不同評定方法對高速列車A7N01鋁合金焊接接頭疲勞強度的影響

王 勇 ，張志毅 ，果 偉 ，吳向陽 ，朱忠尹

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

0 前言

絕大多數焊接接頭的疲勞裂紋均發生在焊趾或焊根處，局部最大應力事實上起著主導作用，因此焊接接頭的疲勞強度從整體到局部形成了4種不同結構層次的分析方法，即名義應力法、熱點應力評定方法、缺口應力評定方法和斷裂力學評定方法[1-3]。目前國外有關疲勞設計和評定的標準多采用以名義應力表征的典型焊接結構件及接頭的疲勞強度，如國際焊接學會設計標準IIW-693-81[4]、歐洲標準Eurocode3。在軌道車輛工程中，有德國標準DS952[5]以及國際質量標準UIC897-13。在Niemi、Hobbacher[6-7]等人的推動下，國際焊接學會（IIW）在其焊接結構疲勞設計文檔（1996年）中，將熱點應力法作為4種疲勞設計和分析評定方法之一，對熱點應力的表面外推確定給出了較詳細的規定，確立了相應熱點應力S-N曲線。名義應力法[8]存在一定的缺點，而熱點應力法[9-10]、缺口應力法目前在高速列車鋁合金焊接接頭上鮮有應用。

A7N01鋁合金是制造高速列車底架的主要材料，A7N01焊接接頭組成牽引梁、枕梁、橫梁等重要的承載部件[11]，因此在高速列車的結構中具有重要作用。本研究以高速列車A7N01鋁合金焊接接頭為主要對象，分別采用名義應力法、熱點應力法、缺口應力法評定接頭的疲勞強度，以期通過評定結果的差異性和可靠性為高速列車疲勞安全評估提供指導和借鑒。

1 試驗

焊接母材為A7N01S-T5鋁合金材料，板厚8mm。焊接材料為ER5356焊絲，直徑φ1.6 mm。采用雙脈沖型式的脈沖MIG焊，母材及焊絲的化學成分見表1，焊接工藝參數見表2。

表1 母材及焊絲的化學成分Table 1 Chemical constituent of matrix and welding wire %

表2 焊接工藝參數Table 2 Welding parameters

試樣焊接完成后，采用XXQ2505D-XK3.2型X射線探傷系統對試樣進行探傷，根據ISO 10042-2005評判接頭質量。選取合格試樣，采用PLG-200電磁共振疲勞試驗機進行疲勞試驗，加載條件為：室溫，R=0，加載力的變化按正弦曲線變化，加載頻率90～110 Hz，加載載荷取5～7個應力等級。疲勞試驗所用對接接頭的尺寸如圖1所示。

2 試驗結果及討論

2.1 焊接接頭的疲勞強度

在進行焊接接頭的疲勞強度計算及繪制S-N曲線時，采用的公式如下

圖1 對接接頭尺寸Fig.1 Dimension of butt joints

L、B、t分別為試件總長、寬度、厚度；a1、h1、R 分別為焊縫正面余高寬度、高度、焊趾半徑；a2、h2、r分別為焊縫背面余高寬度、高度、焊趾半徑。

式中 S為所加載荷的名義應力范圍Δσ；N為疲勞壽命；A、B為擬合常數；Cm為材料常數；m為S-N曲線的斜率；stdv為標準偏差；Xt為試驗數據的對數值；XK為計算特征值；n為試樣數量。

文獻[12]給出了對應不同n的K值關系，如表3所示。

表3 計算特征值XK所對應的K值Table 3 K value corresponding to the calculation of characteristic value XK

本次試驗獲得有效數據的試件有7個。用線性插值法計算試件的K值，得出K=3.18。根據式（1）～式（5）計算出接頭的疲勞試件的材料參數m和對應于50%存活率的Cm。再根據式（5）～式（8）計算出特征值XK，然后計算出接頭的疲勞試件對應于95%存活率的材料常數Ck，最后計算出接頭試件的疲勞強度，結果如表4和圖2所示。

2.2 熱點應力法評定接頭疲勞強度

對接頭施加拉伸名義應力50 MPa、40 MPa、30 MPa，采用IIW推薦的三點二次外推公式

式中 σ為施加的名義應力；t為試件板厚。

計算接頭的熱點應力，進而計算對接接頭的熱點應力集中系數，如表5所示。

由表5可知，載荷變化對結構應力分布的比例關系沒有影響，對接接頭熱點應力集中系數計算結果為1.035。

表4 試件S-N曲線的數據Table 4 Date of the S-N curve

圖2 接頭S-N曲線Fig.2 S-N curve of joint

表5 對接接頭熱點應力集中系數Table 5 Hot spot stress concentration factor of butt joint

熱點應力的雙對數S-N曲線采用式（10）和式（11）計算

將 N=1.0×107代入式（11），得到對應的熱點應力疲勞強度σhs。名義應力、熱點應力疲勞強度計算結果如表6所示。名義應力與熱點應力S-N曲線如圖3所示。

表6 名義應力與熱點應力疲勞強度對比Table 6 Comparison data of nominal stress and hot spot stress

圖3 名義應力與熱點應力的S-N曲線對比Fig.3 Comparison of S-N curves of nominal stress and hot spot stress

2.3 缺口應力法評定接頭疲勞強度

以圖1焊縫尺寸為依據，焊趾半徑取以應力平均法算得的0.25 mm。給模型施加實驗所加的名義應力幅值Δσ，采用Von Mises準則計算出模型的局部缺口應力σKmax，獲得的最大缺口應力計算云圖如圖4所示。

圖4 缺口應力計算云圖Fig.4 Map of gap stress calculation

當微觀結構長度取ρ*=0.1 mm，等效缺口曲率半徑ρf=0.25 mm，計算得到的各接頭試件的缺口應力及其斷裂位置預測結果如表7所示。

根據計算出的缺口應力σKmax和疲勞試驗結果，繪制試件的實際循環次數N經缺口應力法評定后的S-N曲線（對應50%的存活率），如圖5所示。由此得到1.0×107循環次數下，采用缺口應力法評定后的S-N曲線及疲勞強度如表8所示。

表7 最大缺口應力與斷裂位置預測Table 7 Maximum gap stress and fracture location forecast

表8 缺口應力法疲勞評定Table 8 Results of fatigue properties evaluation with the use of gap stress method

圖5 缺口應力法評定S-N曲線Fig.5 S-N curves evaluation with the use of gap stress method

3 不同評定方法的差異分析

由表6、表8的公式以及數據結果分析可知，同一種接頭形式，缺口應力疲勞強度最大，熱點應力疲勞強度次之，而名義應力疲勞強度最低。不同評定方法得到的S-N曲線斜率、截距均不同。

名義應力法計算截面時，包含所有焊縫細節，根據缺口等級選擇S-N曲線，造成了疲勞數據（即SN曲線）的分散帶較大，由于計算截面為母材截面，當結構復雜時名義應力較難確定。而熱點應力法在此基礎上，通過分析焊接接頭形式給結構帶來的不連續性，考慮了結構間斷而帶來的應力集中，因此可以減小疲勞試驗數據的離散度。對于復雜結構的疲勞評定，只需關注“熱點”，通過計算或測量求得關鍵部位的熱點應力，再去尋找合適的S-N曲線校核，這就簡化了疲勞評定過程。缺口應力相對于前兩者，在考慮焊接結構不連續的同時，還考慮了焊縫形狀帶來的缺口效應。研究表明，缺口應力是導致疲勞裂紋萌生和擴展的主要影響因素，缺口應力法采用了微觀結構約束效應，通過虛擬缺口曲率半徑，求得疲勞缺口系數。

用名義應力法評定接頭疲勞強度更趨向于保守，而熱點應力法和缺口應力法需要全面考慮焊縫的細節因素，更加準確地進行受力分析。因此在進行高速列車焊接結構疲勞強度設計時，應根據不同的設計要求及安全可靠性考慮，選擇不同的疲勞強度評定方法，保證高速列車焊接結構的安全可靠性。

4 結論

（1）通過應力比R=0的拉-拉軸向加載疲勞試驗，接頭中值疲勞強度Δσ為45.77 MPa，經過±2倍標準差修正后，95%可靠度的疲勞強度ΔσK為39.89 MPa。

（2）采用IIW推薦的三節點二次外推公式進行A7N01S-T5鋁合金焊接接頭的熱點應力計算，接頭熱點應力集中系數為1.034，熱點應力疲勞強度為47.39 MPa。

（3）在缺口應力法評定中，取等效微觀結構長度ρ*=0.1 mm，虛擬缺口曲率半徑為0.25 mm，彈性狀態、平面應變條件下求解，缺口應力疲勞強度為123.03 MPa。

（4）缺口應力疲勞強度結果最大，熱點應力疲勞強度次之，名義應力疲勞強度最小。用名義應力法評定接頭疲勞強度更趨向于保守，而熱點應力法和缺口應力法需要全面考慮焊縫的細節因素，更加準確地進行受力分析。

參考文獻：

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