中车唐山机车车辆有限公司 河北唐山 064000
摘要：铝合金具有密度低、比强的优点，在高速动车组车体制造中得到了广泛的应用。以某为动车例，除头车车体包含流线形司机室铝结构以外，中间车车体主要由底架、左侧墙、右侧墙、车顶及端墙五大部件组焊而成。因此，高速动车组制造的核心是铝合金焊接技术。铝合金由于导热系数大，热在焊接过程中容易传导。此外，焊缝熔池金属与母材的熔化状态为白色，难以区分加工人员和难以焊接。焊接后，焊缝表面容易出现气孔、咬边、裂纹等缺陷。焊缝内部容易出现未熔合、未焊透、咬边和气孔等缺陷。这些缺陷的存在可以相当于焊缝有不同的焊接质量，和焊接缺陷会引起局部应力集中，特别是在有缺陷的高应力集中区域焊趾或根，从而进一步加剧这些危险的疲劳应力集中的位置和严重影响焊接接头的疲劳强度。
关键词：铝合金；焊接缺陷；等效裂纹；结构应力法；疲劳寿命；
由铝合金型材焊接而成的高速列车车体，如考虑焊缝处初始焊接缺陷的存在，将造成焊缝质量等级的不同，进而造成其抗疲劳能力产生差异。为寻求在设计阶段能较准确地预测含初始焊接缺陷的动车组车体疲劳寿命的评估方法。
一、等效结构应力法特点
1.为保证结构应力对单元类型、网格形状及尺寸不敏感，依据有限元分析结果提取焊缝的节点力，将节点载荷基于功等效变换为单元边上的分布线载荷，依据结构力学理论求出结构应力。
2.基于结构应力计算缺口应力强度因子，对Paris裂纹增长定律进行修正，将由于缺口效应而导入的短裂纹增长速率与长裂纹增长速率统一起来，获得从极小裂纹到最终失效的以等效结构应力幅为参数的焊缝疲劳寿命预测数学表达式。
二、结构应力数值计算
如图１所示，假定有限元板壳单元中沿着节点１和节点２（距离为l）之间的直线为焊线，板单元的厚度方向为平面的内向或外向，相应的节点力和弯矩在有限元分析后，通过提取焊线上面或下面单元的节点力和弯矩得到。如果没有面外弯曲载荷，这里只通过节点１和节点２在y方向的节点力Fy１和Fy２来确定垂直于焊线的结构应力。y方向沿焊线每单位厚度的线力在节点１处取值为f y１，在节点２处取值为f y２，建立力平衡和弯矩平衡方程。
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图１线力和线弯矩的定义（线性单元）
当应力梯度不剧烈变化时，只要单元形状比较规则，基于单个单元的线力和弯矩就可以得到很好的结果。然而，在对实际工程结构建模时，沿着焊缝的单元尺寸和形状通常会变化很大，同时也是应力梯度较高的位置。在这种情况下，要考虑整条曲线焊缝或一段焊缝的节点力平衡，同理，通过建立弯矩平衡方程组获得焊趾单元的线弯矩。
三、含有焊接缺陷铝合金试件的疲劳寿命计算及实验对比
铝合金焊接缺陷有多种类型，高速列车制造企业重点关注的有未焊透、未熔合、咬边、气孔等缺陷。鉴于较为明显的焊接缺陷易于通过仪器或肉眼识别，不易发生漏检现象，故在研究中所涉及的焊接缺陷（尺寸及形状）均为评定标准ISO10042—2005中的最高等级。焊接试件材料为6082铝合金，尺寸为300 mm×150 mm×8 mm，焊接时采用熔化极惰性气体保护焊多层焊工艺。焊前进行坡口打磨并清理坡口，预热温度为100℃，层间温度控制在100℃以下。通过采用特殊的焊接工艺在试件焊缝处形成未焊透、未熔合、咬边等焊接缺陷，缺陷的等级按ISO10042—2005进行评定，均为最高等级（B级）。参照GB／T13816—1992枟焊接接头脉动拉伸疲劳试验方法枠，分别对带有未焊透、未熔合、咬边焊接缺陷的多组焊接试件进行脉动拉伸疲劳试验，以确定循环寿命约为5×106次时的应力水平，试验采用的循环应力比R＝０.１。参照试件尺寸几何模型，建立三维几何模型，单元长度为１mm，网格数量140173个，节点数121968个。参照疲劳实验时的加载方式进行加载，基于美国ASM E标准中的等效结构应力法，获得带有不同焊接缺陷铝合金焊接试件与等值疲劳寿命含初始微裂纹试件的对应关系，将带有不同焊接缺陷铝合金焊接试件的疲劳寿命等效于初始裂纹长度（以等效初始裂纹长度a与试件板厚t的比值表示）。计算结果显示：对于含有未焊透焊接缺陷试件，其疲劳寿命与含有初始裂纹（a／t＝０.０６，选用铝５０％可靠度的ΔS‐N曲线）试件相同；对于含有未熔合焊接缺陷试件，其疲劳寿命与含有初始裂纹（a／t＝０.０１，选用等效结构应力法中的铝９９％可靠度＋３σ的ΔS‐N曲线）试件相同；对于含有咬边焊接缺陷试件，其疲劳寿命与含有初始裂纹（a／t＝０.０５，选用铝９９％可靠度＋３σ的ΔS‐N曲线）试件相同。
四、含初始焊接缺陷动车组铝合金车体焊缝疲劳寿命预测
某型号动车组中间车车体主要由底架、左侧墙、右侧墙、车顶及端墙五大部件组焊而成。首先对车体进行包括重要焊缝在内的整体建模。有限元模型网格划分主要采用四节点壳单元（SHELL63）。车体整体模型离散为864137 个节点，998332 个单元，其中，重要焊缝的建模质量控制，完全符合ASM E（2007）标准要求。结合制造企业要求，最终确定车体疲劳损伤预测部位是位于底架、侧墙、车顶多条焊缝，这些焊缝在焊接过程中有可能存在未焊透、未熔合、咬边等３种焊接缺陷，这３种缺陷按ISO10042—2005进行评定均为B级，根据结构应力法基本理论，某条焊缝疲劳寿命是由计算模型中该条焊缝各个节点等效结构应力的最大值决定的，且焊接缺陷发生在各条焊缝等效结构应力的最大位置处。因为所使用的疲劳计算软件Fe‐weld能够自动计算出模型中某条焊缝的等效结构应力的最大位置，因此在计算中无须给定焊接缺陷的尺寸，只需在软件中给定不同焊接缺陷的疲劳寿命与含有初始裂纹试件的等效值（a／t的值）即可。根据BS EN 12663‐1：2010标准的规定，对车体进行疲劳试验时，客运车辆纵向加速度为±０.１５g，横向加速度为±０.１５g，垂向加速度为（１±０.１５）g。根据实际疲劳实验加载方式以及企业要求，对该车体有限元模型进行疲劳加载，主要考虑以下工况：工况一：纵向（X方向）０.３g加速度；工况二：垂向（Y方向）０.３g加速度；工况三：横向（Z方向）０.３g加速度。参考上述标准对模型进行加载，根据有限元分析计算结果，提取各工况节点力，计算各焊缝结构应力及等效结构应力。从焊线起点到焊线终点的展开方向为横坐标，结构应力及等效结构应力为纵坐标，其值与焊线上节点位置一一对应；结构应力用来判断应力集中，等效结构应力用来计算疲劳寿命，单位均为M Pa。根据车体在垂向载荷、纵向荷以及横向载荷作用下的有限元应力分析结果，依据线性累积疲劳损伤理论计算车体焊缝的疲劳累积损伤值。将反求出的不同焊接缺陷对应的等效裂纹对计算模型进行修正：在计算过程中选择脉动载荷谱，并分别选用材料为铝的＋３σ及５０％主S‐N曲线，对于含有未焊透焊接缺陷试件，计算时选择a／t＝０.０６；对于含有未熔合焊接缺陷试件，计算时选择a／t＝０.０１；对于含有咬边焊接缺陷试件，计算时选择a／t＝０.０５。对于高速动车组中间车车体，计算结果显示：所评估焊缝在不含有焊接缺陷的情况下，其疲劳累积损伤值均小于１，说明该车体中所有被评估焊缝部位的抗疲劳性能达到设计要求。但考虑车体焊缝存在未焊透、咬边、未熔合等初始焊接缺陷情况下，相对于焊缝不存在初始焊接缺陷时，该焊缝的累积损伤值均有明显降低，其中未焊透缺陷对焊缝的疲劳性能（累积损伤值）影响最大（接近６５％），未熔合缺陷影响次之（接近５５％），咬边缺陷影响最小（也在４０％以上）。累计损伤值的变化说明初始焊接缺陷的存在明显降低产品的抗疲劳特性。
总之
铝合金材料在焊接时易产生多种焊接缺陷，而焊接缺陷的存在将明显影响焊缝处的抗疲劳性能。
参考文献：
［１］张志．CRH３铝合金高速动车组焊接技术.2018.
［2］李海鹏．焊接缺陷对动车组铝合金车体疲劳寿命影响研究.2018.