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原文传递基于缺口结构应力法的铝合金焊接接头疲劳性能研究

论文题名：	基于缺口结构应力法的铝合金焊接接头疲劳性能研究
关键词：	高速列车;铝合金;焊接接头;疲劳性能;缺口结构应力法
摘要：	铝合金在轨道列车车体轻量化设计中应用广泛。熔化焊（TIG与MIG）与搅拌摩擦焊（FSW）是铝合金车体生产制造过程的重要环节。为保证焊接接头及结构的服役可靠性，国内外众多学者已对接头的疲劳性能开展了广泛地研究。其中很多基于“小试样”的材料疲劳研究结果表明：FSW接头材料的疲劳性能优于传统熔化焊接头。然而这些研究结果难以指导实际的生产实践，因为影响FSW结构疲劳性能的诸多因素，比如焊接变形、缺口效应、承载方式、尺寸效应等问题在材料疲劳研究中无法得到充分的考虑。这也是行业内FSW接头的疲劳设计仍沿用了传统熔化焊标准的主要原因。因此充分考虑结构因素影响的熔化焊接头与FSW接头及结构的疲劳性能对比量化研究对于高速列车车体疲劳设计具有重要意义。　　为实现这一目标，本研究提出了可以充分反映结构效应的缺口结构应力法（NotchStructuralStress,NSS），其推导过程基于沿缺口承载截面的应力分布函数及缺口效应下裂纹扩展过程的应力演化规律，前者反映了缺口构件承载过程的应力分布梯度，后者描述了不同长度范围内的应力分布对疲劳驱动力的贡献。与其他常用的疲劳评估方法相比，缺口结构应力法具有众多优势，比如在数值模型和构件疲劳行为间建立联系，区分不同缺口角度及承载类型对疲劳驱动力的影响，描述缺口根部圆弧半径的大小对疲劳性能的影响等。通过双V型缺口疲劳试验及四类钝型缺口疲劳试验的数据分析可以发现，缺口结构应力法相比于其他常用的疲劳评估方法可以更好地整合不同缺口角度、缺口尖锐程度、缺口类型、加载模式对应的S-N数据。　　作为一种全新的疲劳评估方法，缺口结构应力法在传统焊接接头中应用的有效性需进一步加以验证。与此同时，相关的熔化焊接头疲劳数据可以为后文的FSW接头疲劳性能的对比描述做铺垫。研究发现熔化焊十字接头两种典型的失效模式——焊趾失效与焊根失效，对应着不同的疲劳裂纹扩展特征，导致两者对应的应力强度因子计算方式存在明显差异，应加以区分。据此提出的缺口结构应力求解方案，相较于等效结构应力法，展现出了更好的整合不同失效模式疲劳数据、准确预测接头失效位置的能力。此外，对于焊根失效中涉及的Ⅰ型与Ⅱ型应力强度因子叠加问题，ΔKeff=(ΔKⅠ4+8ΔKⅡ4)1/4为与试验结果契合最佳的叠加方案。　　含焊接变形的接头试件在疲劳加载过程中容易产生二次弯矩，其降低了测试的疲劳寿命，从而使得接头的疲劳性能被明显低估，若忽略这种影响，疲劳设计便会偏于保守。本研究通过卡具纠正变形产生预应力及协调变形产生二次应力集中两个方面量化了十字接头中常见的轴偏差及角变形对疲劳驱动力的影响。研究结果发现：考虑焊接变形影响后的缺口结构应力S-N曲线收敛度有了明显的提升，所有数据点围绕在ΔσNSS=（2.57e-16·N）-4.82附近，该曲线反映了熔化焊十字接头的疲劳抗力。　　对于FSW接头的疲劳性能研究，本研究针对复杂的6005A-T6铝合金挤压型材，创新设计了两套疲劳加载方案，从接头直接承载和接头在结构中间接承载两个层面对FSW对搭接接头的疲劳性能进行了详细的试验研究与理论计算。结果表明，对搭接接头中的水平缺口严重影响接头的疲劳寿命，如果不能充分考虑缺口效应，等效结构应力法表征的FSW对搭接接头疲劳性能略低于熔化焊十字接头；考虑缺口效应后，FSW对搭接接头的疲劳抗力则相对占优。　　结合FSW对接接头的疲劳数据分析发现，相较于熔化焊十字接头，FSW接头在较高应力循环加载下体现出疲劳抗力的优势，然而在低应力加载下（缺口结构应力幅值＜100MPa）的疲劳性能明显不及熔化焊接头。较高应力循环加载下的性能优势来源于接头的晶粒细化；而低载荷下的疲劳性能劣势主要源于不完全的重结晶致使晶粒内部仍保留大量位错，这些位错在晶界及第二相附近的塞积使得接头在低载荷下更加容易萌生疲劳裂纹。焊接参数方面，保证接头无明显焊接缺陷的前提下，接头的疲劳性能与接头单位厚度的热输入(n/v/t)成正相关，此外，双轴肩FSW接头相较于多数单轴肩接头的疲劳性能更为优异。缺陷方面，未焊透缺陷可通过将未焊透区域看作预置缺口，从而将接头疲劳抗力的降低转化为疲劳驱动力的增加，进而量化不同未焊透深度对接头疲劳性能的影响；FSW接头后退侧热机影响区浅表位置的S线缺陷对接头的疲劳性能产生显著影响：使接头的疲劳强度下降11.7%，接头疲劳寿命下降32.8%。本研究为铝合金FSW接头疲劳设计提供了强有力的理论支撑，因而具有重要的理论研究和工程应用意义。
作者：	于谊飞
专业：	材料加工工程
导师：	方洪渊;Dong Pingsha
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2022