薄壁钢管对接焊缝强度试验分析

邹群飞

（洪都航空工业集团，江西 南昌330024）

0 引言

飞机是通过许多构件相互连接组合成的一个整体结构，对于某些材料和某些形式的构件，焊接是连接各构件的重要方法。 目前正在不断地研制更好的焊接技术、焊接机器以及新型焊接材料，使焊接后的构件强度不至于降低。

焊接广泛应用于机身钢架、 发动机架和起落架系统等，常见的钢管焊接形式有对接、套接和搭接，焊缝的设计需综合考虑工艺、结构、强度的要求，应尽可能选择能承受较高静载荷和抗疲劳性能较好的形状，应避免两条焊缝相距过近，避免一条焊缝连接三个以上的零件，避免两条焊缝纵横交叉，以免引起应力集中和金属过热而使组织恶化。

在计算钢管对接焊缝强度时， 常采用参考文献[1]中的经验公式进行计算，公式适用范围有限，公式的推导过程、建立的依据不明确，且缺少相应的试验数据。

1 钢管对接焊缝计算现状分析

1.1 对接焊缝概述

薄壁钢管常采用CO2保护焊，焊接形式有对接、套接、搭接等，如图1 所示。

若钢管在轴线方向断开， 在保证截面不变情况下，常采用对接焊缝连接形式，对接焊接有直焊缝和斜焊缝之分，见图1 所示。 焊缝应尽量设计成使其承受剪力或压力而不承受拉力， 但承受拉力的情况往往也无法避免， 所以为了避免对接焊缝承受太大的拉力，推荐采用斜焊缝对接形式。

图1 薄壁钢管常用焊接形式

1.2 对接焊缝计算现状分析

在对薄壁钢管对接斜焊缝进行强度校核时，参照以往各型号飞机，常采用参考文献[1]表33-2 中焊接接管的焊缝计算公式进行计算，计算公式如下：

单位长度焊缝上的力为：

单位长度焊缝上的许用力为：

强度条件：

式(1)～(3)中：

N－线载，N/mm；P－轴力，N；D－钢管外径，mm；δ－钢管壁厚，mm；S－许用线载，N/mm；σb－抗拉强度极限，MPa。

在采用式(1)～(3)进行计算时，存在以下问题：

a) 参考文献[1]中规定公式仅适用于气焊的30CrMnSiA 钢管，而薄壁钢管常采用CO2保护焊；

b)式(2)中的σb值理解上不统一，是取钢管本身材料的抗拉强度极限，还是取焊缝的抗拉强度极限，焊缝的抗拉强度极限计算公式如下：

式中：

显然， 焊缝的抗拉强度极限小于钢管材料的抗拉强度极限。

c)式(2)为国外60年代通过试验得到的经验公式，随着航空制造工艺和航空材料的日益发展，此公式需要进一步的验证。

2 薄壁钢管对接焊缝强度试验分析

2.1 试验情况

采用8 件相同的焊接钢管试验件进行静力拉伸试验，试验钢管外径为27 mm，壁厚为1 mm，材料为30CrMnSiA，钢管焊前进行热处理， 热处理后钢管材料抗拉强度极限：焊接采用CO2保护焊，焊丝材料为H08Mn2SiA，焊接按三级焊缝标准执行，焊后不进行热处理，焊后钢管材料抗拉强度极限：焊缝采用斜焊缝。

试验件结构简图见图2 所示，-1 零件为试验钢管、-2 零件为试验垫片(外径为25 mm，壁厚1.5 mm)、-3 零件为夹持端加强件(直径为25 mm 的实心圆管)，三个零件材料和热处理状态一样，但-2、-3 零件为非试验考核件。

试验在华龙液压伺服万能材料试验机 (型号WAW-300B) 上进行， 试验加载至钢管拉断。

图2 试验件结构示意图

2.2 试验分析

8 件试验样品都在焊缝以外区域拉断，试验检测报告见表1。

平均破坏载荷为：

表1 试验检测报告

2.2.1 钢管破坏分析

按钢管材料抗拉强度极限计算理论许用破坏载荷为：

试验与理论破坏载荷相对误差为：

理论计算与试验很吻合。

2.2.2 焊缝经验公式分析

现根据经验公式式(1)～式(3)计算焊缝的理论破坏载荷，根据σb不同取值分别计算。

a)σb取焊缝抗拉强度极限

结合式(1)、(2)可得焊缝处理论破坏载荷：

b)σb取钢管材料抗拉强度极限

结合式(1)、(2)可得焊缝处理论破坏载荷：

由此可见， 若采用参考文献[1]表33-2 中方法计算钢管对接焊缝强度时， σb值取钢管材料抗拉强度极限值更接近试验结果， 但依据此方法计算过于保守。

2.2.3 焊缝受力分析

现对钢管对接斜焊缝进行受力分析， 力学模型如图3 所示， 钢管所受轴向载荷P 可以分解为焊缝的拉伸载荷Pla和焊缝的剪切载荷Pjian， 斜焊缝角度α=45°。

图3 斜焊缝受力分析

焊缝拉伸载荷为：Pla＝P·sinα； 焊缝剪切载荷为：Pjian＝P·cosα

焊缝拉伸和剪切截面面积一致，为：

式中：

Awe－焊缝实际截面面积，mm2；Dwe－焊缝中心面直径，mm；D0－钢管壁厚中心面直径，mm； D －钢管外径，mm；δ－钢管壁厚，mm。

焊缝的拉伸应力：

焊缝的剪切应力：

抗剪强度小于抗拉强度，理论许用破坏载荷为：

2.3 试验分析结论

综上所述，试验在钢管非焊接处拉断，试验破坏载荷与钢管自身材料的理论计算破坏载荷吻合，误差仅为2.1%；若采用参考文献[1]表33-2 中的经验公式计算对接焊缝的理论破坏载荷，σb值应取钢管材料的抗拉强度极限，但此计算方法过于保守，与试验的误差为22.5%；若采用上述章节2.2.3 的方法计算，理论计算与试验结果误差仅为1.3%，计算方法可取。

因此，通过对焊缝进行受力分析并结合试验结果， 可得到图4 所示薄壁钢管对接焊缝的强度计算方法。

图4 对接焊缝

焊缝工作应力：

强度条件：

式(8)～(11)中：

σ－工作拉伸应力，MPa；P－轴向拉伸载荷，N；α－焊缝斜角，如图4 所示；Awe－焊缝实际截面面积，mm2；δ－钢管壁厚，mm；D－钢管外径，mm；τ－工作剪切应力，MPa；σb－钢管材料的抗拉强度极限；K1－焊缝的强度削弱系数(对于CO2保护焊，K1＝0.8)；K2－焊缝的拉剪系数(对于CO2保护焊，K2＝0.63)。

3 结语

通过试验和理论结合， 推导出了薄壁钢管对接焊缝强度的计算公式， 并给出了保护焊焊缝强度削弱系数和拉剪系数的取值， 适用于薄壁钢管对接焊缝强度校核。

[1]飞机设计手册总编委会编. 飞机设计手册9:载荷、强度和刚度.北京:航空工业出版社,2001.