A7N01鋁合金焊接接頭的補焊性能分析

苗紅麗

（甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050）

1 補焊對A7N01鋁合金焊接接頭性能的影響

列車在運行的過程中，難免會出現各種各樣的缺陷，尤其是焊接過程極容易出現問題，構件存在著嚴重的質量隱患，如果直接投入使用，很容易導致整個列車的運行受到影響，情況較輕時則是構建的報廢情況，嚴重時很有可能造成大量財產損失，甚至危及到乘客的生命安全，接頭補焊技術是去除構件焊接缺陷的主要方法。對于列車來說，穩定性能是第一原則，為了能夠解決在列車運行過程中出現的各種焊接缺陷或者是缺陷造成的后續影響問題，必須對焊接接頭進行定期的檢測與排查，如果發現問題要第一時間進行處理，將出現缺陷的部位去除，然后利用補焊焊接將車身修復。

1.1 補焊對A7N01鋁合金的靜拉伸性能影響

分別對A7N01母材、焊接接頭以及補焊接頭進行靜拉伸試驗，其試驗結果如下表所示。從下表中可以看出，A7N01鋁合金其本身作為高強度的鋁合金材料，本身的力學性能十分優秀，但其本身經過焊接加工之后的母材各項力學性能受到的影響較大，屈服強度由母材的309MPa降低為209MPa，在之后的經補焊加工后鋁合金其自身的力學性能出現了進一步的受損，屈服強度較補焊前降低40%左右，約為118MPa。實驗結果顯示，補焊會對A7N01鋁合金的各項力學性能造成損害。

表1 鋁合金靜拉伸性能影響

1.2 補焊對接頭顯微組織的影響

對A7N01鋁合金焊接試樣進行顯微組織觀察，發現部分斷裂地區，在加熱的影響下焊接前后組織存在著明顯的差異，對相應試樣進行力學實驗，無論是拉伸性能還是彎曲性能都存在著明顯的下降，尤其是抗拉強度，軟化現象十分明顯。發現A7N0鋁合金其未熔斷的區域與其他的區域相比，結構形式沒有明顯的變化，但是根據凝固理論可以得知，熔合區會形成柱狀晶體，與上述晶體狀態存在著明顯的差距，一般來說多次循環熱利用能夠彌補焊接后接頭的熱影響，但是沖擊韌性會大幅度下降。

1.3 一次二次補焊之后對A7N01鋁合金焊接接頭的疲勞性影響

受焊接條件的限制，一次補焊往往并不能獲得滿足質量要求的焊縫，這就需要進行多次返修，多次補焊導致會導致A7N01鋁合金焊接接頭處的殘余應力發生變化，對A7N01鋁合金補焊前后的焊接結構進行殘余應力測試，實驗數據表明：A7N01鋁合金補焊的過程當中填充金屬的冷卻收縮其本身受周圍冷金屬的限制，使得最終合金造成的壓縮塑性變形與補焊前的材料相互疊加，這會導致焊縫金屬的應變硬化更加嚴重，焊縫周圍的拘束度升高，造成殘余應力不斷上升[4]。

2 多層多道焊接對A7N01鋁合金焊接接頭的殘余應力分析

2.1 多層多道焊接對A7N01鋁合金焊接接頭應力的影響

對焊接殘余應力進行測定，以此來判斷材料的恢復長度對焊接接頭參數的影響。利用專業的分析軟件來進行計算焊接后的殘余應力，實驗結果表明如果焊縫的縱向應力增加，橫向應力減小，而隨著焊接的次數不斷增加，縱向應力的變化并不是很大，但是橫向盈利卻有著明顯的增加，通過對這些應力分析不難發現，多次焊接之后，T型接頭的應力集中系數明顯降低，可以提高接頭的抗疲勞強度。由上述實驗可以得知，多層多道焊接對接頭的性能有著不同的影響，采取焊接工藝的時候要根據現場的實際情況特點進行焊接方法的選擇，以此來滿足街頭對沖擊韌性以及其他加工性能的要求。另外要根據焊接前后的使用壽命來確定焊接的依據。

2.2 車體底架裝焊工藝對殘余應力的影響

大量的實驗研究表示，焊接殘余應力是影響強度的主要因素，因此必須對殘余應力對疲勞壽命的影響進行分析。斷裂力學已經具有了一定的理論體系，在研究壽命的過程中必須從裂縫的產生以及暗傷的積累等多個方面影響進行分析。通常判斷焊接殘余應力的產生可能是由于在焊接的過程當中焊接溫度的不均勻引起，或是由于材料內部的熱循環作用造成的，因此需要在進行熔斷的過程中保證溫度的均衡，確定拘束程度以及殘余應力的提高程度。

2.3 疲勞裂紋擴展速度

疲勞裂紋擴展的速率與應力強度有著直接的關系，應該將某某合金材料分成三個區域進行分別計算，在已經產生裂紋或者有萌發情況的情況下進行服役。利用公式計算出已有裂紋的情況下的使用壽命，在根據材料的疲勞擴展速度以及周圍環境的影響進行全方位的驗算。利用MTS810材料試驗機專用引伸計實時高速地采集試樣的載荷、位移與時間（循環次數）的數據，將得到的數據利用柔度法進行處理，得到疲勞裂紋擴展過程中的實時裂紋長度a利用MATLAB編程處理數據，得到a-N曲線。

3 A7N01鋁合金焊接接頭的可靠性評估方法

焊接過程中很容易出現氣孔，裂紋等等現象。因此在進行街頭焊接的時候，要評定各種缺陷的尺寸，每一次力焊接的力都是不均勻的，應該進行線性化處理。如果表面存在著較大的缺陷，會對評估結果造成不一定的影響。

因此對列車整體框架進行安全性評估的時候，要著重對A7N01鋁合金的焊接接頭剩余壽命進行評估，使其始終滿足列車的實際使用要求，確保其使用壽命，一直確定在安全期限以內，只有這樣才能夠對其他部位的疲勞壽命進行驗算，評估方法如下。

3.1 安全評估方法

在進行結構設計的過程中，通常會采用應力法來對結構設計進行設計分析，對于A7N01鋁合金的焊接接頭進行安全性能的評估，隨著材料的應用的頻率不斷增加，材料本身不可避免的出現缺陷，這些因素會被考慮到安全系數之中，如果缺陷沒有對結構造成影響，可以應用彈線性斷裂力學，彈塑性斷裂力學計算鍛煉力學等方法進行計算，評估材料本身在使用之后的安全性能高低，來衡量是否進行更換或補焊。

在進行評估的過程中，評估的標準由立場強度因子決定，主要以應力場強度因子K來作為標準，即通常所說的K判據。

3.2 疲勞剩余壽命評估

對疲勞強度進行評估，主要是對焊接接頭以及焊接材料進行疲勞強度的分析。這些分析方法都可以交叉使用，又可以獨立使用，隨著力學的不斷發展，評價疲勞強度的方法也在不斷的多樣化，對這些裂縫進行可行性分析之后能夠得出能量理論。最終確定平均應力對裂縫擴展速率的影響。

4 結語

綜上所述，隨著我國社會經濟的飛速發展，交通運輸業關系著許多行業的發展與改革，因此必須針對時代發展對列車技術進行研究，以此來提高列車框架的承載能力以及使用壽命，A7N01鋁合金焊接性能較好，在車體結構中應用范圍十分廣泛，因此本文對A7N01鋁合金補焊焊接接頭靜態力學性能和疲勞性能進行研究，并對多層多道焊對焊接接頭進行分析，探索了接頭安全性評估的基本方法。利用力學方法確定焊接接頭的疲勞壽命，從而為焊接及補焊工藝的制定提供可靠的參考依據。車體補焊接頭可靠性評價對列車安全性評價具有重要的意義，這也為我國列車安全可靠運營打下堅實的基礎。