基于修正FKM標準的高海拔車輛部件焊接結構的評價

劉 飛，張永貴，曾祥浩

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001)

隨著蘭新高鐵的開通以及中歐班列的常態化，越來越多的軌道車輛運用在我國西部高海拔地區，高海拔地區自然氣候條件比較惡劣，空氣壓力和空氣密度低、氣溫低、溫差大、濕度小、太陽輻射高、降水少等對軌道車輛的服役可靠性提出了更高的要求[1-3]。軌道車輛在運行過程中承受復雜多變的多軸載荷，在長期的交變載荷作用下，其關鍵承載部件的應力范圍較大部位易形成疲勞損傷，并逐漸累積直至疲勞破壞而造成不可估量的損失[4]。焊接部位是車輛結構中的薄弱點，車輛焊接結構的疲勞強度將決定整個車輛結構的可靠性[5]，而文獻[6-9]等現有國內外對焊接結構疲勞校核的標準和規范均沒有涉及高海拔地區氣候條件的工況。

高海拔地區氣候條件中，溫度、濕度及太陽輻射會對焊縫有一定的影響，由于焊縫表面都會有涂層保護，故濕度及太陽輻射對焊縫的影響可以忽略不計。鋁合金、不銹鋼等無低溫脆性的面心立方結構材料在低溫環境下的焊縫疲勞性能與常溫基本相當[10-13]，故對于高海拔地區軌道車輛，選用面心立方結構材料時只考慮高低溫環境對焊縫疲勞性能影響即可。本文以軌道車輛上常見的柜體結構為研究對象，基于疲勞強度評價結果較保守的FKM標準，同時考慮高低溫對焊縫疲勞性能的影響，提出了一套適用于高海拔車輛零部件焊接結構的疲勞強度評價方法。

1 柜體結構簡介

圖1為運用于高海拔地區的某動車組典型柜體結構，其主要材質為6005A-T6鋁合金，基本機械性能參數為：密度2.6×10-6kg/mm3、彈性模量70 GPa、泊松比0.33、屈服強度215 MPa、抗拉強度270 MPa。

圖1 動車組典型柜體結構

6005A-T6鋁合金材料的名義S-N曲線取自FKM標準，如圖2所示。圖2中的曲線有2個拐點，拐點的坐標分別為(ND,σ，σAK)和(ND,σ，Ⅱ，σAK，Ⅱ)，且σAK，Ⅱ=0.74σAK。根據FKM標準，6005A-T6鋁合金母材對應的106次循環下的疲勞極限σAK=80 MPa，108次循環下的疲勞極限σAK，Ⅱ=59.2 MPa。

Kσ、KD，σ.S-N曲線斜率。圖2 FKM標準中鋁合金疲勞曲線

2 有限元仿真及應力計算

對上述柜體結構進行模型簡化和網格劃分，并采用GB/T 21563—2008《軌道交通 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》中規定的工況組合對其進行疲勞仿真分析。為了減少計算時間，將加速度的功率譜密度函數轉化為均方根值，并將對應方向的均方根值作為靜力載荷進行分析，轉化后的載荷工況如表1所示。

表1 GB/T 21563—2008中規定的載荷工況組合 m/s2

3 焊縫疲勞校核的FKM標準高低溫修正

3.1 FKM標準的焊縫校核方法

FKM標準是目前國際上使用較多的一種焊接疲勞強度評估標準，該標準綜合考慮了構件材料、焊接接頭細分類別、表面處理情況、殘余應力、載荷等影響因素。FKM標準中，焊接接頭細分類別和板厚因子與國際焊接協會IIW標準的參數類似；焊接接頭疲勞等級由焊接接頭形式和焊縫疲勞裂紋出現的位置決定；板厚因子根據接頭類型和連接件厚度確定。FKM標準提供了常見的表面處理方法，并針對這些方法給出了表面處理因子的上下限，可以在給定的范圍內選取合適的值。FKM標準中默認焊縫疲勞存活率為97.5%，通過焊縫的強度利用度來判定是否滿足要求，結構最小循環次數為5×106，焊縫的強度利用度aBK,σ可定義為：

(1)

式中：σBK——焊縫處的疲勞許用應力；

jerf——材料的總利用度系數；

σa,L——焊縫處實際承載的應力幅(半幅)。

在FKM標準中，焊縫疲勞許用應力σBK綜合考慮了焊縫材料類型、循環次數、厚度因子等因素，定義為：

σBK=FAT·fFAT,σ·ft·KAK·KE,σ·KBK·KV·KNL

(2)

式中：FAT——焊縫疲勞等級；

fFAT,σ——疲勞等級轉換系數，對于常幅疲勞，取值為0.37；

ft——厚度因子，焊接金屬厚度t<25 mm時，取值為1；

KAK——平均應力因子；

KE,σ——殘余應力因子；

2.畜禽產品流通不暢。一是養殖戶沒有進入流通領域參與流通，在一定程度上存在著畜禽產品“買難”、“賣難”問題；二是畜牧業生產尚未完全納入商品經濟軌道，分散經營、粗放管理，批量小、質量低的產品經濟弊端仍未完全克服；三是畜禽產品加工業發展慢，仍停留在低層次上，龍頭企業活力不足；四是市場建設仍不完善，資金、物資、信息、技術等生產要素市場還未形成，一定程度上制約著畜牧業市場機制的發展進程。

KBK——變幅疲勞強度因子；

KV——表面處理因子，通常取值為1.0～2.0，保守校核一般取值為1.0；

KNL——材料常數，通常取值為1.0。

式(2)中的平均應力因子KAK的計算公式為：

(3)

其中：

σm/σa=(1+Rσ)/(1-Rσ)

(4)

式中：Mσ——中等殘余應力因子，Mσ=0.3；

Rσ——應力比，一般取值為-1。

(5)

k——斜率。

3.2 高低溫環境對焊縫疲勞強度的影響

為了探究高低溫環境對焊縫疲勞強度的影響，對6005A-T6鋁合金的焊接試樣按GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》規定分別在室溫及高低溫環境下進行對接焊縫疲勞試驗。加載應力比為0.1，高低溫環境條件為-50～50 ℃，溫度循環周期為6 h，實測S-N曲線結果如圖3所示。從圖3可以看出，當以107周次為疲勞極限時室溫下的焊縫疲勞強度為105 MPa，而高低溫條件下的焊縫疲勞強度為95 MPa，比室溫略低。

圖3 不同環境6005A-T6焊縫的實測S-N曲線

實測的疲勞極限值一般都比校核標準中的規定值高，這是由于為了確保安全，標準對名義值都規定得比較低，同時由于冶煉加工技術的發展，材料的性能也越來越來高了。故在室溫條件下焊縫實測的107周次時的疲勞極限值(105 MPa)高于FKM中規定的106周次的疲勞極限值(40 MPa)。為了保證標準使用的一致性，在后續焊縫強度校核中還是使用FKM中規定的40 MPa。

3.3 焊縫疲勞校核的FKM標準高低溫修正

為了使FKM標準能夠適用高海拔地區服役的軌道車輛的焊縫疲勞校核，需考慮高低溫環境影響對其焊縫疲勞許用應力進行修正，即：

σBK，N=σBK·KT

(6)

式中：σBK，N——修正的焊縫疲勞許用應力；

KT——高低溫修正系數，6005A-T6鋁合金取值為0.9。

4 焊縫疲勞校核結果

焊縫校核主要有2個步驟：

(1) 根據GB/T 21563—2008確定疲勞工況，通過疲勞分析得到應力；

(2) 基于修正后的FKM標準規定的應力轉換公式和S-N曲線進行疲勞校核。

柜體結構復雜，所涉及的焊縫形式主要有對焊、L型焊、T型焊和搭接焊，根據FKM標準中規定的許用應力計算方法以及高低溫修正系數，在高海拔環境下，6005A-T6鋁合金上述4種焊接形式對應的修正后的疲勞許用應力分別為21 MPa、21 MPa、21 MPa、18.9 MPa。

結合仿真所得的主應力結果與各焊縫修正后的疲勞許用應力，對焊縫的疲勞強度進行校核，并將結果進行可視化顯示，如圖4～圖6所示。從圖4～圖6可知，柜體結構在縱向、垂向及橫向疲勞工況下的焊縫利用度最大值分別為0.063、0.189和0.110，且未出現在同一位置。整個柜體的焊縫疲勞利用度為0.362，安全系數為2.76，表明柜體結構強度滿足高海拔地區的使用要求。

圖4 縱向疲勞工況下柜體焊縫的疲勞利用度

圖5 垂向疲勞工況下柜體焊縫的疲勞利用度

圖6 橫向疲勞工況下柜體焊縫的疲勞利用度

5 結論

(1) 6005A-T6鋁合金的焊縫在室溫及高低溫環境下的疲勞強度分別為105 MPa和95 MPa。

(2) 通過高低溫修正系數修正FKM標準中的焊縫疲勞許用應力，使得修正后的FKM標準能夠適用于高海拔地區軌道車輛焊接結構的強度校核。

(3) 通過焊縫疲勞校核，現有高海拔地區軌道車輛的柜體結構滿足標準要求，并且安全系數較大，存在一定的優化減重空間。