（车辆工程专业论文）高速列车铝合金焊接接头疲劳性能研究.pdf

中文摘要 摘要：疲劳失效是焊接结构的主要失效形式。铝合金焊接接头广泛应用于高 速列车车体等重要部件中，因此对铝合金焊接接头疲劳性能的研究十分迫切。 文中首先介绍了s - n 曲线的概念和p s - n 曲线疲劳试验方法和数据处理方法， 并按照这些方法对角接、对接、十字接和双面搭接四种铝合金焊接接头试样进行 了疲劳试验，得出了这四种焊接接头的中值s n 曲线和置信度为9 5 ，存活率分 别为9 0 、9 9 下的p s - n 曲线及其方程。然后，采用e u r o c o d e9 推荐的方法将 p s n 曲线延长至长寿命区。 为了研究平均应力对铝合金焊接接头疲劳极限幅值的影响，文中采用升降法 对铝合金角接接头进行了存在平均拉应力、应力比r = 0 3 的疲劳试验。并将得出的 试验结果与几种常见平均应力折算方法的计算结果进行了比较分析。 疲劳累积损伤研究是疲劳定寿的重要课题。本文在试验数据的基础上，分别 从线性和非线性累积损伤两种角度出发，探求适合铝合金焊接接头的累积损伤模 型。基于线性累积损伤法则，本文研究i 临界损伤值的分布规律，提出临界损伤值 符合对数正态分布，并用试验数据进行假设检验；基于概率理论提出计算在一定 置信度和存活率下的修正m i n e r 准则a 值的方法，并给出了建议值。基于非线性累 积损伤模型，本文提出了损伤曲线法的数学模型，使用两级加载试验数据拟合相 关参数，并验证了模型的可行性和精确度。最后使用实测c r h 2 车体得到的一组 随机载荷谱，对比分析了考虑平均应力和不考虑平均应力、使用线性累积损伤模 型和非线性累积损伤模型计算得到的疲劳寿命。 关键词：铝合金焊接接头；p - s - n 曲线；平均拉应力；累积损伤模型 分类号：t g 4 0 5 j 匕塞銮逗厶堂亟堂位i 金塞旦s 至b ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：f a t i g u ei st h em o s tu s u a lf a i l u r em o d eo fw e l d e dj o i n t si nm e c h a n i c a l s t r u c t u r e s a l u m i n u ma l l o yw e l d e dj o i n ti sw i l d l yu s e do nc a rb o d yo f h i g hs p e e d t r a i n ， s oi ti sv e r y u r g e n tt or e s e a r c ht h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo fa l u m i n u ma l l o yw e l d e dj o i n t f i r s to fa l l ，t h ec o n c e p to fs - nc u r v ea n dt h ep r o c e d u r e so f p s nc u r v ef a t i g u et e s t ， d a t ap r o c e s s i n gw e r ei n t r o d u c e d a n dt h e n ，t h e s ep r o c e d u r e sw e r et a k e ni n t op r a c t i c eo n 4k i n d so fa l u m i n u ma l l o yw e l d e dj o i n t s ：c o m e rj o i n t ，b u t tj o i n t ，c r u c i f o r mj o i n t sa n d d o u b l e - s i d e d l a pj o i n t a st h er e s u l t s ，m e d i a ns - nc u r v ea n dp s nc u r v ew i t h c o n f i d e n c e9 5 ，f r a c t i o ns u r v i v i n g9 0 ，9 9 o ft h ew e l d e dj o i n t sw e r eg o t t e n a f t e r w a r d s ，b a s i n go nr e c o m m e n d a t i o nm e t h o do fe u r o c o d e9 ，a l lt h em i d l o n gf a t i g u e l i f es - nc u r v e sa n d p - s - nc u r v e sw e r ep r o l o n g e dt ol o n gf a t i g u el i f er e g i m e b a s i n go nf l u c t u a t i o nm e t h o df a t i g u et e s te x i s t i n gm e a nt e n s i l es t r e s sa n ds t r e s s r a t i or = 0 3w e r et a k e no nc o m e rj o i n tt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c e , w h i c ht h em e a n t e n s i l es t r e s sa c t so nf a t i g u el i m i ta m p l i t u d e a f t e rt h i s ，t h er e s u l t sf r o mt h et e s ta n d c a l c u l a t i o nr e s u l t so fs e v e r a lc o m m o nm e a ns t r e s st r a n s l a t i o nm e t h o d sw e r ea n a l y z e d f a t i g u ec u m u l a t i v ed a m a g ei sa ni m p o r t a n tp a r to fd e t e r m i n a t i o no fs t r u c t u r e s f a t i g u el i f e b a s i n go nt e s td a t a ，s u i t a b l ec u m u l a t i v ed a m a g em o d e lf o ra l u m i n u ma l l o y w e l d e dj o i n tw e r es o u g h tf r o mb o t hl i n e a ra n dn o n l i n e a r b a s i n go nl i n e a rc u m u l a t i v e d a m a g e ，t h er u l eo fc r i t i c a ld a m a g ev a l u ew a sr e s e a r c h e d t h eh y p o t h e s i st h a tc r i t i c a l d a m a g ev a l u ea c c o r d sw i t hl o g a r i t h mn o r m a ld i s t r i b u t i o nw a sp u tf o r w a r da n d v e r i f i c a t i o nb yt e s td a t a t h es u g g e s t e dv a l u e so fm o d i f i e dm i n e rr u l eaw i t hc e r t a i n c o n f i d e n c e ，f r a c t i o ns u r v i v i n gw a sg i v e n b a s i n go nn o n l i n e a rc u m u l a t i v ed a m a g e , f e a s i b l em a t hm o d e lw a sg i v e na n di t sf e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yw a s p r o v e db yt e s td a t a a f t e ra l l ，as e r i e so fr a n d o ml o a ds p e c t r u mo b t a i n i n gf r o mc r h 2c a rb o d yw a s u s i n g f o ra n a l y z i n gf a t i g u el i f eb e t w e e nd i f f e r e n tp r e m i s e ，i n c l u d i n gc o n s i d e r i n gm e a ns t r e s s o rn o t ，u s i n gl i n e a rc u m u l a t i v ed a m a g em o d e lo rn o n l i n e a rc u m u l a t i v ed a m a g em o d e l k e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o yw e l d e dj o i n t ；p - s - nc u r v e ；m e a nt e n s i l es t r e s s ； c u m u l a t i v ed a m a g em o d e l c l a s s n o ：t g 4 0 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： i 么l 枷 签字日期：力够年乒月9 日 导师签名：办硼 d 4 签字日期：少9 p 年，月i 矿日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳嚅i 护 签字日期：知，3 年5 月厂。日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘志明教授的悉心指导下完成的，刘志明教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 刘志明老师对我的关心和指导。 李强教授和邹骅老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生 活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向他们表示衷心的谢意。 缪龙秀教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，黄凡、田远、方科挺和王朝凤等同学对我论 文中的疲劳试验和编程工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 选题背景 高速列车轻量化对其进一步提速，降低能源消耗和减少轮轨磨耗有着巨大的 意义。一方面，列车运行时需要克服轮轨摩擦力和空气摩擦力等运行阻力，列车 的轻量化能大量降低轮轨之间的摩擦阻力，节省能源的消耗，提供更高的启动加 速度及制动减速度。特别是高速列车，据研裂，列车运行速度在大于2 5 0 k m h 时需要的动能是现有列车的4 倍多，要克服的阻力是现有列车的1 0 , - - 3 0 倍。另一 方面，我国铁路对各类列车轴重上限有明确规定，其中最高的货运机车及货车为 2 5 t 。这种规定就是为了减少车辆轨道的承重过大而引起的磨耗。列车速度越高， 对轨道的冲击势必会增大，因此对于高速列车，其轴重应该更小。我国规定高速 列车动车最大轴重为1 9 5 t 。因此，列车轻量化也是降低轮轨磨耗，减少维修工作 量和事故发生的有效手段。 高速列车需要流线化、车体减重，而作为高速列车发展趋势的动力分散型高 速动车组，其车体布置了很多的牵引设备。保证承载众多设备的车体强度、刚度 要求与车体轻量化是一对需要解决的矛盾。 新材料的应用是高速列车轻量化的最主要和最有效的途径，是发展高速列车 最重要的关键技术之一。一般来说，车体材料除了要求轻质之外，还必须具有更 高的强度、韧性、耐磨、耐疲劳、耐老化、抗腐蚀等性能。对于在列车不同部位 使用的材料，还有许多特殊的要求。 高速列车轻量化新材料的类型主要包括轻金属合金材料、高分子材料和复合 材料等。其中，铝合金由于密度小、比强度高，耐蚀性好，在汽车、列车、船舶、 航空、航天等领域得到了广泛的应用。就轻量化而言，铝合金是种成熟的轻金 属材料。国外铝合金车体已经工程化，如德国的高速列车i c e 、日本的3 0 0 系和 7 0 0 系电动车组以及法国的t g v - d u p l e x 的车体等。国内也逐步将其应用于高速列 车车体顶盖、齿轮箱箱体等许多部件。我国也开始尝试使用铝合金为城轨及高速 列车制造车体并成功投入使用，见图l 一1 。 使用铝合金型材作为车体结构主导材料主要有以下优点担3 1 ： 1 良好地实现车辆轻量化的目标。在满足车辆强度、刚性安全要求的前提下， 使用铝合金车辆可比钢质车辆轻3 0 栌- - 5 0 左右。国外钢质车体和铝合金车体重量 的具体数据比较如表卜l 所示。 图1 - 1 长春轨道客车股份有限公司生产的铝合金轨道车辆 f i g l lv e h i c l e so fa l u m i n u ma l l o yc a rb o d yp r o d u c e db yc r c 表卜l 国外钢质下体与铝合金7 f 体重量比较 t a b l - 1 c o m p a r i s o no fw e i g h tb e t w e e ns t e e lc a rb o d ya n da l u m i n u ma l l o y c a rb o d ya b r o a d 一 乍体种类 结构重量k g 减重 乍体种类 减重 曲德地铁 9 5 0 0 4 6 7 05 1 瑞士客车 9 3 5 03 9 5 05 7 东京地铁 9 5 4 04 1 0 05 6 米兰地铁 6 7 0 03 0 0 05 5 2 具备优良的耐腐蚀性，制造过程中无需涂装。改善作业环境，降低了维护 费用，减少大修期在厂实行维修时f 自j ，提高车辆的运用效率，延长车辆的使用寿 命。一般认为，在兔维修的条件下，锚合金车辆的使用寿命要比钢制车长l o 年以 2 上。 3 运行性能好，节省牵引消耗。由于列车重量减少，可提高加速性能，改善 动力性能。密封性能提高，同时能降低噪声，提高舒适性。 4 国外对于铝合金车体技术已经较成熟，并已开发出较适合高速列车车体的 铝合金结构型材结构。我国在此方向也有所尝试，在技术上有一定的基础，实现 自主研发及制造问题不大。 由于铝合金具备了成为高速列车新型轻量化材料的优点，并且随着铝合金焊 接技术的不断进步，铝合金在机车车辆上的应用日益广泛。 根据e u r o c o d e9 中对铝合金结构易疲劳部位的描述，主要包括焊趾和熔合区 根部、结构角、冲钻孔、剪锯边、高压表面磨损、螺栓根部、材料中断和缺陷、 机械损伤引起的刻痕和腐蚀凹点等。其中焊接结构居易疲劳部位的首位。 因此，可以认为焊接接头是铝合金结构中最易疲劳部位之一。但铝合金的焊 接性能有许多不同于钢铁的特别之处，相对于钢铁来说，国内在铝合金焊接接头 的疲劳性能研究还较少。因此，研究铝合金焊接接头的疲劳特性对铝合金在机车 车辆结构上更好、更安全的应用具有很大的工程意义。 1 2 金属疲劳破坏 疲劳是一种隐藏的破坏方式，但是又无时无刻在进行，并且几乎不可能完全 避免。金属、塑料、木材、混凝土、有机玻璃、橡胶和复合材料等各种不同材料 的结构，在载荷的反复作用下，都会产生疲劳现裂4 1 。造成疲劳破坏的应力一般低 于材料的屈服强度极限，所达到的最大应力，很可能是在整个受力物体上弹性形 变范围内，疲劳裂纹的萌生及扩展阶段没有明显的宏观塑性变形，正是这些不可 避免的小的塑性变形区，决定了疲劳过程和工程设计的有限使用寿命。疲劳破坏 还是一个累积损伤的过程，要经历一定的时间，有时甚至很长。这就增加了这种 潜在破坏可能的危险性。一般都认为疲劳破坏由3 个过程组成，即疲劳裂纹的萌 生，裂纹扩展及最后瞬间断裂。 人们开始注意交变载荷作用下的疲劳破坏现象已经有许多年的历史【4 】【5 j 1 6 j 。 1 8 2 9 年德国工程师w a 阿尔伯特进行了重复载荷的实验，首先提出了疲劳问题。 1 8 4 7 年至1 8 8 9 年德国人a 沃勒对金属的疲劳进行了深入系统的研究，于1 8 5 0 年 提出疲劳实验的概念，并研制了第一台疲劳试验机。他首先提出了疲劳寿命与循 环应力的关系，并提出s n 曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳寿命的 决定因素，这些理论都沿用至今。1 8 7 4 年格伯研究了平均应力对疲劳的影响，1 8 9 9 年，英国人古德曼提出了著名的简化的g o o d m a n 图，至今仍被工程设计界广泛应 用。2 0 世纪，随着显微镜技术的发展，人们开始着眼于从微观来研究疲劳破坏的 机理。1 9 2 0 年格里菲斯发表了玻璃脆性断裂研究的论文，提出了s 口= c 的公式 ( 其中s 为断裂的名义应力，a 为裂纹尺寸，c 为常数) ，使之成为了断裂力学的 始祖。2 0 世纪人们开始在工程应用上针对疲劳破坏现象使用了不同的手段来增加 疲劳寿命，如喷丸工艺，表面辊压等。2 0 世纪中期，人们开始对累积损伤的理论 进行系统的研究。1 9 4 5 年迈纳在帕尔姆格雷于1 9 2 4 年提出的疲劳准则基础上提出 了著名的线性累积损伤假说，成为了疲劳寿命估算中最重要的基础。2 0 世纪4 0 年 代出现了用概率统计的方法来处理疲劳试验数据。威布尔、波普、史图伦等科学 家在各自的著作里都阐述了概率统计方法下的疲劳数据分布研究，使疲劳实验成 为更可靠的工程设计依据。 尽管对于疲劳现象的研究已经持续了近一个世纪，但是至今还没有一个既能 符合工程需要又能从物理化学本质上解释破坏机理的理论。随着科技的发展，各 种新型材料和使用坏境的增加，疲劳问题仍然使机械结构和工程结构设计的重点 关注问题。 1 3 焊接接头的疲劳性能特点 焊接结构由于其连接性能好，连接方式可行而大量应用于高速列车车体的制 造上。如侧墙板、梁及与底架连接处都通过焊接方式来完成。车辆的焊接结构在 运行中，一般都是工作在承受循环往复的动载荷的情况下，从而容易在较低应力 下产生疲劳破坏。而焊接结构中，如果疲劳破坏确实发生，疲劳裂纹一般会先出 现在应力集中现象较严重的接头部位，这使得接头成为最可能产生疲劳破坏的位 置。据研究，焊接结构9 0 为疲劳失效。因此，对于焊接接头疲劳性能的研究是 研究焊接结构疲劳性能的重点。 在抗疲劳破坏设计中，最开始都是用经验规律来进行刚6 】。材料的抗拉伸强度 和疲劳强度之间的近似关系是经验规律中最简单最直接的一个。材料的疲劳强度 除以拉伸强度通常称为疲劳比。对于钢，疲劳比在o 4 到0 6 之间，对于铝合金， 疲劳比约为0 2 5 到0 5 。金属材料结构的疲劳性能也很大地受到母材材料抗拉强度 的影响。但在一个焊接接头中一般最少有3 种材料，即母材、填充焊料及母材的 热影响区，每一种都有它自己的疲劳特性。其中母材与焊料可以选择合适的材料 进行搭配，但热影响区性质的变化是最难控制的。焊接的受热过程导致焊缝的残 余应力以及金属软化等其他问题会导致其疲劳极限大大降低。 一般认为，影响焊接接头疲劳性能主要有以下几个方面的因素： 1 接头形式【4 】。不同的接头形式决定了差异较大的应力流线。一般认为，对接 4 的应力流线所受干扰较小，其疲劳性能也就相应较佳。 2 焊缝几何尺寸【5 】。大量钢质材料的疲劳试验表明，焊缝的凸出部分是应力集 中源，如果焊后不进行机械加工，将使其疲劳强度大大降低。 3 焊缝质型8 】【1 1 】。在接头进行焊接过程中，不可避免的总会产生一些焊接缺陷， 这些缺陷虽然种类不同，但都因为会导致较高的应力集中，从而对接头疲劳强度 产生影响。 4 载荷情况【i3 1 。应力幅是影响疲劳寿命的首要因素，其次还有平均应力和加载 顺序的影响。 铝合金焊接接头由于其焊接工艺和自身特性的原因【j 7 】【9 】，在焊接过程中易因氧 化膜而形成夹渣和气孔等焊接缺陷；大量氢的溶解导致气孔的形成；工艺不当而 引起烧穿和塌陷；焊接过程中难以观察熔融和凝固时颜色的变化等，都是影响铝 合金焊接接头疲劳性能的因素。 1 4 论文主要研究内容 本文结合理论研究，主要以对铝合金焊接接头进行疲劳试验的方式，获得其 基本疲劳性能，然后从载荷情况对铝合金焊接接头疲劳性能的影响来进行研究。 本文将从以下几个方面展开： 1 焊接接头的p s n 曲线测试和绘制。本部分主要从试验出发，通过升降法 和成组法结合进行疲劳试验，然后使用概率统计的方法处理试验数据，得出各焊 接接头p s n 曲线的方程，并根据方程绘制出p s - n 曲线，以得到四种在高速列 车上常见的焊接接头的基本疲劳性能。 2 采取升降法对角接接头进行高应力比下的疲劳试验，获得其在一定平均应 力下的疲劳强度，以研究平均应力对铝合金焊接接头疲劳极限幅值的影响。通过 试验结果与几个常见的平均应力折算公式计算的结果的对比，来得出这些公式对 铝合金焊接接头平均应力折算的适用性。 3 对铝合金焊接接头进行累积损伤的研究。通过试验得到铝合金焊接接头两 级加载的疲劳强度。分析现有的疲劳累积损伤理论，分别从线性累积损伤和非线 性累积损伤两个角度出发，研究适合铝合金焊接接头的疲劳累积损伤模型。 5 2 铝合金焊接接头疲劳性能研究方法 2 1 铝合金焊接接头设计规范现状 从上个世纪七八十年代起，铝合金材料广泛应用在汽车、火车、船舶等结构 中，人们对它的性能也越来越重视。焊接的密封性能比螺栓好，连接强度又远远 高于粘接，是铝合金材料主要的连接方式。国外许多铝合金研究机构设立了许多 铝合金焊接接头的标准规范供设计者和厂家参考，其中有些已经成为国家标准。 国内经过引进吸收，根据我国的牌号和使用情况也创立了不同使用范围的国家标 准或者行业标准。这些标准主要可以分为结构设计规范和疲劳设计规范两个方面。 2 1 1 铝合金焊接接头结构设计规范现状 我国在城轨铝合金车体制造上已经取得一定的成果，但在铝合金焊接标准的 制定上还刚刚起步，国内几大城轨车辆制造公司在其车辆制造中大都直接采用国 外焊接体系标准【1 4 1 ，使用较多的有：德国d i n 6 7 0 0 焊接体系标准和日本标准。虽 然国内有的企业参照这些标准，制定出了自己企业的焊接标准，但目前这些标准 还没有上升为国家标准。 d i n6 7 0 0 是德国的国家标准【1 5 】，所有德国的轨道交通及部件制造厂家都必须 通过d i n6 7 0 0 的资格认证。d i n 6 7 0 0 共由6 部分组成：第一部分为基本术语定义； 第二部分为焊接企业资格认证及质量保证；第三部分为铝合金产品设计规范，包 括铝合金尺寸、焊缝形式等设计要则；第四部分为焊接过程的实施要求：第五部 分为质量要求及检验；第六部分为德国的焊接母材牌号、焊材、焊丝、焊接方法 及焊接相关文件。 d i n6 7 0 0 2 中，根据安全重要性将铁道车辆及其车辆部件划分了从c 1 到c 5 的部件等级，其中c l 为安全重要性最高的部件。 在焊接接头尺寸设计过程中，要按照d i n 6 7 0 0 - - 3 标准进行。在该标准中，根 据安全性与承载性能，将焊缝划分为s g k l ，s g k 2 1 ，s g k 2 2 ，s g k 2 3 和s g k 3 共5 个质量等级，并提出根据焊接的质量和几何尺寸能够承受的工作条件的应力 的原则来选择焊缝质量等级。标准规定了一般的设计总则和焊缝或相关工艺设计 规程，并以附表的形式给出了常用焊接接头形式，实用性很强。 对焊缝的检测评定，还常要用到e n l 2 0 6 2 和i s 0 1 0 0 4 2 这两个标准。e n l 2 0 6 2 标准为金属材料焊缝的无损检测一般原则，i s 0 1 0 0 4 2 标准规定了铝合金焊接不同 6 等级焊接缺陷的容许极限值。焊缝缺陷是影响焊接接头疲劳强度的重要因素。 d i n6 7 0 0 是适用于铝和钢等材料焊接接头总规范，对于铝合金焊接的焊接工 艺评定项目以及如何进行焊接工艺评定一般按照i s 0 1 5 6 1 4 - - 2 和e n 2 8 8 - 4 执行。 j i se4 0 5 0 是日本车辆用铝合金焊接接头设计的主要标准【1 6 】。该标准首先规定 了铝合金焊接材料适用性和搭配。其次明确了母材及焊接接头设计许用应力的计 算方法，规定取盯。与0 7 0 b 中的较小值为母材基准值f ，而焊接接头中基准值f 需 要对应乘以一个效率系数刁，那么许用拉压应力为仃。，= f r l s ，许用剪切应力为 f 。，= f r l # s s ，其中s 为安全系数，一般取1 5 。标准中还给出了日本牌号的铝 合金材料的母材和焊接接头在不同厚度、不同质量等级下的基准值、许用拉压应 力和许用剪切应力数据，对企业生产和产品检验都非常实用。j i s4 0 5 0 跟d i n6 7 0 0 一样，对焊接接头的尺寸及接头形式给出了具体的规范，主要包括对接和角接的 坡口形式及垫板尺寸要求等。 j i se4 0 5 0 也按照安全重要性对车辆部件规定了不同质量级别焊接接头，包括 a 级、a f 级、b 级和b f 级。其划分方式与d i n 6 7 0 0 不太相同，粗略对比如表2 - l 所示。 表2 1j i s4 0 5 0 与d i n6 7 0 0 中焊接接头质量等级划分对比 t a b 2 - 1c o m p a r i s o no f w e l d e dj o i n tq u a l i f i c a t i o nc l a s s i f i c a t i o nb e t w e e nj i s4 0 5 0a n dd i n6 7 0 0 我国电力行业标准d l7 5 4 铝母线焊接技术规程列出了常用铝材、铝焊丝牌 7 号、成分和性能，焊丝选用的规范，基本的对接、角接、搭接接头基本形式及尺 寸和缺陷限定值。表格形式与德国及日本标准相似，带有详细数据供设计者使用。 g b l 0 5 7 1 铝及铝合金焊接管规定了铝及铝合金焊接管的产品分类、技术要求、 试验方法、检验规则、包装等。包括焊接圆、方管外径与壁厚的配合尺寸、偏差 值，以及不同牌号的铝合金焊接管坯料在不同供应状态、不同厚度下各自的抗拉 强度和伸长率的容许值。 我国的现有的规范主要还是参照国外的规范模式，内容不及国外规范全面和 具体。而且由于牌号不相同，对新引进的高强度材料没有对应的处理方法，造成 了设计和检验的不便。 2 1 2 铝合金焊接接头疲劳设计规范现状 疲劳问题是焊接结构设计最重要的问题之一。因此，国际上对铝合金焊接接 头的疲劳设计有许多规范，主要包括了b s 8 1 1 8 t 7 1 、欧洲钢结构协会标准( e c c s ) 、 加拿大标准协会标准( c a n ) 、美国铝材协会标准、d n v 标准、国际焊接协会( i i w ) 州 和e u r o c o d e9 【19 1 。 1 9 7 9 年，英国的铝材设计规范b s 8 1 1 8 是当时最全面的铝材设计标准，为 全世界所广泛接受，并成为了英国的限制性国家标准。接着在此基础上又出版了 新的钢桥梁设计标准：b s 5 4 0 0 。在疲劳方面，此标准认为，由于钢材和铝材具有 不同的杨氏模量，钢材的疲劳定律乘以一个系数就可得到铝材的疲劳定律，这种 可能性首次在这里得到检验。这种方法认为：焊接接头的疲劳寿命取决于疲劳裂 纹的扩展，这两种材料基于a k e 的疲劳裂纹扩展数据具有良好的相关性。因此， 将钢材的疲劳设计应力除以3 就可得到焊接铝合金的疲劳设计应力。这种方法也 取代了之前b sc p l l 8 和b s8 1 1 8 中的疲劳设计方法。然而一些工业企业已经注意 到新标准在高循环阶段比b sc p l l 8 保守的多，其他工业企业认为l 3 钢材定律的 方法过于简单，不能得到准确的铝合金的疲劳性能。 对铝合金焊接接头疲劳数据的初始评定已经重视到了数据的分散性和小尺寸 试件数据的不稳定性。小尺寸试件，特别是具有横向焊缝的小尺寸试件的另一重 要特点是它们比实际结构具有更低的拉伸残余应力，我们可以得到更加真实的疲 劳数据。1 9 9 0 年初，e c c s 和b s 8 1 1 8 疲劳定律成为e u r o c o d e9 的基础，当时又得 到了大尺寸试件的数据，因此最后的形式既不同于b s 8 1 1 8 也不同于e c c s 。美国 和加拿大起草的疲劳设计规范也受了欧洲规范的影响。 韵溺骥隅碉烬瓣 图2 - 1i i w 给出的设计参考用名义s - n 曲线 f i 9 2 - 1n o m i n a ls - nc u r v e sf o rd e s i g nr e f e r e n c eg i v e nb yi i w 国际焊接学会( i l w ) 推荐的有4 个不同层次的方法，即名义应力评定方法、热 点应力评定方法、缺口应力评定方法和断裂力学评定方法。由于标称应力易于获 得，所以在i i w 标准给出的8 0 种钢结构和5 7 种铝合金焊接接头的数据中，主要 是基于标称应力范围的s n 曲线，和很少量的且主要用于管形接头的基于几何应 力范围的s n 曲线，仅只有一条基于等效缺口应力范围的s n 曲线。i i w 标准中 给出的都是对数坐标表示的一族s n 曲线，如图2 1 所示，可以将焊接细部分配 给与此试验数据下限最接近的瞳线。 b s 8 1 1 8 则对结构中不同细部进行了分类和细化，其寿命根据公式： f ”n k 2 ( 2 - 1 ) 式中f 为细部的名义应力范围，n 为预测的疲劳极限周次，m 为s - n 曲线的斜率， k ，为安全系数。 标准根据不同细部的级别给出了m 值和k ：值。其中m 值介于3 _ 4 5 之间，k ： 值介于5 4 9 x1 0 9 2 0 1 1 0 1 4 之间。标准规定铝合金材料s - n 曲线在5 1 0 6 次以前 采用一l m ，5 1 0 6 次到1 0 8 次采取一l ( m + 2 ) 作为斜率。修正中值s - n 曲线到设计 曲线则采取不同k ，值的方法。标准也给出了各细部级别下的s n 曲线供设计者使 用，其给出的推荐s n 曲线如2 2 所示。 9 謦鬈鼍盛霹跫盛巴謦匿囔霉纛 图2 - 2b s 8 1 1 8 给出的设计参考用名义s - n 曲线 f i 9 2 2n o m i n a ls - nc u r v e sf o rd e s i g nr e f e r e n c eg i v e nb yb s 8 118 应用e u r o c o d e9 进行疲劳寿命评估时首先要基于焊接接头的初始信息，定义 并确定在疲劳评估中适用的应力类别，计算和测量出有关应力范围；然后再根据 该应力类别选择相应的疲劳强度类别。 e u r o c o d e9 中对疲劳寿命设计则采取公式： 厂、”i n ：i ll(22)i2x1 0 6 a o - c l 仃fy w y m i 式中m 为预计疲劳周次，仃，为2 1 0 6 次下的参考疲劳强度，吼为名义应力范围， 7 和7 彬均为系数，标准中给出了具体查询数据。同样标准也给出了不同细部下 的m 值和仃，以及1 0 7 次循环下的疲劳强度盯。 除了d n v 标准，其他的方法都提供了不同的名义应力幅值表示的s - n 设计曲 线。在d n v 文件中着重使用了热点应力幅值，i i w 设计规范同时介绍了四种不同 层次的评定方法。各标准中的s n 曲线及对它的应用差别很大。因此，不同的规 范将产生不同的疲劳寿命。在实际的应用中，要利用一个规范得到一个具体部件 结构的疲劳极限，应根据相应的数据对比关键特征并尽可能的评定关键特征部位。 值得一提的是，在所有的铝合金设计规范中，对于变幅载荷下的铝合金结构 寿命计算都采用m i n e r 准则进行累积损伤计算。 2 2 材料的s n 曲线 1 0 疲劳曲线即s - n 曲线，表示外加应力水平与材料标准试样疲劳寿命之间的关 系，是用于估算疲劳寿命和进行疲劳设计的基本疲劳性能描述。将疲劳试验所得 的数据，以最大应力盯一或应力幅值盯。或应力范围a o 为纵坐标，以到达破坏的 循环数n 为横坐标即可绘制出s - n 曲线。 为了描述s n 曲线的规律，人们提出了以下两种常用的s - n 曲线的数学模型。 1 幂函数模型 o r 4 n = c ( 2 3 ) 式中，a 和c 为通过试验测定的材料常数。 将上式两边取对数，可变成 a i g o r + l g n = l g c ( 2 - 4 ) l g c 为常数可以表示成b ，这样，在双对数坐标图中，l gc r 与l g n 就成了线性 关系。 2 指数函数模型 n e 4 “= c ( 2 5 ) 式中，a 和c 为通过实验测定的材料参数。 上式两边取对数后，可变成 a c r l g e + l g n = l g c 可以改写成 a o + l g n = b ( 2 - 6 ) 式中，系数a = a l g e 。可以从式子看出，此模型在半对数坐标图上，仃与l g n 成 线性关系。 在s - n 曲线中，右端接近水平的曲线所对应的s 值称为疲劳极限。它是指在 对应的应力水平下，试件可以承受无数次循环而永不破坏，如图2 3 的图a 所示。 一般认为，钢结构取循环基数为1 0 7 次时，得到的疲劳极限可以作为材料的疲劳强 度。而铝合金等有色金属材料并没有真正的水平段，其s n 曲线如图2 3 的图b 所示，在1 0 7 次之后曲线还是没有完全水平。但有些高周次( 1 0 9 ) 的疲劳试验表 明，当试验次数继续增加时，试样的疲劳极限仍在不断的下降，只是降低的不明 显而已。因此，通常得出的疲劳极限，是1 0 7 时的疲劳极限。工程上也有取一定的 循环基数作为疲劳极限的条件，称为条件疲劳极限，如取5 x1 0 6 次时的疲劳极限。 本文试验试件选取铝合金焊接接头，取2 1 0 6 次作为循环基数，试验所得均为 2 x 1 0 6 次时的条件疲劳极限。 许多国外标准包括国际焊接协会i i w 规范都是以s n 曲线作为设计规范的基 础【1 8 】【2 0 1 。其区别主要在于应力的取值不一样，主要包括名义应力、热点应力、局 部缺口应力等，从而衍生出了名义应力法、热点应力法及局部法等众多评定方法。 1 9 nl g n ab 图2 3 材料的s - n 曲线对比 f i 9 2 3c o m p a r i s o no fs - nc u r v e so fm a t e r i a l s 2 3p - s n 曲线试验方法 由于疲劳寿命的分散性，用常规方法作出的s n 曲线，是存活率p = 5 0 的中 值s n 曲线，其置信度也为5 0 。它只能代表中值疲劳寿命与应力水平之间的关 系。如果仅仅以这种曲线作为产品设计和疲劳寿命估算的依据，则往往偏于危险。 因为，中值寿命意味着有一半的产品在达到预期的寿命前已经失效。如果用高存 活率、高置信度的p s n 曲线进行设计和寿命估算，其结果将更有利于安全。比 如：取p = 9 9 ，y = 9 0 的p s - n 曲线，表示你有9 0 的把握说在达到预期寿命时 仍有9 9 的产品在正常工作。测定p s - n 曲线时，一般采用成组法与升降法相结 合的方式进行【5 】【2 l 3 0 1 。 2 3 1 成组法 用成组法进行试验时，在某一应力水平下试验一组试件，数据分散性小时， 试件可以少取一些，数据分散性大时，则需多一些试件。成组法按对数正态分布 测定p s - n 曲线的步骤如下： ， 1 首先把该应力水平下测得的疲劳寿命；由小到大按序排列，并取相应的对 数值列表。 2 用下面公式算出试件的存活率只， 只= l 一三一( 2 7 ) n + 1 式中，i 为试件按疲劳寿命由小到大排列的顺序号； f l 为该应力水平下的试件数。 3 求出该应力水平下对数疲劳寿命的均值、标准差和变异系数： 均值：；= 而 ( 2 - 8 ) 1 2 标准差：s = ( 2 9 ) 变异系数：y = 兰 ( 2 - 1 0 ) 式中，工，为第f 个试件的对数疲劳寿命。 4 根据19 5 0 年提出的基于统计学原理取舍可疑数据的格拉布斯准则进行 可疑观测值的取舍。计算陋，- i j ) s 盯i ，并由表查出其起码值，当计算值大于起码 值时，此数据应舍弃，并重复第3 步。 5 该应力水平所需的最小试件个数可由下式确定： ：垒：= = ：三 ( 2 1 1 ) r ，去+ 甜；g 2 一，) 一面p x 式中万为误差限度，一般取为5 ； n 为所需最小试件数； k 为标准差修正系数； t ，是分布值，与置信度7 及试件个数，l 有关； u 。是与存活率相关的标准正态偏量。 以上石、f ，、z f 。均可通过查阅有关疲劳可靠性资料所列之数据表得到。 6 相关性检验。当子样较少，不确定母体是否遵循正态分布时，需要通过检验 只和对数疲劳寿命x ，在正态概率坐标纸上是否为线性关系，x ，是否遵循正态分 布。具体做法用下式计算相关系数，： ( 三盯) ， ：= = = = = = = = = = = = = = = = = ( 口) ，( k ) ， 其中，c 三。，= 喜“刍一故喜”j ) 亿“) ，2 善彳一吉l 奢j c 。) ，= 喜“一一言( 喜“) ( 喜x ，) 通过查相关表格，得到对应n 的起码值，当0 时，疲劳寿命服从对 数正态分布。 7 修j 下子样标准差成母体标准差，并计算具有指定置信度y 及存活率p 的安 全对数疲劳寿命x p 。标准差估计量彦= s 通过将彦2 取平方根得到，但严格来说s 作为母体标准筹估计量是有偏差的，因为它不满足无偏性要求。因此，在疲劳可 = 厚雩瑚哳” 为得到具有指定置信度y 及存活率p 的安全对数疲劳寿命工。可按下式计算： 式中k 为“单侧容限系数”，可表达为： k = u p 一铭， 卜蠢2 上式中u r 是与置信度厂相关的“标准正态偏差”，可通过查阅有关疲劳可靠性 资料所列之数据表得到。 当已知“p 、u r 和n 时，可由式( 2 1 5 ) 求出系数尼的大小，从而再由式( 2 4 ) 求出具有置信度的对数安全寿命石p 。这时的含义是：以厂的置信度来说( 有7 的 把握) ，母体中至少有p 的个体对数疲劳寿命大于工p 。 2 3 2 升降法 根据实践经验，对于p s n 曲线疲劳寿命n 1 0 6 的长寿命区，用成组法测定 的疲劳寿命分散性极大，疲劳寿命的频率分布常常很不规律，且试验到n 1 0 7 时 若试样未断而采用截尾数据有一定误差【2 3 】，因此，需要采用升降法确定材料的疲 劳极限。 升降法是把疲劳强度作为随机变量，通过测定某一指定寿命n 下材料疲劳强 度的分布，经统计分析，确定在该指定寿命下，具有指定存活率、置信度时材料 的疲劳极限1 2 4 j 。 现对升降法作如下说明：试验从高于疲劳极限的应力水平开始，然后逐级降 低，直到有一根试样在达到指定寿命时没有破坏( 越出) ，则下一根试样就在高一 级的应力水平下进行。依此类推，凡前一根试样不到指定寿命就破坏的，随后的 一根试样就要在低一级的应力水平下进行；凡前一根试样越出的，则后一根试样 就要在其高一级的应力下进行，直至完成全部试验为止。处理试验结果时，在第 一次出现相反结果以前的数据均舍弃，把所有邻近出现相反结果的数据点都配成 1 4 对子。 利用升降法，可以比较准确地测定出疲劳极限。用升降法测定材料的疲劳极 限时，有效试样数量一般在1 3 根以上；试验一般在3 - 5 级应力水平下进行；应 力增量通常选为预计疲劳极限的3 - 5 。大量研究表明，疲劳极限一般符合正态 分布。 用升降法确定指定寿命和指定存活率、置信度下材料疲劳极限的方法如下： 假定有效试样对子总数为n ，有m 级应力水平，而刀；为第i 和第i + l 相邻两级 应力间的对子数，仃，为第i 和第i + l 相邻两级应力的平均值，则疲劳极限均值矿。及 其标准差j 分别为： 一o - i 2 土n n i ( 3 r i ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) y ：兰 ( 2 1 8 )y = =l z l 芍夕 x 由式( 2 11 ) 检验有效对子数是否满足最少对子条件，如果不够，则需补做试 验，直到应力对子数达到或超过最少对子数条件为止。 同样使用( 2 1 3 ) 式对子样标准差修正成母体标准差，并求具有指定存活率的 疲劳极限o r 山，可用类似( 2 1 4 ) 公式计算： 盯一l 口= o r _ l + 七彦 ( 2 - 1 9 ) 式中，k 为单侧容限系数，由式( 2 1 5 ) 确定。 应力o r 咖是指定寿命及存活率p 下的疲劳极限，将该点作为一个点，通过光 滑曲线把该点与用成组法得到的具