宗旨的範圍內可以適當變更實施，這均包含在本發明的技術範圍中。實施例1在本實施例中，作為模擬焊接接頭的試驗片製作微小切口試驗片，對使用上述試驗片進行疲勞試驗時的疲勞特性和由上述式(1)和上述式(2)表示的焊趾部局部塑性應變評價參數(1)或(2)的關係進行研究。詳細地說，準備圖5所示的平滑板狀的切口試驗片(沒有焊接部等的不連續形狀的試驗片，縱65mmX橫16mmX厚4mm)。使用該試驗片時，切口部應力集中發生局部的塑性應變，因此，能夠再現T接頭的焊趾部的應變狀態。圖5所示的平滑試驗片的疲勞特性(疲勞裂紋壽命)是通過將負荷應力範圍Δ σ (疲勞試驗中作用反覆最大應力S1和反覆最小應力S2的差)除以試驗片的抗拉強度 TS的值(△ ο/TS)而進行評價。在本實施例中，通過以下方法進行疲勞試驗，算出對應於疲勞裂紋發生壽命為IO5次的應力範圍Δ σ/TS。(疲勞試驗)將試驗片安裝在油壓式疲勞試驗機上，對試驗片的軸向(圖5的箭頭方向)施加的拉伸載荷，在S1和S2 —定的條件下反覆施加載荷。S1和S2通過安裝在充分遠離試驗片的切口的位置的應變計進行測定。另外，準備3根相同的試驗片(η = 3)，在疲勞裂紋發生壽命進入大約IO4 IO6的範圍的條件下，變化應力負荷條件進行試驗，求出應力範圍和疲勞裂紋發生壽命的關係，作為應力範圍和疲勞裂紋發生壽命的關係的函數定式化，算出疲勞裂紋發生壽命=IO5時的應力範圍。同樣，求出反覆塑性應變10000循環(0.5%應變)負荷後的應力範圍和疲勞裂紋發生壽命的關係，算出疲勞裂紋發生壽命=IO5時的應力範圍。具體地說，使用屈服應力YP、均勻拉伸率UE和切口曲率R不同的表1的試驗片1 8實施上述疲勞試驗，根據上述方法測定Δ σ /TS0另外，對上述試驗片1 8分別算出焊趾部局部塑性應變評價參數(1)和(2)。在此，上述試驗片的切口曲率R對應於T接頭的焊趾部曲率半徑P，上述試驗片的屈服應力YP和均勻拉伸率UE分別對應於T接頭部的HAZ 部的屈服應力YPhaz或YPhaz, cycle,和均勻拉伸率UEhaz或UEhaz, cycle0這些結果並記在表1中。另外，圖6顯示焊趾部應變評價參數(1)和Δ σ /TS的關係的曲線圖，圖7顯示焊趾部應變評價參數(2)和Δ σ/TS的關係的曲線圖。表 權利要求
1.一種T接頭部的疲勞特性評價方法，是評價T型焊接接頭結構體的T接頭部的疲勞特性的方法，其特徵在於，在將所述T接頭部的焊趾部曲率半徑定為P (mm)，將所述T接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率(％)定為UEhaz，將所述T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力(MPa)定為YPhaz時，通過使用由下式(1)表示的焊趾部應變評價參數(1)，對T型焊接接頭結構體的疲勞特性進行評價，焊趾部應變評價參數(1) = (1. 13X10_2X Ρ—。·59) X (1.05X 10-4XUEHAZ+1.64X10_2) X (5. 15XYP·。·92)…(1)。
2.一種T接頭部的疲勞特性評價方法，是評價T型焊接接頭結構體的T接頭部的疲勞特性的方法，其特徵在於，在將所述T接頭部的焊趾部曲率半徑定為P (mm)，將所述T接頭部的焊接熱影響部的10000次塑性應變負荷後的均勻拉伸率(％)定為UEHAZ,。y。le，將所述T 接頭部的焊接熱影響部的10000次塑性應變負荷後的屈服應力(MPa)定為YPhaz,。y&時，通過使用由下式( 表示的焊趾部應變評價參數O)，對T型焊接接頭結構體的疲勞特性進行評價，焊趾部應變評價參數 O) = (1. 13X 1(Γ2Χ Ρ—。·59) X (1.05X 10-4XUEhaz, cycie+1· 64 X IO-2) X (5. 15XYPHAZ,cycl；0·92)…⑵。
全文摘要
本發明提供無需實際製作焊接接頭進行疲勞試驗，能夠簡便快速評價T型焊接接頭結構體的T接頭部的疲勞特性的方法，其中，在將T接頭部的焊趾部曲率半徑定為ρ(mm)，將T接頭部的焊接熱影響部的均勻拉伸率(％)定為UEHAZ，將T接頭部的焊接熱影響部的屈服應力(MPa)定為YPHAZ時，通過使用由下式(1)表示的焊趾部應變評價參數，對T型焊接接頭結構體的疲勞特性進行評價，焊趾部應變評價參數(1)＝(1.13×10-2×ρ-0.59)×(1.05×10-4×UEHAZ+1.64×10-2)×(5.15×YPHAZ-0.92)。
文檔編號G01N3/32GK102192858SQ20111004709
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月24日 優先權日2010年2月26日
發明者田村榮一, 高岡宏行 申請人:株式會社神戶制鋼所