利建源，林禮籌（廣東南奧交通設(shè)備有限公司，廣東 江門 529100）

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高速列車鋁合金焊接接頭疲勞性能分析

利建源，林禮籌
（廣東南奧交通設(shè)備有限公司，廣東 江門 529100）

本文對(duì)高速列車鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響因素及應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行了探討，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。對(duì)提升焊接接頭的疲勞性能以及未來高速列車的營運(yùn)有借鑒作用。

高速列車；鋁合金；焊接接頭；疲勞性能

1 鋁合金焊接技術(shù)分析

鋁合金焊接技術(shù)是高速列車鋁合金焊接接頭應(yīng)用過程中的必要技術(shù)之一，為高速列車結(jié)構(gòu)之間的連接提供了良好的保障。鋁合金的焊接接頭是由母材、熱影響區(qū)、焊縫等組成的，也是一種非均質(zhì)的材料。具體來說，這三種材料具有以下特點(diǎn)：第一，三個(gè)部分的材料性能相似，焊縫的性能與母材和熱影響區(qū)的性能并不相同；第二，母材、熱影響區(qū)、焊縫具有不同的材料性能；第三，母材和焊縫的材料性能相似，熱影響區(qū)的性能不同。鋁合金焊接技術(shù)的應(yīng)用有效地將不同的結(jié)構(gòu)部分連接起來，促進(jìn)結(jié)構(gòu)整體作用的發(fā)揮。

2 鋁合金焊接接頭的疲勞性能分析

（1）鋁合金疲勞性能情況分析。焊接結(jié)構(gòu)的連接性能好，其連接方式的可行性較高，能夠廣泛應(yīng)用于高速列車車體的制造中。例如，高速列車的側(cè)墻板、梁以及底架連接處通過焊接方式來完成。在運(yùn)行過程中，焊接結(jié)構(gòu)承受這循環(huán)往復(fù)的動(dòng)載荷，在較低的應(yīng)力情況下很容易產(chǎn)生疲勞破壞。在焊接結(jié)構(gòu)中，如果產(chǎn)生疲勞，一般在焊接接頭的部位會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中，這使得接頭也成為最容易發(fā)生疲勞破壞。為了盡力避免焊接疲勞現(xiàn)象的出現(xiàn)，在焊接接頭的設(shè)計(jì)過程中，工作人員進(jìn)行了多項(xiàng)努力。同時(shí)，金屬材料焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能會(huì)在很大程度上受到母材材料抗拉強(qiáng)度的影響。母材、填充焊接及熱影響區(qū)的疲勞特性各不相同，為了提高焊接結(jié)構(gòu)的良好性能，設(shè)計(jì)人員就要選擇合適的材料進(jìn)行搭配。除此之外，焊接的受熱過程也會(huì)導(dǎo)致焊縫的殘余應(yīng)力以及金屬軟化等其他問題，這也會(huì)使焊接結(jié)構(gòu)的疲勞極限大大降低。（2）影響因素介紹。鋁合金焊接接頭疲勞現(xiàn)象的產(chǎn)生是多方面因素共同作用的結(jié)果。眾所周知，不同的接頭形式也會(huì)不同，這使得接頭的應(yīng)力流線也會(huì)產(chǎn)生較大的不同。如果接頭的應(yīng)力流行所受到的干擾較小，那其疲勞性能也就較好。其次，在接頭的焊接過程中，由于各種主客觀限制性因素的影響，總會(huì)存在一些焊接缺陷。這些缺陷的種類不同，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生，這也會(huì)間接影響疲勞強(qiáng)度。另外、鋁合金焊接材料的疲勞試驗(yàn)表明，焊縫的突出部分實(shí)際上是應(yīng)力集中的源泉，如果焊接后不進(jìn)行一定的機(jī)械加工，疲勞強(qiáng)度也會(huì)大大降低。最后，荷載情況作為影響焊接接頭的疲勞壽命的首要因素，應(yīng)力幅是十分重要的。由于焊接工藝以及自身特性的原因，鋁合金焊接接頭焊接過程中很容易形成氣孔和渣，工藝不當(dāng)也會(huì)造成坍塌和燒穿。加上焊接過程中很難觀測(cè)熔斷和凝固時(shí)鋁合金顏色的變化等。這些都會(huì)影響鋁合金焊接接頭的疲勞性能。

3 鋁合金焊接接頭疲勞性能測(cè)試

（1）測(cè)試方法。在室內(nèi)疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，主要采用MTS810型號(hào)的材料疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)以及PLG-200的高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)。采用的試件尺寸和焊接接頭形式如圖1所示，材料為A7N01S-T5鋁合金，主要采用焊低溫釬焊接方法，試件的材料的集合尺寸與試驗(yàn)設(shè)備之間存在夾具的裝配關(guān)系，最好采用四點(diǎn)彎曲加載方式，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度為20~30℃之間，空氣較為干燥，并沒有潮濕腐蝕性的氣氛。除此之外，鋁合金焊接接頭疲勞性能測(cè)試方法還有很多。（2）疲勞試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用了成組法數(shù)據(jù)處理法、升降法數(shù)據(jù)處理法、P-S-N曲線方程等。其中，成組法數(shù)據(jù)處理法應(yīng)用過程中，主要選擇了73 MPa、83 MPa、93 MPa三種應(yīng)力水平的角接接頭進(jìn)行組法實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1）。由此可以看出，應(yīng)力水平在73 MPa左右的角接接頭的疲勞性能更好。

圖1 試件尺寸和焊接接頭形式圖

另外，升降法數(shù)據(jù)處理法選取一級(jí)應(yīng)力水平開始實(shí)驗(yàn)，按照升降法的基本要求，應(yīng)力級(jí)差應(yīng)選擇疲勞極限的3%~5%。對(duì)于角接，選取級(jí)差為4 MPa。由此表明，鋁合金焊接接頭疲勞性能也會(huì)受到應(yīng)力水平的影響。一般，焊接接頭附近區(qū)域的應(yīng)力集中、殘余拉伸應(yīng)力和焊接缺陷等是造成疲勞性能偏差的主要影響因素。要想提高鋁合金焊接接頭疲勞性能，就要合理控制這些因素。

4 提高鋁合金焊接接頭疲勞性能的措施

接頭形式、焊接缺陷以及殘余應(yīng)力是影響焊接接頭疲勞性能的重要因素。提高鋁合金焊接接頭疲勞性能是保證高速列車結(jié)構(gòu)合理、順利運(yùn)營的重要基礎(chǔ)。建議從以下方面提高焊接接頭疲勞性能，做好材料的選擇工作。（1）在母材、填充焊接及熱影響區(qū)的選擇上，要做好合理搭配，保證應(yīng)力水平合理，從而防止各種焊接缺陷的產(chǎn)生。（2）要做好鋁合金焊接接頭的焊接工作，選用合理的焊接器具，采用高超的焊接工藝，做好焊接工作，盡量避免疲勞裂紋的產(chǎn)生。（3）要合理安排焊接接頭形式和結(jié)構(gòu)尺寸，保證焊接處疲勞性能滿足要求。

表1 鋁合金角接接頭的疲勞性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

鋁合金焊接接頭的疲勞性能會(huì)對(duì)高速列車的使用產(chǎn)生較大影響。做好鋁合金焊接工作，防止鋁合金焊縫出現(xiàn)裂紋。高速列車設(shè)計(jì)人員應(yīng)該高度重視疲勞裂縫問題，優(yōu)化焊接接頭設(shè)計(jì)工作，提升接頭抗疲勞性能，促進(jìn)列車順利運(yùn)營，進(jìn)而保證我國道路交通事業(yè)順利發(fā)展。

[1] 蘇暢.鋁合金熔鑄過程智能配料方法的研究[D].機(jī)械科學(xué)研究總院,2015.

[2] 李平,孫振宇,王祝堂. 鋁合金軌道車輛結(jié)構(gòu)及合金性能(1)[J].輕合金加工技術(shù). 2012(07).

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