Comparative Analysis of Fatigue Performance Testing Standards for Aluminum Alloy WeldedJointsin Rail Transit Vehicles

LIWenxia ZHANG XiangjieLI Bing XU Hongwei （CRRCQingdao SifangCo.，Ltd.）

Abstract：Withthe developmentofrail transitvehicles inChina，higherand higher requirements have beenput forward forthe materials used inrail transit vehicles.The fatigue performance of aluminum allywelded joints has an important impact on the service performance of aluminum alloys.It isof great signifcance to study and test the fatigue performance of aluminum aloy welded joints.This article summarizes andanalyzes the relevant standards for thefatigueperformance of aluminum aloy welded joints used inrail transitvehicles，comprehensively determines the standards that need tobe comparedandanalyzed，andomprehensivelycomparesandanalyzes thediferences intermsof thescopeofaplicatioof the standards，sampleselection，sample processing，loadconditions，testing methods，andotheraspects，providingreference for the development of fatigue performance testing plans for aluminum alloy welded joints used inrail transit vehicles. Keywords：rail transit vehicles;aluminumalloy welded joints;fatigue performance testing;standardscomparison

0 引言

度小、比強(qiáng)度高、易于加工成型、具有良好的耐腐蝕性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城際列車(chē)、地鐵和高速列車(chē)等車(chē)體及關(guān)鍵零部件上。焊接作為輕量化制造的主要連接技術(shù)之一，由于局部熱循環(huán)的

隨著我國(guó)軌道車(chē)輛的快速發(fā)展，對(duì)軌道車(chē)輛的用材提出了越來(lái)越高的要求，鋁合金由于具有密作用導(dǎo)致焊接接頭結(jié)構(gòu)、組織、力學(xué)性能的不均勻性，同時(shí)由于焊接殘余應(yīng)力和變形的存在影響鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的服役性能。鋁合金焊接結(jié)構(gòu)中，大部分?jǐn)嗔咽怯沙惺苤貜?fù)性載荷的焊接接頭處疲勞破壞引起的，鋁合金焊接接頭的疲勞性能已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注，測(cè)量鋁合金型材焊接接頭的疲勞性能，提出評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化及完整性評(píng)估具有重要的價(jià)值，本文通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外疲勞性能的標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了對(duì)比分析研究，為軌道車(chē)輛用鋁合金焊接疲勞性能測(cè)試方案的制定提供了參考。

綜合分析確定所要對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于金屬材料軸向力控制方法的疲勞強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，主要包括ISO1099—2017，Metallic materials-Fatigue testing—Axial force-controlled method、ASTM E466—2015，Standardpractice for conducting forcecontrolled constantamplitude axial fatigue tests of metallic materials、GB/T3075—2021《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》[3]、GB/T 37616—2019《鋁合金擠壓型材軸向力控制疲勞試驗(yàn)方法》4。其中，ISO 1099—2017和GB/T3075—2021的技術(shù)條款基本一致，但與ASTME466—2015在試樣尺寸規(guī)范、數(shù)據(jù)處理、試驗(yàn)頻率等方面具有明顯的區(qū)別，GB/T37616—2019主要用于鋁合金型材的疲勞試驗(yàn)，在試樣尺寸規(guī)定、試樣加工方法、疲勞數(shù)據(jù)處理方面與其他標(biāo)準(zhǔn)存在明顯區(qū)別，ISOTR14345—2012是針對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)技術(shù)報(bào)告，重點(diǎn)側(cè)重于如何取樣、焊接殘余應(yīng)力的影響以及焊接變形的影響等。因此，

選擇ASTME466—2015、ISO1099—2017、ISOTR 14345—2012和GB/T37616—2019進(jìn)行比較研究。

2 標(biāo)準(zhǔn)差異性對(duì)比分析

從標(biāo)準(zhǔn)適用范圍、試樣選擇、試樣加工、載荷條件、測(cè)試方法等方面對(duì)ASTME466—2015、ISO1099—2017、GB/T37616—2019和ISOTR14345—2012四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，差異主要集中在以下幾個(gè)方面。

2.1適用范圍

ASTME466—2015適用于金屬材料室溫下軸向循環(huán)載荷應(yīng)力疲勞強(qiáng)度測(cè)試，試樣可為無(wú)缺口試樣或帶缺口試樣；IS01099—2017適用于室溫下金屬材料試樣（沒(méi)有引入應(yīng)力集中）軸向等幅力控制疲勞試驗(yàn)的條件，由于缺口試樣的形狀和尺寸沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，因此本標(biāo)準(zhǔn)不適用含缺口試樣的疲勞試驗(yàn)。IS0TR14345—2012這個(gè)技術(shù)報(bào)告可以指導(dǎo)焊接結(jié)構(gòu)的常幅或變幅載荷下中周和高周疲勞壽命，施加的載荷不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，不適用低周疲勞試驗(yàn)。GB/T37616—2019規(guī)定了室溫 （10～35^°C） ）下鋁合金擠壓型材受軸向等幅力控制疲勞試驗(yàn)方法，用于規(guī)定應(yīng)力水平下的疲勞壽命測(cè)定、規(guī)定循環(huán)次數(shù)條件下的疲勞強(qiáng)度、S-N曲線(xiàn)、P-S-N曲線(xiàn)及Goodman曲線(xiàn)測(cè)定，提出了單點(diǎn)法、成組法和升降法的測(cè)試步驟及數(shù)據(jù)處理方法，見(jiàn)表1。

2.2試樣選擇

ASTME466—2015標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了4種類(lèi)型的疲勞試樣：圓形等截面試樣、圓形單截面試樣、矩形等截面試樣和矩形單截面試樣。ISO1099—2017標(biāo)準(zhǔn)推薦采用等截面圓形或矩形試樣，不建議使用單截面的矩形或圓形截面疲勞試樣。ISOTR14345—2012標(biāo)準(zhǔn)推薦采用全厚度的矩形等截面試樣。GB/T37616一2019標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了圓形單截面試樣、圓形等截面試樣、矩形單截面試樣、矩形等截面試樣。上述標(biāo)準(zhǔn)共同推薦的試樣為矩形等截面試樣，適用于鋁合金型材焊接接頭疲勞性能測(cè)試，但是每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣尺寸的適用范圍及尺寸比例規(guī)定也有不同，以圖1的試樣尺寸進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表2。

2.3試樣加工

ASTME466—2015要求在最后加工量還剩0.125mm 厚時(shí)，采用外圓磨削法去除 0.1mm ，每道厚度不超過(guò) 0.005mm ；沿著縱向拋光去除0.025mm ，表面粗糙度最大不超過(guò) ，所有的機(jī)加工、研磨和拋光去除材料的方向平行試樣的長(zhǎng)度方向，對(duì)于矩形橫截面試樣，沒(méi)有要求棱邊倒角。ISO1099—2017的試樣加工與ASTME466—2015標(biāo)準(zhǔn)要求相同。

ISOTR14345—2012標(biāo)準(zhǔn)要求保留試樣全厚度以及焊縫余高，如果焊接導(dǎo)致試樣變形，應(yīng)進(jìn)行矯平，如果發(fā)生錯(cuò)邊，需要計(jì)算錯(cuò)邊導(dǎo)致的二次彎曲應(yīng)力，從而計(jì)算應(yīng)力幅，需要測(cè)量焊縫的尺寸，尤其是焊趾處的接觸角和過(guò)渡半徑。

GB/T37616—2019標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋁合金型材厚度在15～40mm 范圍加工圓形試樣，在厚度中心位置取樣，通過(guò)3次粗加工深度分別為 1.25mm，0.75mm 和

0.25mm ，加工到 d+0.5mm 后，在每次粗加工深度為0.12mm?0.07mm 和 0.05mm 加工到 d+0.2mm ，然后沿軸向拋光到標(biāo)稱(chēng)尺寸，表面粗糙度不大于0.32um ，4個(gè)棱邊需要倒角，半徑為 0.1～0.2mm 。

2.4載荷條件

從載荷類(lèi)型、控制方式、載荷譜要求、加載頻率4個(gè)方面對(duì)比分析ASTME466—2015、SO1099—2017、ISO TR14345—2012、GB/T37616——2019方面的不同，見(jiàn)表3。

2.5測(cè)試方法

ASTME466—2015和ISO1099—2017標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的測(cè)試方法，只是規(guī)定了試驗(yàn)結(jié)束條件。ISOTR14345—2012標(biāo)準(zhǔn)提出疲勞強(qiáng)度的確定以 2×10 或10作為參考?jí)勖?，疲勞?qiáng)度的測(cè)試方法采用升降法，有效試樣數(shù)為11＼～15件。

GB/T37616—2019標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用成組試驗(yàn)法測(cè)定疲勞壽命，即測(cè)定中壽命區(qū)某一應(yīng)力水平下的中值疲勞壽命和規(guī)定存活率的疲勞壽命，每組試樣不少于3個(gè)，采用升降試驗(yàn)法測(cè)量疲勞強(qiáng)度，即測(cè)定長(zhǎng)壽命規(guī)定循環(huán)次數(shù)10下的中值疲勞強(qiáng)度和規(guī)定存活率的疲勞時(shí)強(qiáng)度，一般需要有效試樣15件左右，同時(shí)也提出了單點(diǎn)SN曲線(xiàn)的測(cè)定方法。

3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

通過(guò)以上對(duì)比分析可知：從范圍來(lái)看ASTM E466—2015適用于金屬材料室溫下軸向循環(huán) 載荷應(yīng)力疲勞強(qiáng)度測(cè)試，試樣有無(wú)缺口均可，而 ISO1099—2017則不適用含缺口試樣的疲勞試 驗(yàn)，ISOTR14345—2012適用于焊接材料，GB/ T37616—2019規(guī)定了僅在室溫（ 10～35^°C ）下鋁合 金擠壓型材受軸向等幅力控制疲勞試驗(yàn)方法，而

ASTME466—2015和IS01099—2017沒(méi)有此室溫 要求。從試樣選擇來(lái)看ASTME466—2015和GB/ T37616—2019都規(guī)定了圓形等截面試樣、圓形單 截面試樣、矩形等截面試樣、矩形單截面試樣等 4種類(lèi)型的疲勞試樣，而IS01099—2017只規(guī)定 了截面圓形、矩形試樣兩種類(lèi)型疲勞試樣，ISO TR14345—2012標(biāo)準(zhǔn)推薦采用全厚度的矩形等 截面試樣。對(duì)于試樣加工：ASTME466—2015和 ISO1099—2017都規(guī)定了最后加工量還剩0.125 mm 厚時(shí)，采用外圓磨削法去除 0.1mm 。ISO TR 14345—2012標(biāo)準(zhǔn)要求保留試樣全厚度以及焊縫 余高，而GB/T37616—2019規(guī)定鋁合金型材厚度在 15～40mm 范圍加工圓形試樣，表面粗糙度不大于 0.32um ，4個(gè)棱邊需要倒角，半徑為 0.1～0.2mm 試樣加工要求與ASTME466—2015和ISO1099— 2017存在明顯區(qū)別。對(duì)于載荷條件ASTME466— 2015、ISO1099—2017、ISOTR14345—2012 GB/T37616—2019也各不相同，ISOTR14345— 2012載荷類(lèi)型和控制方式分別為焊接部件承受的 疲勞載荷、結(jié)合焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與其他標(biāo)準(zhǔn)存在明 顯區(qū)別，載荷譜要求ASTME466—2015未明確， 其余標(biāo)準(zhǔn)做了相關(guān)要求，IS01099—2017載荷條件 上限為 300Hz ，高于A(yíng)STME466—2015的 100Hz 和 GB/T37616—2019的 200Hz 。最后測(cè)試方法ASTM E466—2015和IS01099—2017沒(méi)有規(guī)定測(cè)試方 法，只規(guī)定了試驗(yàn)結(jié)束條件，而GB/T37616—2019 規(guī)定了成組試驗(yàn)法、升降試驗(yàn)法等試驗(yàn)方法。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比析軌道交通車(chē)輛用鋁合金焊接接頭疲勞性能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，著重從適用范圍、試樣選擇、試樣加工、載荷條件、測(cè)試方法等進(jìn)行了差異性分析，通過(guò)分析可知試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)選擇應(yīng)結(jié)合軌道交通鋁合金型材焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊后尺寸特征、載荷條件、試驗(yàn)方法選擇等不同條件，選擇ISO1099—2017、ISOTR14345—2012、GB/T37616—2019標(biāo)準(zhǔn)，或者綜合考慮設(shè)計(jì)鋁合金型材焊接接頭疲勞性能測(cè)試的試樣尺寸、加工方法以及疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的測(cè)試方法選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)試驗(yàn)側(cè)重點(diǎn)不同選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鋁合金型材焊接接頭疲勞性能測(cè)試方案及評(píng)價(jià)指標(biāo)。

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