高速列车铝合金焊接接头疲劳性能分析

利建源，林礼筹（广东南奥交通设备有限公司，广东 江门 529100）



高速列车铝合金焊接接头疲劳性能分析

利建源，林礼筹
（广东南奥交通设备有限公司，广东 江门 529100）

本文对高速列车铝合金焊接接头疲劳性能的影响因素及应对策略进行了探讨，并得出了相应的结论。对提升焊接接头的疲劳性能以及未来高速列车的营运有借鉴作用。

高速列车；铝合金；焊接接头；疲劳性能

1 铝合金焊接技术分析

铝合金焊接技术是高速列车铝合金焊接接头应用过程中的必要技术之一，为高速列车结构之间的连接提供了良好的保障。铝合金的焊接接头是由母材、热影响区、焊缝等组成的，也是一种非均质的材料。具体来说，这三种材料具有以下特点：第一，三个部分的材料性能相似，焊缝的性能与母材和热影响区的性能并不相同；第二，母材、热影响区、焊缝具有不同的材料性能；第三，母材和焊缝的材料性能相似，热影响区的性能不同。铝合金焊接技术的应用有效地将不同的结构部分连接起来，促进结构整体作用的发挥。

2 铝合金焊接接头的疲劳性能分析

（1）铝合金疲劳性能情况分析。焊接结构的连接性能好，其连接方式的可行性较高，能够广泛应用于高速列车车体的制造中。例如，高速列车的侧墙板、梁以及底架连接处通过焊接方式来完成。在运行过程中，焊接结构承受这循环往复的动载荷，在较低的应力情况下很容易产生疲劳破坏。在焊接结构中，如果产生疲劳，一般在焊接接头的部位会出现严重的应力集中，这使得接头也成为最容易发生疲劳破坏。为了尽力避免焊接疲劳现象的出现，在焊接接头的设计过程中，工作人员进行了多项努力。同时，金属材料焊接结构的疲劳性能会在很大程度上受到母材材料抗拉强度的影响。母材、填充焊接及热影响区的疲劳特性各不相同，为了提高焊接结构的良好性能，设计人员就要选择合适的材料进行搭配。除此之外，焊接的受热过程也会导致焊缝的残余应力以及金属软化等其他问题，这也会使焊接结构的疲劳极限大大降低。（2）影响因素介绍。铝合金焊接接头疲劳现象的产生是多方面因素共同作用的结果。众所周知，不同的接头形式也会不同，这使得接头的应力流线也会产生较大的不同。如果接头的应力流行所受到的干扰较小，那其疲劳性能也就较好。其次，在接头的焊接过程中，由于各种主客观限制性因素的影响，总会存在一些焊接缺陷。这些缺陷的种类不同，会导致应力集中现象的产生，这也会间接影响疲劳强度。另外、铝合金焊接材料的疲劳试验表明，焊缝的突出部分实际上是应力集中的源泉，如果焊接后不进行一定的机械加工，疲劳强度也会大大降低。最后，荷载情况作为影响焊接接头的疲劳寿命的首要因素，应力幅是十分重要的。由于焊接工艺以及自身特性的原因，铝合金焊接接头焊接过程中很容易形成气孔和渣，工艺不当也会造成坍塌和烧穿。加上焊接过程中很难观测熔断和凝固时铝合金颜色的变化等。这些都会影响铝合金焊接接头的疲劳性能。

3 铝合金焊接接头疲劳性能测试

（1）测试方法。在室内疲劳试验机上进行试验，主要采用MTS810型号的材料疲劳试验系统以及PLG-200的高频疲劳试验机系统。采用的试件尺寸和焊接接头形式如图1所示，材料为A7N01S-T5铝合金，主要采用焊低温钎焊接方法，试件的材料的集合尺寸与试验设备之间存在夹具的装配关系，最好采用四点弯曲加载方式，实验室内温度为20~30℃之间，空气较为干燥，并没有潮湿腐蚀性的气氛。除此之外，铝合金焊接接头疲劳性能测试方法还有很多。（2）疲劳试验。在实验过程中，采用了成组法数据处理法、升降法数据处理法、P-S-N曲线方程等。其中，成组法数据处理法应用过程中，主要选择了73 MPa、83 MPa、93 MPa三种应力水平的角接接头进行组法实验（实验数据如下表1）。由此可以看出，应力水平在73 MPa左右的角接接头的疲劳性能更好。

图1 试件尺寸和焊接接头形式图

另外，升降法数据处理法选取一级应力水平开始实验，按照升降法的基本要求，应力级差应选择疲劳极限的3%~5%。对于角接，选取级差为4 MPa。由此表明，铝合金焊接接头疲劳性能也会受到应力水平的影响。一般，焊接接头附近区域的应力集中、残余拉伸应力和焊接缺陷等是造成疲劳性能偏差的主要影响因素。要想提高铝合金焊接接头疲劳性能，就要合理控制这些因素。

4 提高铝合金焊接接头疲劳性能的措施

接头形式、焊接缺陷以及残余应力是影响焊接接头疲劳性能的重要因素。提高铝合金焊接接头疲劳性能是保证高速列车结构合理、顺利运营的重要基础。建议从以下方面提高焊接接头疲劳性能，做好材料的选择工作。（1）在母材、填充焊接及热影响区的选择上，要做好合理搭配，保证应力水平合理，从而防止各种焊接缺陷的产生。（2）要做好铝合金焊接接头的焊接工作，选用合理的焊接器具，采用高超的焊接工艺，做好焊接工作，尽量避免疲劳裂纹的产生。（3）要合理安排焊接接头形式和结构尺寸，保证焊接处疲劳性能满足要求。

表1 铝合金角接接头的疲劳性能测试结果

5 结语

铝合金焊接接头的疲劳性能会对高速列车的使用产生较大影响。做好铝合金焊接工作，防止铝合金焊缝出现裂纹。高速列车设计人员应该高度重视疲劳裂缝问题，优化焊接接头设计工作，提升接头抗疲劳性能，促进列车顺利运营，进而保证我国道路交通事业顺利发展。

[1] 苏畅.铝合金熔铸过程智能配料方法的研究[D].机械科学研究总院,2015.

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