王志海 ，陳 亮 ，張立民 ，張衛(wèi)華 ，馬紀(jì)軍，陳文賓

(1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 前言

鋁合金密度低，比強(qiáng)度較高，塑性好，抗腐蝕性能良好，加工成型容易，成為車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的理想材料。但是，鋁合金材料具有線膨脹系數(shù)高、熱導(dǎo)率大、焊接接頭熱影響區(qū)寬等劣勢[1]。焊接是鋁合金車體制造的主要方式，容易產(chǎn)生焊接變形、氣孔、組織軟化、合金元素?zé)龘p等缺陷，它們是導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂的內(nèi)在因素。因而焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠性很大程度上取決于局部的焊接接頭的疲勞性能。通過對(duì)鋁合金焊接接頭疲勞性能的研究，控制影響焊接接頭疲勞性能的因素，提出焊接接頭輔助強(qiáng)化措施，對(duì)改善車體結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-3]。

W.W.桑德[4]通過對(duì)5000系、6000系以及7000系鋁合金疲勞性能數(shù)據(jù)的研究分析，歸納總結(jié)了影響鋁合金焊接接頭疲勞性能的主要因素，包括施加應(yīng)力的大小、性質(zhì)和范圍，焊接接頭存在的局部應(yīng)力集中，尤其是焊接殘余拉應(yīng)力的存在會(huì)加速疲勞裂紋的形成，從而發(fā)生早期斷裂等典型失效型式。

在此，受某高速列車廠家的委托，對(duì)列車底架等承載零部件進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn)，列車運(yùn)行一段周期后，重要受力及應(yīng)力集中部位由于受到循環(huán)往復(fù)載荷及扭轉(zhuǎn)載荷的作用，會(huì)產(chǎn)生較多的顯微裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終發(fā)生疲勞斷裂。

選取某型高速列車車體結(jié)構(gòu)所有鋁合金5083的MIG焊接接頭為研究對(duì)象，通過疲勞試驗(yàn)研究其疲勞斷裂特性，分析產(chǎn)生疲勞斷裂的基本因素，并采用數(shù)值模擬的方式，建立存在應(yīng)力集中的焊接接頭，估算殘余應(yīng)力存在條件下的焊接接頭的剩余壽命和安全系數(shù)，為鋁合金焊接接頭的疲勞壽命評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為國產(chǎn)化鋁合金5083板材。5083鋁合金化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示，焊絲材料為ER5356，其化學(xué)成分如表3所示，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表1 5083鋁合金化學(xué)成分 %

表2 5083鋁合金力學(xué)性能

表3 焊絲化學(xué)成分 %

表4 焊接工藝參數(shù)

采用MIG焊接方法，焊接接頭的形式為對(duì)接接頭。MIG焊的熱源電流是直流電弧，焊絲由電弧熔化送入焊接區(qū)，外加氣體作為電弧介質(zhì)。

試驗(yàn)所用設(shè)備為PLG-100微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)的加載依據(jù)GB/T 15248-94。加載方式：軸向加載，循環(huán)應(yīng)力比R=0.1，載荷以正弦曲線變化；外加循環(huán)載荷的頻率89.3～89.5 Hz；試驗(yàn)環(huán)境溫度20℃～25℃，空氣干燥，沒有腐蝕性氣體存在。

掃描電鏡型號(hào)HITACHI JSM-6490LV，對(duì)疲勞斷口形貌進(jìn)行分析。

利用ANSYS進(jìn)行焊接接頭靜力分析，將結(jié)果導(dǎo)入FE-SAFE軟件進(jìn)行疲勞計(jì)算，最后在ANSYS軟件中進(jìn)行后處理，顯示Sx（剩余壽命）和安全系數(shù)（Sy）。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 疲勞試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用升降法。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)第一根試件的加載載荷大小是比預(yù)計(jì)的疲勞極限略大一點(diǎn)來加載。并設(shè)定疲勞壽命為107次，如果試件在達(dá)到預(yù)期壽命前斷裂，則下一根的加載載荷就在之前的載荷基礎(chǔ)上減小加載值，如果未斷裂，則增加加載值。依次類推，記錄每一根試件對(duì)應(yīng)的載荷值和壽命值。疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

S-N曲線如圖1所示，由圖1可知，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，試驗(yàn)中得到的試件疲勞壽命和試件應(yīng)力成近似的線性關(guān)系。根據(jù)升降法原理，取壽命為107次時(shí)，應(yīng)力最大值為疲勞極限（38.25MPa）。有5個(gè)點(diǎn)的離散型比較大，但總體來看試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合焊接接頭的疲勞曲線的基本規(guī)律。

2.2 疲勞斷口分析

選擇典型試件1號(hào)、2號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)和10號(hào)進(jìn)行疲勞斷口分析。

圖1 S-N曲線

（1）1號(hào)試件。

圖2a為鋁合金疲勞斷口的形貌。裂紋源的幾何形態(tài)為近似的圓形，在該試件中，裂紋源的產(chǎn)生是由于第二相夾雜物的存在產(chǎn)生的，圖中的圓型區(qū)域即為夾雜物留下的幾何痕跡[5]。

圖2b為裂紋擴(kuò)展區(qū)。該試件的疲勞擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為規(guī)則的間距，并且擴(kuò)展區(qū)相對(duì)于瞬斷區(qū)是十分光滑的，整體上該區(qū)域呈現(xiàn)疲勞條紋花樣。

圖2c為試樣瞬時(shí)斷裂區(qū)的微觀形貌，在裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使裂紋迅速擴(kuò)展而發(fā)生斷裂。

（2）2號(hào)試件。

圖3c為2號(hào)試件的瞬斷區(qū)圖樣。在該試件的瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出河流狀花樣，同時(shí)還有舌狀花樣。河流狀花樣屬于解理斷裂的裂紋特征，解理斷裂屬于穿晶斷裂。在該斷裂的區(qū)域，由于外加循環(huán)載荷的作用，導(dǎo)致材料的內(nèi)部一局部區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，金屬的結(jié)合力小于該拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致了金屬鍵的破壞，形成裂紋。該試件的斷裂方式為脆性斷裂，可以推斷出試件在發(fā)生斷裂之前沒有明顯的宏觀塑性變形，而且在圖中可以看到嶺脊的存在，嶺脊的方向與裂紋擴(kuò)展的方向一致[6]。

圖2 1號(hào)試件疲勞斷口

圖3 2號(hào)試件疲勞斷口

圖4a為6號(hào)試件斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)域。有明顯的疲勞裂紋花樣和“空洞”的存在，是由材料內(nèi)部的雜質(zhì)存在而形成的。并且雜質(zhì)有開裂現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诮蛔儜?yīng)力的作用下，由于材料內(nèi)部應(yīng)力不斷地作用于雜質(zhì)，導(dǎo)致雜質(zhì)與金屬間的結(jié)合力被破壞，從而發(fā)生開裂。從圖4b中看到裂紋源距離斷口表面只有74.04μm的距離，可見裂紋源是產(chǎn)生在試件的近表面區(qū)域的，很多金屬材料的疲勞裂紋裂紋源區(qū)都在近表面或表面區(qū)域，這是因?yàn)楸砻鎽?yīng)力往往較高，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大，從而產(chǎn)生裂紋源[7]。

（4）7號(hào)試樣。

圖4 6號(hào)試件疲勞斷口

圖5a為試件斷裂面的微觀組織形態(tài)。圖中白亮的近似圓形的區(qū)域即為材料中的氣孔位置，該處裂紋源也是由于材料內(nèi)部的氣孔的存在而產(chǎn)生的，并且在圖中還有舌狀花樣。圖5b為裂紋擴(kuò)展的初始階段，有比較明顯的輪胎狀花樣。圖5c為斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)，試件斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)也呈現(xiàn)出韌窩狀，可見該試件的斷裂方式也為塑性斷裂的形式。

（5）8號(hào)試件。

8號(hào)試件的斷裂面上有明顯的疲勞輝紋（見圖6b），這是疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的，裂紋擴(kuò)展的間距基本相等。圖6a為韌窩，說明8號(hào)試件在斷裂時(shí)也是塑性斷裂。鋁合金的塑性比較高，所以在其疲勞斷口上的塑性變形的痕跡是塑性變形的結(jié)果。

（6）10號(hào)試件。

圖7b為試件斷裂的瞬斷區(qū)。在該瞬斷區(qū)上有明顯的舌狀花樣，說明該試件的斷裂方式為解理斷裂，該試件的斷裂方式也為穿晶斷裂。斷裂面較為平坦，在斷口上有較低的脊嶺，說明試件是在較低的交變應(yīng)力條件下發(fā)生斷裂的。從圖7a中可以看出裂紋源也在近表面區(qū)域，距離試件表面只有21.20μm和49.00μm，可見裂紋源極易在試件的近表面產(chǎn)生。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 ANSYS結(jié)果分析

圖5 7號(hào)試件疲勞斷口

圖6 8號(hào)試件疲勞斷口

圖7 10號(hào)試件疲勞斷口

采用ANSYS-FESAFE軟件進(jìn)行疲勞模擬，首先要在ANSYS中進(jìn)行靜力分析。模擬時(shí)對(duì)試件的一個(gè)面施加x方向的約束，另一個(gè)面施加3 000 N的拉力，如圖8所示。試件受到靜拉力后會(huì)產(chǎn)生形變，其變形后的形狀如圖9所示。

圖8 邊界約束設(shè)置

圖9 試件形變

模擬結(jié)果在Ansys軟件自動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算后，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力如圖10所示。

圖10 接頭主應(yīng)力分布

由圖10可知，在焊縫的凸出部分，半圓柱面與基板相交的兩條豎線上都存在極高的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。這說明在試件的該部分存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，可見該處是疲勞的“熱點(diǎn)”部分。在試驗(yàn)中，通過對(duì)斷裂試件的觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂的位置就在焊趾處，與模擬結(jié)果吻合。

3.2 FE-SAFE結(jié)果分析

試件的Sx（剩余壽命）云圖如圖11所示。由圖可知，焊接接頭的凸起部分存在大面積的藍(lán)色區(qū)域，這一區(qū)域的壽命比試件其他地方的壽命要低，在焊趾處也出現(xiàn)了彩色的壽命分布，說明比起母材壽命要低。可見在焊接接頭的整個(gè)凸起部分是焊接結(jié)構(gòu)中壽命較低的地方。Sy（安全系數(shù)）云圖如圖12所示，從圖中可以看出，在焊接接頭的凸起表面和焊趾處的安全系數(shù)要比母材低，與壽命分布是相似的，這更加證明了焊接接頭的凸起部分是試件中易發(fā)生疲勞破壞的部位。

圖11 Sx(剩余壽命)云圖

圖12 Sy(安全系數(shù))云圖

4 結(jié)論

（1）采用升降法對(duì)5083鋁合金焊接接頭進(jìn)行S-N曲線測試，得出其疲勞極限為38.25 MPa。

（2）5083鋁合金焊接接頭斷口形貌上呈現(xiàn)典型的輪胎狀、舌狀及疲勞輝紋等花樣。

（3）從數(shù)值分析結(jié)果可以看出焊接接頭的焊趾處有高應(yīng)力分布，這說明這個(gè)部位是應(yīng)力集中的位置，這與疲勞試驗(yàn)中試件斷裂的位置相同。

（4）由模擬結(jié)果可以看出，鋁合金焊接接頭的凸起部位及焊趾容易造成應(yīng)力集中，因此其壽命和安全系數(shù)相對(duì)母材較低，應(yīng)引起重視，對(duì)該部位進(jìn)行消應(yīng)處理。

[1]王元良，周友龍，胡久富.鋁合金運(yùn)載工具輕量化及其焊接[J].電焊機(jī)，2005，35（9）：14-18.

[2]王元良.鋁合金焊接性能及焊接接頭性能[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，1997（1）：69-74.

[3]波森NL.鋁合金焊接接頭的疲勞性能[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，1979（2）：24-27.

[4]桑德W W，石純義.鋁合金焊件的疲勞性狀[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，1980（8）：15-19.

[5]李書齊.6N01鋁合金型材及其焊接接頭疲勞性能預(yù)測研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[6]馬豐源，王偉輝.不銹鋼SUS630疲勞斷口分析[J].中國造船，2007（1）：117-125.

[7]謝里陽.疲勞斷口形貌與材料性能的關(guān)系[J].航空學(xué)報(bào)，1991（4）：179-182.