6063铝合金T型焊接接头的变形及损伤行为-材料加工工程硕士论文

兰州理工大学 硕士学位论文 6063铝合金T型焊接接头的变形及损伤行为 姓名：徐文福 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：陈剑虹;朱亮 20090501 硕 j 学位论文 摘要 铝合金汽车车身的轻量化是节能环保型汽车的发展方向，开发铝合金新材料，研究 铝合金材料的可焊性，分析铝合金焊接接头力学性能及其变化的规律是研究的热点问 题。角焊缝是焊接结构的主要连接形式之一，在铝车身框架结构的连接中由角焊缝组成 的T 型焊接接头已得到广泛应用，但其组织、性能和受力状态的复杂性影响着整个车身 框架结构的性能。围绕上述问题，通过力学性能试验、微观断口观察与有限元模拟相结 合的方法，对6 0 6 3 铝合金单面角焊缝T 型接头的变形及损伤行为进行了研究： 首先，考虑到挤压材料的各向异性效应，对6 0 6 3 铝合金型材与挤压方向成不同角 度方向上的材料力学性能进行了表征，结果表明：挤压方向对铝合金材料的各向异性影 响较小，为后续试验的取样方式及有限元模拟提供必要的理论依据。通过拉伸和剪切试 验对铝合金母材进行力学性能表征。宏观试验结果表明：平板拉伸时的断裂应变大于缺 口拉伸时的断裂应变，而平板拉伸时的屈服应力小于缺口拉伸时的屈服应力，在剪切时 材料的剪切断裂应变远大于平板拉伸时的断裂应变。通过断口观察发现：随着三向应力 度的增大，韧窝断裂机制增加，剪切断裂机制减小。拉伸断口主要以韧窝为主，而剪切 断口是以大型剪切韧窝和剪切面为主。有限元模拟时，损伤模型的选择要考虑三向应力 度的影响。另外，模拟时的损伤参数对网格尺寸敏感。 其次，通过双孔微剪切试验对铝合金T 型接头局部材料力学性能进行表征。采用 T I G 焊制备出试验用铝合金T 型接头，由于接头各微区组织和力学性能存在较大差别， 利用金相试验和双孔微剪切法分别对T 型接头的立板和底板各微区的宽度进行测定以 及材料性能进行表征，结果表明：双孔微剪切装置能较好地测定T 型接头的局部材料力 学性能，其重复性试验结果的最大误差值为1 0 7 ，并且制样简单，试验精度较高；利 用有限元反推法与试验相结合，获得接头各微区的力学性能参数及J o h n s o n c o o k 损伤模 型参数，为T 型接头力学性能试验的有限元模拟提供建模的依据。 最后，通过三维实体造型软件S o l i d w o r k s 设计出实现T 型接头不同角度拉伸试验的 试样及夹具，并进行拉伸试验和断口观察，结果表明：除0 度拉伸曲线以外，其它的四 条曲线在塑性变形过程中出现了一个“小平台”，即随着位移量的增加试样所承受的载 荷出现上升的现象，这是由于在焊接过程中产生的薄弱环节和局部缺陷的影响造成的。 T 型接头拉伸断口观察表明：试样的宏观断裂主要发生在T 型接头立板的软化区，但是 由于材料力学性能的不均匀性导致微观断口存在明显差别。T 型焊接接头在0 度、3 0 度、 4 5 度和6 0 度拉伸时，都经历拉伸一弯曲一断裂的过程，断口主要由脆性断裂小面和韧 窝组成。其中，在6 0 度拉伸时由于弯曲形成撕裂，断口上存在大量撕裂的韧窝。T 型 焊接接头在9 0 度拉伸时，没有经历弯曲的过程，断口上除了一小部分脆性断裂小面以 6 0 6 3 铝合令T 型焊接接，：的变形及损伤行为 外，主要分布着大量的韧窝，属于正断型断裂。加入G T - N 损伤模型对T 型接头在不 同应力状态下的损伤行为进行了有限元模拟分析，结果表明：模拟与试验曲线吻合的较 好，T 型接头的损伤演化及失效行为与试验结果一致，G T - N 损伤模型能够很好的模拟 T 型接头在不同应力状态下的损伤行为；随着焊缝相对宽度的增大，断裂应变也随之增 大，最大等效塑性应变也从母材和热影响区一侧转向焊缝一侧，但孔洞体积分数V V F 基本没有变化。 T 型接头的试验与有限元模拟对以后进行整车的碰撞模拟分析具有实际的实用价 值，但要得到更加准确的模拟结果，需要实现焊接接头材料属性的连续化，要从焊接时 的模拟分析开始，把焊接模拟分析的数据作为力学性能模拟的前提，建立焊后的材料模 型。 关键词：铝合金；T 型焊接接头；材料表征；应力状态；损伤；有限元模拟 硕f j 学位论文 皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! l 一_ 一I I 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼 A b s t r a c t L i g h t w e i g h ta l u m i n u ma l l o yb o d yf r a m es t r u c t u r ei sd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to n e n e r g y s a v i n ge n v i r o n m e n t - f r i e n d l yv e h i c l e ，S t u d y i n go fw e l da b i l i t yo fa l u m i n u ma l l o ya n d a n a l y s i so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l u m i n u ma l l o yw e l d e dj o i n ta n di t sc h a n g e si sah o t t o p i c F i l l e tw e l d e ds t r u c t u r ei st h em a i nf o r mo fc o n n e c t i v i t y , t h ef i l l e tf o r m e db yt h e T - w e l d e dj o i n t sh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ea l u m i n u mf r a m eb o d yc o n n e c t i o n H o w e v e r , t h e c o m p l e x i t yo fi t so r g a n i z a t i o n ，p e r f o r m a n c ea n ds t r e s ss t a t ea f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fe n t i r e b o d yo ft h ef r a m e w o r k A r o u n dt h e s ei s s u e s ，as e r i e s o ft e s t sw e r ec a r r i e do u t ，i n c l u d i n gt e s t s o fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s c a n n i n go fe l e c t r o nm i c r o s c o p eo ft h ef r a c t u r es u r f a c ea n d c o m b i n a t i o no ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o df o rs i n g l e s i d e da l u m i n u m a l l o y6 0 6 3w e l d T - j o i n t s ： F i r s to fa l l ，c o n s i d e r i n gt h ea n i s o t r o p ye f f e c to fe x t r u s i o n6 0 6 3a l u m i n u ma l l o y , t h e c h a r a c t e r i z a t i o no nm e c h a n i c a l p r o p e r t yi nd i f f e r e n ta n g l et ot h ee x t r u s i o nd i r e c t i o no f m a t e r i a lh a sb e e ni m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r A tt h es a m et i m e ，t h ec h a r a c t e r i z a t i o np r o v i d e sa n e c e s s a r yt h e o r yf o u n d a t i o nf o rs a m p l i n gm o d e si nt h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t sa n df i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n T e n s i l ea n ds h e a rt e s t so f6 0 6 3a l u m i n u ma l l o yw e r ep e r f o r m e df o r m a t e r i a lm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i z a t i o n M a c r o s c o p i ct e s ts h o w e dt h a tf r a c t u r e s t r a i no f p l a t et e n s i o nw a sl a r g e rt h a nt h a to fn o t c h e dp l a t et e n s i o n ，b u tw h e nj u s tt h eo p p o s i t e o fp u r es h e a rt e n s i o n ；h o w e v e r , t h ey i e l ds t r e s so fp l a t et e n s i o nw a sl e s s e rt h a nt h a to fn o t c h e d p l a t et e n s i o n O b s e r v e dt h ef r a c t u r es u r f a c eo ft h ep u l l e do f fs a m p l e ，t h ed i m p l em e c h a n i s m w a si n c r e a s i n ga n ds h e a rm e c h a n i s mW a sd e c r e a s i n gw i t hs t r e s st r i a x i a l i t y e n h a n c i n g F r a c t u r em e c h a n i s mo fn o t c h e dp l a t et e n s i o nW a sd i m p l e ，b u tl a r g es h e a rd i m p l ea n ds h e a r f a c e tw e r eo b s e r v e di ns h e a rt e s t ，h o w e v e rs h e a rf r a c t u r em e c h a n i s ma n dt e n s i o nf r a c t u r e m e c h a n i s mm i x e df o rp l a t et e n s i o nt e s t ，e v e n t u a l l yt h ef r a c t u r em a i n l yd u et os h e a rf r a c t u r e ， s h e a rf r a c t u r eo c c u r r e do nw i d t ho rt h i c k n e s si nm i c r o s c o p i c a l l y ；T e n s i o nf r a c t u r eo c c u r r e di n n o t c ht e n s i o nt e s t S t r e s ss t a t e sa l s oc o n s i d e r e dw h e nc h o o s i n gt h ed a m a g em o d e l I na d d i t i o n ， d a m a g ep a r a m e t e r sd e p e n d e do ns i z eo fm e s h S e c o n d l y , d o u b l em i c r o - s h e a rt e s t so fa l u m i n u ma l l o yT - j o i n t sw e r ec a r d e do u tf o r c h a r a c t e r i z a t i o no ft h ep a r t i a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l s U s i n gT I Gw e l d i n gm e t h o d ， p r e p a r a t i o no fa l l o yT - j o i n t sf o rt h et e s t A sar e s u l to ft h em i c r o - j o i n t sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fal a r g ed i f f e r e n c e T h eu s eo fd o u b l em i c r o s h e a rm e t h o do fT - j o i n tb o a r da n d t h el e g i s l a t u r eo fm e a s u r i n gt h ew i d t ho fm i c r o p l a t ea n dc h a r a c t e r i z i n go ft h em a t e r i a l p r o p e r t i e s T h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：T h ed e s i g n e dd o u b l em i c r o - s h e a rd e v i c eC a nt e s tt h el o c a l I I I 6 0 6 3 铝合龠T 犁焊接接义的变形及损伤行为 m a t e r i a lp r o p e r t i e so fv - jo i n t s R e p e a t a b i l i t yo ft e s tr e s u l t so fi t sg r e a t e s te r r o ri sn o tm o r e t h a n1 0 7 A n ds i m p l es a m p l ep r e p a r a t i o n ，h i g ht e s ta c c u r a c y ；c o m b i n a t i o nw i t hf i n i t e e l e m e n ti n v e r s em e t h o da n de x p e r i m e n t ，a c c e s st ot h em i c r o - p a r a m e t e r so fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dt h ep a r a m e t e r so fJ o h n s o n c o o km o d e lo ft h ej o i n t ，p r o v i d eab a s i sf o r m o d e l i n gt h eT - j o i n tm e c h a n i c a lo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n A tl a s t ，t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l i n g 一一S o l i d w o r k ss o f t w a r ew a su s e dt od e s i g n T - j o i n t st oa c h i e v ed i f f e r e n ta n g l e so ft e n s i l et e s ts p e c i m e na n df i x t u r e ，a n dt e n s i l et e s ta n d f r a c t u r es u r f a c ew e r eo b s e r v e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sa ”s m a l lp l a t f o r m ”o ft h ef o u r c u r v e si nt h ep r o c e s so fp l a s t i cd e f o r m a t i o ne x c e p t0d e g r e e s M o r e o v e r ，t h ed i s p l a c e m e n to f t h es p e c i m e ni n c r e a s e d 谢t ht h el o a di n c r e a s e d ，T h i si st h ew e a kl i n k sa n dt h el o c a li m p a c t c a u s e db yd e f e c t sb r i n gi nt h ew e l d i n gp r o c e s s O b s e r v a t i o no ft h ef r a c t u r es u r f a c eo ft h e p u l l e do f fs a m p l ed i s c o v e r e dt h a t ：0d e g r e et e n s i l es p e c i m e nh a v eas m o o t hf l a ts u r f a c ea n d t h ed i m p l e sa n dt h ep l a t es h e a rh a v eo b v i o u sd i r e c t i o no nl e g i s l a t i v eb o a r df r a c t u r e ，b u tt h e b o t t o ms h e a rf r a c t u r ew a sa b s e n c eo fs u c hc h a r a c t e r i s t i c s ，b e c a u s eo ft h es p e c i m e ni nt h e p r o c e s so ft e n s i o nt h r o u g ht h ec o u r s eo fs t r e t c h i n g - - b e n d i n g - - f r a c t u r e 4 5d e g r e e st e n s i l e f r a c t u r es u r f a c ew a sf o r mo fa l a r g en u m b e ro fe l o n g a t e dd i m p l e sa n ds o m es m o o t hs h e a rf i a t F r a c t u r ec a u s e db yb o t ht h en o r m a ls t r e s sa n ds h e a rs t r e s s 9 0d e g r e e st e n s i l ef r a c t u r es u r f a c e w a sf o r m e do fal a r g en u m b e ro fd i m p l e sg a t h e r e di nt h ec e n t e ra n dt h eo fs h e a rf l a ta r e a so f t h ee d g e 3 0d e g r e e sa n d6 0d e g r e e sw e r ef o r m e do fac e r t a i na m o u n to fd i m p l e sa n ds h e a r f r a c t u r ep l a n e ，o n l y3 0d e g r e e ss u r f a c eh a sm o r et e n s i l es h e a rd i s t r i b u t i o n I tC a nb es e e n , T - j o i n tt e n s i l es p e c i m e ni nt h ec o u r s eh a sc e r t a i nr o l eo ft o r q u ea n db e n d i n gm o m e n t J o i nt h e G T - Nd a m a g em o d e lo fT - j o i n ti n j u r yi nt h ec o n d u c to ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h er e s u l t s s h o w s ：t h eG T Nd a m a g em o d e lb o t hC a l lb eu s e dt os i m u l a t et h ed a m a g eb e h a v i o ro f T - j o i n t su n d e rd i f f e r e n ts t r e s ss t a t e ，b u tt h ef o r e c a s tr e s u l t so ft h eG - T - Nd a m a g em o d e l sa r e b e t t e rt h a nt h a to ft h eJ o h n s o n - c o o kd a m a g em o d e l T - j o i n tt e s ta n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nh a v ep r a c t i c a lv a l u ef o rs i m u l a t i o na n da n a l y s i s o fv e h i c l ec o l l i s i o ni nt h ef u t u r e B u tt oa c h i e v et h ea c c u r a c yo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ， a c h i e v et h ec o n t i n u o u so ft h em a t e r i a lp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t sa r en e e d ，T h i sn e e db e g i n w i t hw e l d i n gs i m u l a t i o n ，A n a l y s i so ft h ew e l d i n gs i m u l a t i o nd a t aa sap r e r e q u i s i t ef o r s i m u l a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，e s t a b l i s haw e l d i n gm a t e r i a lm o d e l K e yw o r d s ：A l u m i n i u ma l l o y ；T - w e l d e d j o i n t s ；M a t e r i a l sc h a r a c t e r i z a t i o n ；S t r e s ss t a t e s ； D a m a g e ；F E Ms i m u l a t i o n I V 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：彳? 余，洛 日期：彳6 月咿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：彰兮灰谘 导师签名：_ 车各1 啦钐 日期：矽年0 6 月乡罗日 E l 期：o 年矿6 月护c i 日 硕 ：学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 工程背景 汽车轻量化是节能、环保以及经济发展的需求。铝及铝合金因其较小的密度、良好 的塑性、较高的比强度已成为汽车车身轻量化设计中考虑采用的重要轻质材料。全球各 大汽车公司都投入很大的精力来进行全铝车身的设计和研究，并取得了重大的科研成果 和实际应用效果。汽车轻量化是世界性的发展趋势，目前汽车轻量化的先行国是美国、 日本、德国三大汽车生产国。在这三个国家中，铝合金应用于汽车工业的范围不仅越来 越广，而且每辆汽车中的平均用量也不断增加，如图1 - 1 所示。个别车种、车体，如德 国大众A u d iA 8 、A u d iA 2 ，本田的N S X 、I n s i g h t 车身用铝量均超过了8 0 9 6 ，其中使用 铝合金最经典的范例要属德国奥迪汽车公司在1 9 9 9 年推出的奥迪A 2 ，该车是世界第一 款大批量生产的全铝轿车，预计到2 0 1 0 年每辆汽车的铝使用量将上升到1 5 8 k g ，比1 9 9 5 年增长7 2 n 2 1 。 年份y e a r 图1 - 1 车用铝合金使用量的变化趋势( 欧、美、日) 目前国内对车辆用铝合金的研究也日益升温，我国西部铝资源丰富，大量的铝合金 成为交通工具的主要用材。但是交通工具一个重要的性能指标就是耐撞击性【3 1 ，因此各 国政府和轿车生产商都致力于如何提高汽车的耐撞击性。主要从以下三个方面入手【4 7 】： ( 1 ) 采用吸能车体结构并保证了必要的乘员生存空间。 ( 2 ) 采用较细的高刚性立柱，扩大前视野面积。 ( 3 ) 采用集中警报装置，扩大了警报内容和显示方法。 中国目前组装轿车最高用铝量约为5 5 k g 每辆，交通运输业用铝量占铝产业的5 7 ， 而发达国家分别为1 3 5 k g 每辆和2 6 t 引。由此可见，我国汽车用铝与国际先进水平相比 差距很大，有非常广阔的发展空间。近年来推出的铝概念车，在车身结构上大多采用无 骨框架结构和空间框架结构，如图1 2 所示。从设计的自由度、成本、轻量化、安全性 等方_ l l 考虑，制造小批髓多品种的汽州，以锚 齐压型材为主的空框架结构人柏发性 前途。全锚化的巾舒i ，叫材组焊成的框架式整体I 二身将是新的发展方向。 铝合金和钢的战争 图1 - 2 汽车框架结构 由丁_ _ 锚合金车体宇问框架结构的多样r 土，碰掩或远行时所受的冲击力的大小 和形式也很复杂，在试验台卜进行冲击试验，试验的设计和评定疗法存往定的 难度，而且需要争川的试验工装央具。冈而，利用计算机模拟技术进行空问框架 结构的变形，吸能和失效模式的研究有其独特的优势，可以缩氰开发周j | ，降低“ 发费用。利用有限元的商业软件( 如L S D Y N A 、A N S Y S I S D Y N A 、P A M C R A S H 、 D Y N A F O R M 、A B A Q u s ，E x p l l c i t 等) ，已开展了人景的工作。但足这此有限元分析 软什在实际应用中仍存在许多问题，有时其分析结果与试验结果有较人的差异， 其分析的准确障存存定局限眺，无法伞而的得到人们的认可。究其原凼，不是 有限兀软仆本身的问题，而是在有限元模型巾，没有正确描进材料的变形、破坏 过程，从软件本身看，有限元方法已经发展到了一个非常完荧的境界，所提供的 材料模掣有1 0 0 多种，如弹陛、弹塑性、超弹性、混凝土、复合材料、刚体等，还箭 有用户自定义材料接口，并，j _ 考虑材料失效、损伤、各6 J 异性、麻变率效戍等性 质。但存用订限元分析具体结构时，对所分析结构的局啬| f 村料，在变形、破坏过 程中所表现出的卜述有关性质不了解或认i 不全面，无沾对f 】限冗的材料模型进 行正确描述，从向小能得到精确的分析结果。 辞 台仓T 型接头小司程度地存在着力学性能小均匀性，要对接头的局部力学 陀能进于r 表征。对T 叫接头的些简啦结构进行模拟时，输入这“! 局部力学陛 能，uJ 咀对有驳元的利料模型进行丁| 二确描述，从而能得到精确的分析结果。可见， 要埘整体的铝台金框架结构巾的刳部分驯焊接接头，存抒载_ 卜的总体变彤、破 坏规律有较清楚f J 认训，必须通过试验和自限兀模拟研究，在对焊接接头的局部 力学性能进行表征的坫础卜，建、，变形过程中材料奉构关系模! 魁；这是同内外研 究的热点，也足本课题巫待解决的问题。 2 铝合金T 型接头力学性能的不均匀性 p j 接接又是焊缝，热影响区和矸材组成的小均匀体。经常以焊缝与母利强度的不 缡 辫鉴譬 型 铲 硕 j 学何论文 同进行定义：焊缝强度与母材相等的称为等匹配；焊缝强度比母材高的称为高匹配：焊 缝强度比母材低的称为低匹配。不同匹配形式的焊接接头，在工程上有着不同的用途， 为各种不同的目的所采用。为了降低焊接冷裂纹倾向，常采用低匹配焊接接头，常用在 一些预热不容易实施的焊接场合，有时是为了降低因预热所产生的能量消耗。采用高匹 配焊接接头，可以降低焊接接头对焊缝缺陷的敏感性，常被一些焊缝中容易产生夹渣和 气孔的焊接接头所采用；有时使用高匹配接头，是为了提高整个接头的承载能力。 严格意义上的接头等匹配是很难做到的。接头的强度失配现象普遍存在。焊接接头 的强度和韧性决定焊接结构的性能，焊接接头的失效又受周围材料强度和韧性水平的制 约。常规的焊接结构设计及安全评定方法都是基于均质材料行为而建立的，并未考虑接 头上的失配因素。因此，开展接头失配效应的研究对于焊接构件的强韧性设计和安全评 定具有重要的理论和实际意义。 设焊缝熔敷金属的屈服点为。洲，母材的屈服强度为魄B ，在进行焊接接头拉伸试验 时，如果焊缝方向与载荷平行，此时对接头强度的影响不大，断裂将起源于塑性值 最低的焊缝、热影响区或母材部位。如果载荷垂直于焊缝，焊缝金属的魄w 将对接头强 度起重要影响。当接头形式为高匹配时，在弹塑性变形阶段焊缝金属受母材的保护不易 产生变形；当焊接接头为低匹配时，变形将主要集中在焊缝金属上，因而将对焊接接头 的承载能力起重要影响。焊接接头力学性能不均匀性对拉伸强度的影响还要受到焊缝宽 度与试样厚度的影响【9 叫0 1 。 铝合金T 型接头力学性能失配，对于焊接构件强度和抗断裂的影响，研究的主要目 标是建立考虑力学性能不均匀的焊接接头强度的工程评定方法，以及焊接构件弹塑性断 裂工程分析方法，为焊接结构的设计和安全评定提供理论依据。多年来，有许多的研究 报道是关于评定接头力学性能失配，对焊接构件的力学断裂行为、断裂韧度参数、延 脆性转变行为、缺陷评定、结构及使用性能等方面的影响。但很少研究有关力学性能不 均匀的焊接接头整体强度评定的研究，尤其是用于工程上焊接接头的强度设计方法。 1 1 3 铝合金T 型接头力学性能表征的意义 近年来，国内外研究人员对车用铝合金的焊接工艺和接头力学性能十分关注。国外 T M a 等人对7 0 2 0 和7 0 2 2 铝合金对焊接接头的热影响区的组织、强化相和接头软化行 为进行了研究，I G S o l o r z a n o 等人对2 0 9 1 A L L i 合金的对接接头热处理前后组织、强化 相和疲劳强度进行了较详细的研究，国外P i n h o d a C r u zJA M 等人对A 1 M g S i 薄板焊 接接头在静载荷和交变载荷下的疲劳强度作了研究。国内的东北大学、中南大学等高校 对6 0 0 5 A 铝合金型材焊接接头组织与性能进行了研究。西南交通大学对车辆用6 0 6 1 、 6 0 0 5 、6 0 6 3 和9 1 9 ( 7 0 0 5 ) 铝合金焊接性及接头性能进行了探讨。史耀武对多种材料 进行了纯剪切试验和单轴拉伸试验，得出了剪切强度和抗拉强度的关系式，同时 提出了微剪切韧性的概念，并且用于焊接接头的强度表征【1 1 12 1 ，但是剪切试验试 6 0 6 3 铝合会T 犁焊接接爻的变形及拍! 伤行为 样精度要求比较高，而且该文献没有从剪切试验得到材料的拉伸性能的相关论文。 因此材料局部力学性能测试方法的研究对焊接接头力学性能的表征具有重要意 义，为焊接结构件的模拟提供了重要材料性能数据。 但这些研究都主要集中在铝合金的焊接性及列车上常用的较厚板长直焊缝的性能 的研究上，对汽车上常用的薄板对接焊缝以及薄壁方梁型材的T 型接头的短焊缝接头性 能和局部性能没有深入研究。实践表明：由于焊接工艺的原因将使接头各个微区的成分、 组织与母材不同，致使焊缝及热影响区性能发生变化，也是裂纹、夹杂等缺陷多发的区 域，特别是T 型接头的性能不但受焊接工艺的影响，而且受接头的结构形式和受载方式 的影响，T 型接头上焊缝的起弧、收弧以及焊缝交接处极易产生缺陷，因而影响T 型接 头性能的因素是十分复杂的，往往也是整体结构的薄弱区，影响着整个车身的性能。因 而对铝合金T 型焊接接头的局部组织和性能变化以及接头性能进行详细深入的研究是 迫在眉睫的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 铝合金车体的研究现状 为适应列车的发展，世界各国均在大力发展制造铝合金车体，如德国、意大利、加 拿大、日本、瑞士、法国、丹麦等发达国家。在西欧，铝合金车辆每年约以1 5 0 0 辆的 速度递增，目前全世界铝结构车辆已超过五万辆。一些发展中国家也正在集中力量，积 极引进技术，开发研制铝合金车体。由此可以看出，在世界范围内生产制造铝合金车体 是铁路运输事业发展的必然趋势。 铝合全车体的发展经历了板梁结构、板梁和型材混合结构和完全闭式型材结构铝合 金车体三个发展过程。板梁结构铝合金车体由于焊接变形大，必须通过增大板厚获得刚 度，质量减轻效果不明显，车体的平衡度也不理想，因此在铝合金车体的发展过程中， 板梁结构铝合金车体存在的数量并不多。为了减轻车体自身质量，世界上也采用板梁和 型材混合结构，板梁部分采用电阻焊工艺，型材连接采用熔化极惰性气体保护电弧焊工 艺。这样可大量节约型材开模费，降低车体制造成本，但此工艺相对比较烦琐，刚度较 差，除日本外很少有其它发达国家开发此产品。闭式型材结构或开闭式混合结构，是目 前世界上最流行的方式，因其制造工艺简单，车体平度、刚度好而获得很多国家的采用。 由于挤压技术的发展，各种高强度铝合金大断面和复杂断面型材的研制成功，全铝车辆 的组装方法由过去的骨架上覆以薄板的传统工艺改为用骨架、外板一体的大型挤压件拼 装的新方法。 近年来随着铁路客运量的日益增大，列车速度的提高，国内外高速列车的技术交流， 铝合金产业的发展，中南大学、西南交通大学等院校，铁道部戚墅堰机车车辆工艺研究 所等科研院所和西南铝合金加工厂等企业对铝质高速客车和双层客车及地铁车辆等进 4 f * n Z “国产化的外发i _ f 制I ：作，为刽台金材制在铁道1 一辆年体卜的运川作好了准备。 】9 8 9 年K 存轨道客车股份订限公一f 丌发了苜辆科 h 金地铁乍体知罔1 3 所1 ；，一 前们然往- I t L J t 2 ： J ：，f nJ 一该车体制造工艺烦琐，、F 整度差向没有在市场上大面积推J 使 用。1 9 9 6 年，铁道部组纵人力、物力开发I C E 2 型铁路式型利结构_ L 合金车体，长存 客车厂采用德国进口利料，用简易自动焊接设备和机械加 设备制造r l 丫中H 第一台闭 式4 ：U F - 式刑材混合结构_ j 台金车体，甚牟体的制造成功，客观匕促进r | _ i j 内企业刈车辆崩 钎 合余的技术研究和开发。2 0 0 2 年我国第一辆使坩I 型产人7 叫铝型材制造的列车车件仵K 奋轨道客车股份有限公司纰装成功并通过测试。这辆我同n 行研制的高速列车，将用r 厂深高速铁路并延仲至香港线路。2 0 0 7 年1 2 爿2 2 日，占岛南车凹方机车车辆股份有J 艰 公州，中旧首列国产化时谜3 0 0 公里“和谐号”动车组列车竣 下线，这 【t YP J 车采刖轻量 化铝合金车体，采刖大断面中空型村铝合余车体，每辆中体的重量约为7 吨 ：右，如图 1 4 所不。 随着N 民绎济的发展，我旧将有一大批城市地铁和崭述铁道I ! ；i 剐骄续开L 到2 0 0 5 年需建造1 0 0 0 0 辆。我国交通运输事业的发展，特别是高速列车、双层铁道车辆以及地 铁运输的发腱，将使锅台金车辆在交通运输1J k 中得到迅速发展。 图1 - 3 地铁铝台金车体圈1 - 1 “和谐号”铝合金车体 1 2 2 铝合金T 型接头力学性能评定现状 争焊接结构中，角焊缝也是主要的连接方式之。在某些特殊情况下，由于技术原 田或空间狭小，焊接时j ! 能采川中面角焊缝连接，如许多符结十勾接头的焊接。本文欲研 究的t 制厦I 掣接头也是采用单而角焊缝连接，此角焊缝接头也存在1 述对接接头类似的 材荆力学件f 诺4 c 均匀情况，而且角焊缝l 型接叉的焊缝结构及受力方式比较复杂，刈f f J 焊缝接头的强度试验及影响其强度的机制尚尤资料报道。目前美于期焊缝T 刑接头的力 学肚能f 内公式主篮有吲际焊接学会( 1 l W ) 提m 的珀焊缝折合J 、I 力的般公式： d = p b 二+ 3 卜! + n2 旷，J 一为在破断曲】上与焊缝相垂汽的正应力：r 。为曲破断丽 ，焊缝；| _ | 垂直的切I , j ；J J ；L 为在破断画l 与焊缝干r 彳1 I = 的切成力：p 为珀焊缝的强度增 人系数。此汁算公式要求焊缝的折合应J j , V d , 于焊缝材料的许月应力，然而， f 一焊接 6 0 6 3 铝合仑T 型焊接接义的变形及损伤行为 接头的不均匀性，接头焊缝的强度还受到其周围材料性能的影响。 由于角焊缝T 型接头结构及受力方式较复杂，用于评价角焊缝T 型接头力学性能的 试验方法还很不完善，特别是薄板T 型接头。目前，角焊缝T 型接头普遍承受的以拉力 载荷为主的强度试验方法也还没有统一的标准，另外角焊缝接头的材料不均匀性对接头 强度及变形的影响也研究甚少。因此，很有必要建立一种可行的试验方案来评价该类接 头的强度，并将试验方法用于研究该类接头的材料不均匀性对接头强度变形等力学性能 的影响。 1 2 3 损伤力学的发展及应用 损伤力学是固体力学的一个分支学科，是顺应工程技术的发展对基础学科的需求而 产生的。它经历了一个从萌芽到壮大的过程，到现在已成为一个集中固体力学前沿研究 的热门学科【1 3 1 4 1 。损伤力学的发展大致经历以下过程： ( 1 ) 2 0 世纪中叶K a c h a n o v ( 1 9 8 5 ) 最初提出了用连续性变量描述材料受损伤时的 连续性能变化过程。他的学生R a b o t n o v 后来做了推广，为损伤力学奠定了基础。法国 的L e m a i t r e 用连续介质力学与热力学的观点研究了损伤对金属材料的弹性、塑性的影 响。瑞典的H u l t 、英国的L e c k i e 研究了损伤和蠕变的耦合作用。这一阶段损伤力学的发 展形成了连续损伤力学的框架和唯象学基础。 ( 2 ) 8 0 年代日本的M u r a k a m i 等从微裂纹的尺度和几何分布研究了损伤的各向异 性对材料力学性能的影响。 ( 3 ) 9 0 年代损伤力学的研究重点是损伤的宏一细一微观理论，其特征为：引入多 层次的缺陷几何结构，在材料的宏观体元中引入了细观或微观的缺陷结构，试图在材料 细观结构的演化与宏观力学响应之间建立起某种联系，对材料的本构关系进行宏、细、 微观相结合的描述。 断裂过程是材料内部损伤在一定的载荷和环境下成核、增长和汇合三部分形成的。 材料损伤形态多种多样，就金属而言，通常以微孔洞或微裂纹形式出现，它们将在载荷、 温度或环境效应等因素作用下进一步增长、扩展，逐渐并集、聚合，形成一定尺度的宏 观裂纹，导致材料强度的下降，以致破坏。国内外学者分别采用了宏观连续损伤力学和 细观力学得出材料在变形时的损伤演化规律。采用连续损伤力学得出的有L e m a i t r e 损伤 理论，吴梁损伤演化模型，连续损伤力学理论与粘塑性相结合产生了J o h n s o n c o o k 本构 方程。采用细观损伤力学观点得出的M c C l i n t o c k 损伤模型，G T - N 损伤模型等。 1 2 3 1 连续介质损伤力学研究进展 由于材料内微缺陷的尺度远小于连续介质力学中物质微元的尺度，故在统计平均意 义下，可通过唯象地引入表征材料内部微缺陷的损伤内变量来对材料的损伤进行描述。 在这种描述中，损伤内变量是一个在空间上连续分布，而又随时间连续变化的场变量。 这种方法回避了材料内部复杂的细观结构对其宏观性能影