铝合金点焊接头剪切疲劳评估

摘要：铝合金制车体电动车组的铝合金裙板设计采用了大量点焊，为保证铝合金点焊接头设计的抗剪切疲劳能力，对相同材料、厚度的典型焊接接头试样进行了疲劳试验，根据试验结果及相关文献，通过计算得到该种接头剪切疲劳评估方法，并利用有限元法对裙板点焊接头进行了剪切疲劳评估，保证了设计的可靠性。

关键词：点焊；铝合金；疲劳；动车组；

中图分类号：C35文献标识码： A

铝合金点焊接头外形平滑，焊接方便，是一种高速经济的连接方式。铝合金制车体电动车组的裙板以及底盖板结构广泛采用了电阻点焊。动车组车辆外部结构在车辆运行过程中承受较大气动疲劳载荷时，裙板以及底盖板上的点焊接头主要承受剪切疲劳载荷。目前，国际上常用的铝合金焊接疲劳评估还标准或技术规程，如文献[1]，[2]，都没有给出点焊疲劳评估方法以及疲劳强度；在铁路行业，文献 [3] 仅给出了点焊接头所能承受的最低剪切拉力（Shear pull force），而没有疲劳评估的方法。

本文为解决某铝合金制车体电动车组的裙板点焊的抗疲劳设计问题，通过典型点焊样件的疲劳试验获得中值S-N曲线，再经计算得到满足文献 [4] 要求的疲劳极限值；根据疲劳极限值，考虑平均载荷影响，使用有限元法对裙板点焊进行疲劳评估，确保了点焊设计的安全可靠，并对铝合金点焊接头疲劳评估提供了经验。

1 典型样件的疲劳极限

1.1 典型样件的疲劳试验

某铝合金制车体电动车组的裙板点焊为两层3mm铝合金板材（EN AW-5083 O）点焊连接，经有限元法计算，在裙板承受疲劳载荷时，点焊受到剪切力远大于轴向力。因此进行点焊的剪切疲劳试验。

试验样件采用与裙板点焊连接件相同材料、厚度的铝合金板材，使用相同焊接方法、设备、质量检验等级加工而成，样件结构及尺寸符合文献 [5] 。

疲劳试验依据文献 [6] 设计进行，采取力控制模式，加载波形为正弦波，最小力与最大力比为0.1 ，试验结果为完整的中值S-N曲线以及由试验样本估算的总样本的统计参数。图 1为试验得到的中值S-N曲线，式（1）为曲线表达式，其中，N为循环次数，F为最大剪切力。

图 1 中值S-N 曲线

（1）

此外，还对一组相同材料、厚度、焊接接头的试样进行了静态最大剪切试验，最大剪切力结果的最小值为11.285kN。

1.2疲劳极限计算

应用累计损伤法，将裙板在全寿命周期的气动载荷转化为等效的107次循环的等幅载荷。根据此载荷对点焊的疲劳评估只需要107次循环下的点焊疲劳极限。根据文献 [4] 要求，利用试验所得中值S-N曲线无限疲劳部分，计算95%置信度，97.5%存活率下的疲劳极限如下：

（2）

其中， 是置信度为，存活率为，自由度为的的正态分布单边误差限，是由试验估算得到的总样本的疲劳极限标准偏差。

式（2）表明在剪切力比时，使用交变剪切力最大值Fmax表示疲劳极限为1.025kN 。

经式（3）、（4）计算，使用剪切力幅值表示疲劳极限，时，平均剪切力为0.546kN，疲劳极限为0.461kN

（3）

（4）

试验剪切力比R=0.1，接近于加载―卸载的过程，平均剪力较大，得到的的疲劳极限较低，如直接用于疲劳评估，并不准确。因此需要求得时的疲劳极限，并以之为基准计算所有剪力比下的疲劳极限。

根据文献 [7] ，通过式（5）计算的疲劳极限为0.505kN

（5）

其中，为平均剪切力影响系数，据文献 [7] ，按照中等残余应力的焊接接头取值为0.09 。

1.3疲劳极限线图

以剪切力比的疲劳极限为基准，根据文献 [7]计算各剪力比下的疲劳极限如式（6），并绘制疲劳极限线图如图 2。

对于剪切力，正负只代表方向，计算疲劳极限时总是选取绝对值大的剪切力方向为正方向，因此平均剪切力，剪切力比 。

（6）

图 2 剪切疲劳极限线图

2 点焊剪切疲劳评估方法

点焊剪切疲劳进行评估需要求得各点焊的疲劳剪切力幅及平均剪切力。裙板承受疲劳载荷时，同一点焊接头受到的剪切力方向并非总在同一轴向。选取所有疲劳工况下绝对值最大的剪切力的方向为评估方向，计算所有工况下点焊在评估方向的剪力值，取其中最大值为，最小值为，通过式（7）计算得到疲劳剪切力幅Fa 及平均剪切力，剪切力比。

（7）

疲劳评估可采用绘点法，根据各点焊的及绘制点，如所有点都位于剪切疲劳极限线下方，则点焊抗疲劳设计满足要求。也可直接利用式（6）计算各焊点的疲劳极限，并使用式（8）计算疲劳利用系数UF，则满足抗疲劳设计要求，同时还能更直观的反映点焊的位置及设计余量。

（8）

在CAE平台Hyperworks上，利用Hypermesh、Hyperview及Radioss求解器，对某铝合金制车体电动车组的铝合金裙板进行了有限元计算分析。使用根据本文的点焊剪切疲劳评估方法，通过二次开发求解了个点焊接头的利用系数UF，并将UF值返回各点焊接头位置，使结果可视化，更为清晰直观的表现了各个点焊接头的抗剪切疲劳性能及其位置。其中一块裙板的有限元模型及利用系数云图如图 3所示。

图 3 裙板有限元模型及剪切疲劳利用系数云图

结果显示利用系数UF最大为0.95，小于许用值1，裙板点焊抗剪切疲劳能力满足设计要求。

3 结论

对于本文试验采用的铝合金板材典型点焊样件，其极限抗剪切强度为11.285kN，而通过疲劳试验及相关计算得到，剪切力比时，无限疲劳寿命下的剪切疲劳极限为0.505kN（剪切力幅）。这显示出铝合金点焊接头抗剪切疲劳性能较差，也说明铝合金点焊的抗疲劳性能的评估对于安全可靠的设计是不可或缺的。利用本文的评估方法以及有限元计算中的二次开发，成功的对某铝合金制车体电动车组的铝合金裙板的点焊进行了疲劳评估，保证了设计的可靠性。更多不同种类、不同厚度组合的铝合金点焊的剪切疲劳评估方法，需要更多的试验数据支持。

参考文献:

[1]Hobbacher A. Recommendations for fatigue design of welded joints and components[R]. Prais: International Institute of Welding XIII-1965-03/XV-1127-03, 2003: 41-76.

[2] EN 1999-1-3: 2007, Design of aluminum structures Part 1-3: Structure susceptible to fatigue[S].

[3] EN 15085-3: 2007, Railway applications - Welding of railway vehicles and components - Part 3: Design requirements[S].

[4] EN 12663: 2010, Railway applications―Structural requirements of railway vehicle bodies[S].

[5] ISO 14273: 2001, Specimen dimensions and procedure for shear testing resistance spot, seam and embossed projection welds[S].

[6] GB/T 24176: 2009, 金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法[S]

[7] Hänel B, Haibach E, Seeger T, et al. FKM Guideline: Analytical strength assessment of components in mechanical engineering[M]. 5th edition. Frankfurt: VDMA Verlag, 2003: 115-119