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高速列车底架用铝合金焊接接头疲劳裂纹扩展特性

闫德俊  
【摘要】:我国正在进行高速列车材料和制造工艺的研究,列车车体底架是列车运行时的主要承载部件之一。高速列车提速后对底架结构承载能力提出了更高的要求,其中疲劳失效是主要的问题。本文通过有限元模拟与试验分析相结合的方法,研究了高速列车底架用A7N01铝合金在MIG焊接工艺下的焊接残余应力状态及其对疲劳裂纹扩展性能的影响,并研究了焊接接头各区不同的组织结构对疲劳裂纹扩展的影响等。 为了准确模拟出高速列车底架结构的焊接残余应力,本文首先基于有限元技术研究了材料热物理-力学参量对焊接残余应力峰值的影响。得到了如下规律:随着热导率的降低与比热容、密度、热膨胀系数及弹性模量的增大,焊件中纵向残余应力峰值升高;随着热导率的降低与密度及弹性模量的增大,纵向残余应力峰值形状从双峰特征过渡到单峰特征。对于大多数的铝合金材料来说,对焊接残余应力峰值变化量影响较大的参量有屈服强度和热导率,而比热容、弹性模量、热膨胀系数及密度的影响略小,泊松比的影响可以忽略。在动态工作载荷作用下,底架结构的焊接残余应力将发生一定程度的松弛。采用动态应变法研究了A7N01铝合金平板焊件中的焊接残余应力在工作载荷下的松弛行为。实验结果表明:动态与静态工作载荷下,焊接残余应力发生松弛的条件都是残余应力与工作应力叠加后要达到接头材料的瞬时屈服强度。焊接残余应力松弛与载荷峰值有关,载荷峰值越大,残余应力松弛越多。对于循环硬化或循环中性的材料而言,焊接残余应力松弛与载荷循环次数无关,焊接残余应力松弛只发生在第一个循环内。这是由于应力松弛后,焊接残余应力水平降低,同时其屈服强度不会随着循环次数增加而降低,因此焊接残余应力与循环工作应力峰值之和不会再次超过瞬时屈服强度。而对于循环软化的材料来说,焊接残余应力与循环工作应力峰值之和不断超过软化后的瞬时屈服强度,那么随着循环次数的增加焊接残余应力不断发生松弛。 针对接头软化特性对纵向焊接残余应力松弛的影响进行了有限元分析,模拟结果表明:若接头发生软化,那么接头处的纵向残余应力不仅发生释放,还可能从拉应力转化成压应力,接头全面屈服后焊缝处会产生残余压应力;若接头不发生软化,接头处的纵向残余应力发生释放,但不会从拉应力转化成压应力,接头全面屈服后残余应力消除。 鉴于母材及焊丝铝合金的屈服应力在250℃以下发生应变硬化行为,在250℃以上发生应变软化行为,通过对有限元软件进行有效处理,在数值模拟中成功实现了不同硬化模型下屈服应力随温度及塑性应变的变化。模拟结果表明使用混合硬化模型下的真实屈服应力模型计算的结果比理想弹塑性屈服应力模型计算结果准确。对列车车体底架进行模拟发现,牵引梁的孔内、牵引梁中孔附近焊缝、缓冲梁翼面补强板焊缝、缓冲梁与横梁连接处焊缝为残余应力较高、工作应力波动较大的危险部位,获得了这些部位的应力水平及有效应力比。 采用数值模拟方法从力学角度对A7N01铝合金焊接接头中较大尺寸及不同形状的硬质第二相粒子对疲劳裂纹扩展的影响研究发现:较硬的第二相粒子对疲劳裂纹扩展产生双重的作用,即促进作用和抑制作用。位于裂纹尖端塑性区内的第二相粒子提高了塑性区内的应力水平,进而提高了裂纹尖端的最大应力强度因子,促进疲劳裂纹的扩展。第二相粒子对疲劳裂纹产生一定地抑制作用主要表现在以下几个方面:首先,第二相粒子使得疲劳裂纹扩展路径发生改变,提高了裂纹表面的粗糙度,粒子越大,产生的粗糙度也越大,增加了裂纹尖端的闭合效应;其次,第二相粒子与基体不协调变形,裂纹绕过粒子后,卸载过程中在裂纹尖端后方的“加塞”作用,增加了裂纹尖端的闭合效应;另外,疲劳裂纹扩展时穿过的第二相粒子尖角处基体的塑性变形也比无第二相粒子时的基体的塑性变形大,这也增加了塑性变形引起的闭合效应。裂纹闭合效应导致了裂纹扩展的有效应力强度因子范围的降低,从而在一定程度上抑制疲劳裂纹的扩展。 通过有限元法研究了疲劳裂纹尖端的焊接残余应力在塑性条件的演变,提出使用有效裂纹长度尖端的焊接残余应力与工作应力来计算K_(max)~*及ΔK_(eff)~*的方法,并提出了适合描述焊接残余应力作用下的疲劳裂纹扩展速率曲线的表达式,该公式具有较好的归一化效果。


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