高速列车横梁焊接结构热裂纹控制及寿命预测

摘要

高速列车服役可靠性问题一直是世界各国关注的热点问题,我国的高铁事业起步较晚,对于高速列车的制造和服役的可靠性还需要不断的探索和研究。目前在服役高速列车定期检修过程中,常常在高速列车底架的横梁焊缝附近发现裂纹的存在,尽管结构尚未发生失效破坏,但这些裂纹的存在严重威胁着车体运行的安全性,因此本文针对高速列车横梁结构的裂纹问题,借助显微组织观察、断口分析、高温拉伸试验等多种试验手段,确定了裂纹的形成原因。利用高温拉伸试验、扫描电镜断口分析、显微硬度测试、金相观察、超声波法残余应力测试获得了控制高速列车横梁结构中裂纹的行之有效的优化方案。采用有限元软件分析了新旧工艺的应力集中系数,采用Forman公式计算了新旧工艺服役应力水平下的剩余寿命,本文的主要研究工作包括以下几方面:
　　对服役构件焊接接头进行金相观察,发现焊缝根部存在未焊透缺陷,降低了结构抵御疲劳失效的能力。对服役构件进行断口分析,从断口上的过烧断口形貌分析,裂纹是在焊接热加工中形成的。对高速列车横梁(A7N01-T5)和补强板(A7N01-T4)进行高温延性测试,从高温伸长率曲线分析,A7N01铝合金的高温延性对轧制方向敏感,材料的热裂纹大约发生在500℃~600℃的温度区间。
　　对替换材料A5083-O和A6N01S-T5进行高温延性测试,与A7N01铝合金材料相比A6N01S-T5的高温延性更好,且对轧制方向不敏感。提出采用A6N01S-T5作为替换横梁的材质,同时将坡口角度从35°提高到50°。对比焊接接头宏观形貌发现,焊趾处的未熔合现象得到了显著改善。对改进前后工艺的焊接接头进行了超声波残余应力测试,结果表明旧工艺焊接构件焊缝附近残余应力接近屈服强度,新工艺的残余应力最大值约为120~150MPa,明显低于旧工艺。从残余应力角度分析,新工艺方案更有利于提高构件的承载能力,消除焊接热裂纹的产生。
　　对新旧工艺承受拉伸载荷和弯曲载荷下的应力集中系数进行计算,由于旧工艺存在未焊透缺陷,因此应力集中系数大于新工艺,即旧工艺对疲劳裂纹更加敏感。将尺寸为2mm的未焊透作为旧工艺的初始缺陷,对构件在0~7MPa的工作应力以及150MPa和250MPa的残余应力的共同作用下的剩余寿命进行计算,新旧工艺均能达到200万次的疲劳寿命要求,因此采用新工艺并不会降低高速列车横梁的剩余寿命。

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第1章 绪论

1.1 课题意义与背景

1.2 热裂纹的产生机理

1.3 高速列车焊接结构的制造与服役

1.4焊接构件的受力分析

1.5 本文主要研究内容

第2章 试验材料及测试方法

2.1试验材料及焊接方法

2.2铝合金材料性能测试方法

2.3本章小结

第3章 车体承载结构的受力特性及缺陷分析

3.1 引言

3.2显微组织分析

3.3失效构件断口形貌分析

3.4 A7N01铝合金高温延性分析

3.5本章小结

第4章 车体承载结构的制造工艺优化

4.1引言

4.2替换材质的高温延性

4.3改进工艺的提出

4.4焊接接头显微硬度

4.5焊接构件残余应力测试

4.6本章小结

第5章 工艺优化前后承载结构剩余寿命计算

5.1承载应力场数值模拟

5.2剩余寿命计算

5.3 本章小结

结论

参考文献

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