基于修正FKM标准的高海拔车辆部件焊接结构的评价

刘 飞，张永贵，曾祥浩

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；
2.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001)

随着兰新高铁的开通以及中欧班列的常态化，越来越多的轨道车辆运用在我国西部高海拔地区，高海拔地区自然气候条件比较恶劣，空气压力和空气密度低、气温低、温差大、湿度小、太阳辐射高、降水少等对轨道车辆的服役可靠性提出了更高的要求[1-3]。轨道车辆在运行过程中承受复杂多变的多轴载荷，在长期的交变载荷作用下，其关键承载部件的应力范围较大部位易形成疲劳损伤，并逐渐累积直至疲劳破坏而造成不可估量的损失[4]。焊接部位是车辆结构中的薄弱点，车辆焊接结构的疲劳强度将决定整个车辆结构的可靠性[5]，而文献[6-9]等现有国内外对焊接结构疲劳校核的标准和规范均没有涉及高海拔地区气候条件的工况。

高海拔地区气候条件中，温度、湿度及太阳辐射会对焊缝有一定的影响，由于焊缝表面都会有涂层保护，故湿度及太阳辐射对焊缝的影响可以忽略不计。铝合金、不锈钢等无低温脆性的面心立方结构材料在低温环境下的焊缝疲劳性能与常温基本相当[10-13]，故对于高海拔地区轨道车辆，选用面心立方结构材料时只考虑高低温环境对焊缝疲劳性能影响即可。本文以轨道车辆上常见的柜体结构为研究对象，基于疲劳强度评价结果较保守的FKM标准，同时考虑高低温对焊缝疲劳性能的影响，提出了一套适用于高海拔车辆零部件焊接结构的疲劳强度评价方法。

图1为运用于高海拔地区的某动车组典型柜体结构，其主要材质为6005A-T6铝合金，基本机械性能参数为：密度2.6×10-6kg/mm3、弹性模量70 GPa、泊松比0.33、屈服强度215 MPa、抗拉强度270 MPa。

图1 动车组典型柜体结构

6005A-T6铝合金材料的名义S-N曲线取自FKM标准，如图2所示。图2中的曲线有2个拐点，拐点的坐标分别为(ND,σ，σAK)和(ND,σ，Ⅱ，σAK，Ⅱ)，且σAK，Ⅱ=0.74σAK。根据FKM标准，6005A-T6铝合金母材对应的106次循环下的疲劳极限σAK=80 MPa，108次循环下的疲劳极限σAK，Ⅱ=59.2 MPa。

Kσ、KD，σ.S-N曲线斜率。图2 FKM标准中铝合金疲劳曲线

对上述柜体结构进行模型简化和网格划分，并采用GB/T 21563—2008《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》中规定的工况组合对其进行疲劳仿真分析。为了减少计算时间，将加速度的功率谱密度函数转化为均方根值，并将对应方向的均方根值作为静力载荷进行分析，转化后的载荷工况如表1所示。

表1 GB/T 21563—2008中规定的载荷工况组合 m/s2

3.1 FKM标准的焊缝校核方法

FKM标准是目前国际上使用较多的一种焊接疲劳强度评估标准，该标准综合考虑了构件材料、焊接接头细分类别、表面处理情况、残余应力、载荷等影响因素。FKM标准中，焊接接头细分类别和板厚因子与国际焊接协会IIW标准的参数类似；
焊接接头疲劳等级由焊接接头形式和焊缝疲劳裂纹出现的位置决定；
板厚因子根据接头类型和连接件厚度确定。FKM标准提供了常见的表面处理方法，并针对这些方法给出了表面处理因子的上下限，可以在给定的范围内选取合适的值。FKM标准中默认焊缝疲劳存活率为97.5%，通过焊缝的强度利用度来判定是否满足要求，结构最小循环次数为5×106，焊缝的强度利用度aBK,σ可定义为：

(1)

式中：σBK——焊缝处的疲劳许用应力；

jerf——材料的总利用度系数；

σa,L——焊缝处实际承载的应力幅(半幅)。

在FKM标准中，焊缝疲劳许用应力σBK综合考虑了焊缝材料类型、循环次数、厚度因子等因素，定义为：

σBK=FAT·fFAT,σ·ft·KAK·KE,σ·KBK·KV·KNL

(2)

式中：FAT——焊缝疲劳等级；

fFAT,σ——疲劳等级转换系数，对于常幅疲劳，取值为0.37；

ft——厚度因子，焊接金属厚度t<25 mm时，取值为1；

KAK——平均应力因子；

KE,σ——残余应力因子；

2.畜禽产品流通不畅。一是养殖户没有进入流通领域参与流通，在一定程度上存在着畜禽产品“买难”、“卖难”问题；
二是畜牧业生产尚未完全纳入商品经济轨道，分散经营、粗放管理，批量小、质量低的产品经济弊端仍未完全克服；
三是畜禽产品加工业发展慢，仍停留在低层次上，龙头企业活力不足；
四是市场建设仍不完善，资金、物资、信息、技术等生产要素市场还未形成，一定程度上制约着畜牧业市场机制的发展进程。

KBK——变幅疲劳强度因子；

KV——表面处理因子，通常取值为1.0～2.0，保守校核一般取值为1.0；

KNL——材料常数，通常取值为1.0。

式(2)中的平均应力因子KAK的计算公式为：

(3)

其中：

σm/σa=(1+Rσ)/(1-Rσ)

(4)

式中：Mσ——中等残余应力因子，Mσ=0.3；

Rσ——应力比，一般取值为-1。

(5)

k——斜率。

3.2 高低温环境对焊缝疲劳强度的影响

为了探究高低温环境对焊缝疲劳强度的影响，对6005A-T6铝合金的焊接试样按GB/T 3075—2008《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》规定分别在室温及高低温环境下进行对接焊缝疲劳试验。加载应力比为0.1，高低温环境条件为-50～50 ℃，温度循环周期为6 h，实测S-N曲线结果如图3所示。从图3可以看出，当以107周次为疲劳极限时室温下的焊缝疲劳强度为105 MPa，而高低温条件下的焊缝疲劳强度为95 MPa，比室温略低。

图3 不同环境6005A-T6焊缝的实测S-N曲线

实测的疲劳极限值一般都比校核标准中的规定值高，这是由于为了确保安全，标准对名义值都规定得比较低，同时由于冶炼加工技术的发展，材料的性能也越来越来高了。故在室温条件下焊缝实测的107周次时的疲劳极限值(105 MPa)高于FKM中规定的106周次的疲劳极限值(40 MPa)。为了保证标准使用的一致性，在后续焊缝强度校核中还是使用FKM中规定的40 MPa。

3.3 焊缝疲劳校核的FKM标准高低温修正

为了使FKM标准能够适用高海拔地区服役的轨道车辆的焊缝疲劳校核，需考虑高低温环境影响对其焊缝疲劳许用应力进行修正，即：

σBK，N=σBK·KT

(6)

式中：σBK，N——修正的焊缝疲劳许用应力；

KT——高低温修正系数，6005A-T6铝合金取值为0.9。

焊缝校核主要有2个步骤：

(1) 根据GB/T 21563—2008确定疲劳工况，通过疲劳分析得到应力；

(2) 基于修正后的FKM标准规定的应力转换公式和S-N曲线进行疲劳校核。

柜体结构复杂，所涉及的焊缝形式主要有对焊、L型焊、T型焊和搭接焊，根据FKM标准中规定的许用应力计算方法以及高低温修正系数，在高海拔环境下，6005A-T6铝合金上述4种焊接形式对应的修正后的疲劳许用应力分别为21 MPa、21 MPa、21 MPa、18.9 MPa。

结合仿真所得的主应力结果与各焊缝修正后的疲劳许用应力，对焊缝的疲劳强度进行校核，并将结果进行可视化显示，如图4～图6所示。从图4～图6可知，柜体结构在纵向、垂向及横向疲劳工况下的焊缝利用度最大值分别为0.063、0.189和0.110，且未出现在同一位置。整个柜体的焊缝疲劳利用度为0.362，安全系数为2.76，表明柜体结构强度满足高海拔地区的使用要求。

图4 纵向疲劳工况下柜体焊缝的疲劳利用度

图5 垂向疲劳工况下柜体焊缝的疲劳利用度

图6 横向疲劳工况下柜体焊缝的疲劳利用度

(1) 6005A-T6铝合金的焊缝在室温及高低温环境下的疲劳强度分别为105 MPa和95 MPa。

(2) 通过高低温修正系数修正FKM标准中的焊缝疲劳许用应力，使得修正后的FKM标准能够适用于高海拔地区轨道车辆焊接结构的强度校核。

(3) 通过焊缝疲劳校核，现有高海拔地区轨道车辆的柜体结构满足标准要求，并且安全系数较大，存在一定的优化减重空间。

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