高速列車鋁合金焊接接頭疲勞性能分析

利建源，林禮籌（廣東南奧交通設備有限公司，廣東 江門 529100）

?

高速列車鋁合金焊接接頭疲勞性能分析

利建源，林禮籌
（廣東南奧交通設備有限公司，廣東 江門 529100）

本文對高速列車鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響因素及應對策略進行了探討，并得出了相應的結論。對提升焊接接頭的疲勞性能以及未來高速列車的營運有借鑒作用。

高速列車；鋁合金；焊接接頭；疲勞性能

1 鋁合金焊接技術分析

鋁合金焊接技術是高速列車鋁合金焊接接頭應用過程中的必要技術之一，為高速列車結構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、焊縫等組成的，也是一種非均質的材料。具體來說，這三種材料具有以下特點：第一，三個部分的材料性能相似，焊縫的性能與母材和熱影響區的性能并不相同；第二，母材、熱影響區、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，熱影響區的性能不同。鋁合金焊接技術的應用有效地將不同的結構部分連接起來，促進結構整體作用的發揮。

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。焊接結構的連接性能好，其連接方式的可行性較高，能夠廣泛應用于高速列車車體的制造中。例如，高速列車的側墻板、梁以及底架連接處通過焊接方式來完成。在運行過程中，焊接結構承受這循環往復的動載荷，在較低的應力情況下很容易產生疲勞破壞。在焊接結構中，如果產生疲勞，一般在焊接接頭的部位會出現嚴重的應力集中，這使得接頭也成為最容易發生疲勞破壞。為了盡力避免焊接疲勞現象的出現，在焊接接頭的設計過程中，工作人員進行了多項努力。同時，金屬材料焊接結構的疲勞性能會在很大程度上受到母材材料抗拉強度的影響。母材、填充焊接及熱影響區的疲勞特性各不相同，為了提高焊接結構的良好性能，設計人員就要選擇合適的材料進行搭配。除此之外，焊接的受熱過程也會導致焊縫的殘余應力以及金屬軟化等其他問題，這也會使焊接結構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象的產生是多方面因素共同作用的結果。眾所周知，不同的接頭形式也會不同，這使得接頭的應力流線也會產生較大的不同。如果接頭的應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，總會存在一些焊接缺陷。這些缺陷的種類不同，會導致應力集中現象的產生，這也會間接影響疲勞強度。另外、鋁合金焊接材料的疲勞試驗表明，焊縫的突出部分實際上是應力集中的源泉，如果焊接后不進行一定的機械加工，疲勞強度也會大大降低。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，工藝不當也會造成坍塌和燒穿。加上焊接過程中很難觀測熔斷和凝固時鋁合金顏色的變化等。這些都會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試

（1）測試方法。在室內疲勞試驗機上進行試驗，主要采用MTS810型號的材料疲勞試驗系統以及PLG-200的高頻疲勞試驗機系統。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設備之間存在夾具的裝配關系，最好采用四點彎曲加載方式，實驗室內溫度為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試方法還有很多。（2）疲勞試驗。在實驗過程中，采用了成組法數據處理法、升降法數據處理法、P-S-N曲線方程等。其中，成組法數據處理法應用過程中，主要選擇了73 MPa、83 MPa、93 MPa三種應力水平的角接接頭進行組法實驗（實驗數據如下表1）。由此可以看出，應力水平在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，升降法數據處理法選取一級應力水平開始實驗，按照升降法的基本要求，應力級差應選擇疲勞極限的3%~5%。對于角接，選取級差為4 MPa。由此表明，鋁合金焊接接頭疲勞性能也會受到應力水平的影響。一般，焊接接頭附近區域的應力集中、殘余拉伸應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構合理、順利運營的重要基礎。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的選擇上，要做好合理搭配，保證應力水平合理，從而防止各種焊接缺陷的產生。（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生。（3）要合理安排焊接接頭形式和結構尺寸，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試結果

5 結語

鋁合金焊接接頭的疲勞性能會對高速列車的使用產生較大影響。做好鋁合金焊接工作，防止鋁合金焊縫出現裂紋。高速列車設計人員應該高度重視疲勞裂縫問題，優化焊接接頭設計工作，提升接頭抗疲勞性能，促進列車順利運營，進而保證我國道路交通事業順利發展。

[1] 蘇暢.鋁合金熔鑄過程智能配料方法的研究[D].機械科學研究總院,2015.

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

TG405

A

1671-0711（2016）08（上）-0028-02