軌道車輛材料及其接頭強(qiáng)度評(píng)估方法對(duì)比及優(yōu)化建議

許保磊， 趙文平， 杜飛， 李影， 杜建強(qiáng)， 王順

(唐山機(jī)車車輛有限公司,河北 唐山 063035)

0 前言

隨著軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，EN 12663-1-2010《Railway applications-structural requirements of railway vehicle bodies-part 1: locomotives and passenger rolling stock (and alternative method for freight wagons)》[1]，AWS D1.1/D1.1M-2015《Structural welding code-steel》[2]，UIC 566-1990《Loadings of coach bodies and their component》[3]：JIS E7106-2018《Rolling stock-general requirements of car body structures for passenger car》[4]在國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠的應(yīng)用越來(lái)越多。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于材料靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度的規(guī)定各不相同，與國(guó)內(nèi)TB/T 3451—2016《動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)》[5]和TB/T 3550.1—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 車體 第1部分：客車車體》[6]也有區(qū)別，了解和對(duì)比分析這些標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)估具有重要意義。

1 材料強(qiáng)度評(píng)估方法對(duì)比

1.1 UIC 566

UIC 566規(guī)定了考核靜強(qiáng)度的超常載荷和考核疲勞強(qiáng)度的運(yùn)用載荷。超常載荷包括靜壓縮載荷、靜拉伸載荷、靜垂直載荷，以及疊加工況；運(yùn)用載荷是使用條件下的垂向載荷，運(yùn)用載荷未規(guī)定疲勞載荷波動(dòng)范圍，使用了固定數(shù)值。超常載荷下對(duì)母材進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，基于母材屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)S=1.0；對(duì)焊縫進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，基于母材屈服強(qiáng)度，S=1.1。運(yùn)用載荷下對(duì)母材進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，基于母材屈服強(qiáng)度，S=1.5。對(duì)焊縫進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，基于母材屈服強(qiáng)度，S=1.65。UIC 566認(rèn)為焊縫比母材弱，不論靜強(qiáng)度還是疲勞強(qiáng)度，母材的許用應(yīng)力均是焊縫的1.1倍。這表明UIC 566不適用于鋁合金車輛，而且強(qiáng)制規(guī)定鋼焊縫與母材的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度比例并不能真實(shí)反映實(shí)際情況。UIC 566認(rèn)為材料的疲勞強(qiáng)度與材料的屈服強(qiáng)度有較好的相關(guān)性，對(duì)于焊接接頭來(lái)說(shuō)，此觀點(diǎn)是不成立的。BS 7608-2014《Guide to fatigue design and assessment of steel products》[7]提供的焊接接頭S-N曲線數(shù)據(jù)對(duì)屈服強(qiáng)度低于700 MPa的結(jié)構(gòu)鋼都適用，即相同的焊接接頭形式，只要母材屈服強(qiáng)度低于700 MPa，它們的焊接接頭S-N曲線數(shù)據(jù)是沒(méi)有區(qū)別的。BS 7608的觀點(diǎn)受到業(yè)界廣泛認(rèn)可。UIC 566疲勞評(píng)估方法未考慮焊接接頭種類、載荷方向，未規(guī)定各向加速度波動(dòng)范圍來(lái)模擬疲勞載荷，已經(jīng)30年未升版，亟待更新。

1.2 EN 12663-1

EN 12663-1規(guī)定靜載荷許用應(yīng)力是在屈服強(qiáng)度基礎(chǔ)上，除以安全系數(shù)S。當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)只通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證時(shí)，S=1.15；當(dāng)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，S=1.0。

1.2.1鋼制車體

EN 12663-1評(píng)估靜強(qiáng)度時(shí)未區(qū)分鋼制車體母材與焊縫，認(rèn)為母材與焊縫等屈服強(qiáng)度。EN 12663-1規(guī)定三向加速度波動(dòng)范圍作為疲勞計(jì)算工況，完成仿真計(jì)算后，采用DVS 1612《Gestaltung und Dauerfestigkeits-bewertung von Schwei?verbindungen mit St?hlen im Schienenfahrzeugbau》[8]評(píng)估疲勞強(qiáng)度。DVS 1612提供的數(shù)據(jù)如圖1～圖3所示。

圖1 S235的許用疲勞正應(yīng)力幅

圖2 S355的許用疲勞正應(yīng)力幅

圖3 S235/S355的許用疲勞切應(yīng)力幅

圖1～圖3中縱坐標(biāo)為許用疲勞應(yīng)力幅，橫坐標(biāo)為應(yīng)力比，母材、各種焊接接頭對(duì)應(yīng)不同的曲線。每條曲線均有對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式，根據(jù)公式可以計(jì)算出母材/焊縫在實(shí)際承受的應(yīng)力比下的許用疲勞應(yīng)力幅。

當(dāng)材料屈服強(qiáng)度在235 MPa (S235)與355 MPa (S355)之間時(shí)，通過(guò)線性插值計(jì)算A/AB/B/C/D曲線的許用疲勞應(yīng)力幅；其余曲線在曲線段相同，水平段不同，當(dāng)其許用疲勞應(yīng)力幅不同時(shí)，也需進(jìn)行線性插值計(jì)算。當(dāng)材料屈服強(qiáng)度超過(guò)355 MPa (S355)時(shí)，僅A曲線可按屈服強(qiáng)度比例來(lái)提高許用疲勞應(yīng)力幅，其余曲線只能采用S355的許用疲勞應(yīng)力幅。

母材的疲勞強(qiáng)度評(píng)估。在母材上對(duì)某個(gè)部位的正應(yīng)力幅(σx和σy)及切應(yīng)力幅(τ)進(jìn)行評(píng)估。σx，σy和τ是各工況相應(yīng)應(yīng)力幅絕對(duì)值之和。首先對(duì)每個(gè)應(yīng)力幅分量進(jìn)行校核:

(1)

(2)

(3)

式中：ax為x方向的正應(yīng)力幅利用系數(shù)；ay為y方向的正應(yīng)力幅利用系數(shù)；aτ為剪應(yīng)力幅利用系數(shù)；σx,zul為x方向的許用正應(yīng)力幅，MPa；σy,zul為y方向的許用正應(yīng)力幅，MPa；τzul為許用切應(yīng)力幅，MPa。此外還需按照下述公式通過(guò)單向應(yīng)力下的應(yīng)力幅利用系數(shù)校核多軸應(yīng)力狀態(tài)，即滿足：

(ax)2+(ay)2-axay+(aτ)2≤1.1

(4)

焊縫的疲勞強(qiáng)度評(píng)估。對(duì)平行于和垂直于焊縫方向的正應(yīng)力幅(σ∥和σ⊥)及平行于焊縫方向的切應(yīng)力幅(τ)進(jìn)行評(píng)估。σ∥，σ⊥和τ是各工況相應(yīng)應(yīng)力幅絕對(duì)值之和。其利用系數(shù)(a∥，a⊥和aτ)須小于1，即：

(5)

(6)

(7)

式中：a∥為平行焊縫方向正應(yīng)力幅利用系數(shù)；a⊥為垂直焊縫方向正應(yīng)力幅利用系數(shù)；aτ為平行焊縫方向切應(yīng)力幅利用系數(shù)。σ∥,zul為平行于焊縫方向的許用正應(yīng)力幅，MPa；σ⊥,zul為垂直于焊縫方向的許用正應(yīng)力幅，MPa；τzul為許用切應(yīng)力幅，MPa。此外還需按照下述公式通過(guò)單向應(yīng)力下的應(yīng)力幅利用系數(shù)校核多軸應(yīng)力狀態(tài)，即滿足：

(a∥)2+(a⊥)2-a∥a⊥+(aτ)2≤1.1

(8)

1.2.2鋁制車體

根據(jù)EN 12663-1設(shè)計(jì)鋁制車體，進(jìn)行材料強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，多參照DVS 1608《Gestaltung und festigkeitsbewer tung von schwei?konstrucktionen aus aluminium-legierungen im Schienenfahrzeugbau》[9]。DVS 1608根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了各種鋁合金母材與熱影響區(qū)屈服強(qiáng)度，從DVS 1608中摘錄部分鋁合金材料數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 鋁合金材料的靜強(qiáng)度數(shù)值

由表1數(shù)據(jù)可知，UIC 566強(qiáng)制規(guī)定母材的許用應(yīng)力是焊縫的1.1倍不適用于鋁車體。DVS 1608利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)方法科學(xué)合理。

完成EN 12663-1指定疲勞工況的計(jì)算后，采用DVS 1608提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的評(píng)估，如圖4～圖6所示。

圖4 應(yīng)力敏感性Mσ = 0.3的鋁合金正應(yīng)力黑格氏曲線圖

母材切應(yīng)力幅τW,s是通過(guò)0.65乘以應(yīng)力比等于-1時(shí)的正應(yīng)力幅計(jì)算出來(lái)的：

τW,s=σW,zd·0.65

(9)

圖4～圖6中曲線均有相對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式，根據(jù)σW,zd，τW,s與母材實(shí)際承受的應(yīng)力比可以計(jì)算出母材的許用正/切應(yīng)力幅。根據(jù)焊接接頭實(shí)際承受的應(yīng)力比與接頭對(duì)應(yīng)的缺口應(yīng)力指數(shù)，可計(jì)算出焊縫許用正/切應(yīng)力幅。

母材的疲勞強(qiáng)度評(píng)估。首先對(duì)每個(gè)應(yīng)力幅分量進(jìn)行校核，方法與公式(1)～(3)相同。此外還需按照下述公式通過(guò)單向應(yīng)力下的利用系數(shù)校核多軸應(yīng)力狀態(tài)，即滿足：

圖5 鋁焊接接頭的正應(yīng)力黑格氏曲線圖(Mσ = 0.15)

圖6 鋁焊接接頭的切應(yīng)力黑格氏曲線圖(Mσ = 0.09)

(ax)2+(ay)2+fvaxay+(aτ)2≤1

(10)

焊縫的疲勞強(qiáng)度評(píng)估。首先對(duì)應(yīng)力幅分量進(jìn)行校核，方法與公式(5)～(7)相同。此外還需按照下述公式通過(guò)單向應(yīng)力下的應(yīng)力幅利用系數(shù)校核多軸應(yīng)力狀態(tài)，即滿足：

(a∥)2+(a⊥)2+fva∥a⊥+(aτ)2≤1

(11)

式中：符號(hào)系數(shù)fv在-1.0～+1.0之間變化。一種簡(jiǎn)化、安全的處理方式是將fv設(shè)置為+1.0。

1.3 JIS E7106

靜強(qiáng)度評(píng)估。JIS E7106規(guī)定了常用日標(biāo)低合金鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，S=1.5時(shí)母材的許用正應(yīng)力/切應(yīng)力。規(guī)定了低合金鋼焊接接頭的許用應(yīng)力，見(jiàn)表2。

表2 日標(biāo)低合金鋼焊接接頭的許用應(yīng)力

JIS E7106規(guī)定了常用日標(biāo)不銹鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，S=1.5時(shí)母材的許用正應(yīng)力/切應(yīng)力。規(guī)定了不銹鋼焊接接頭的許用應(yīng)力，見(jiàn)表3。

表3 日標(biāo)不銹鋼焊接接頭的許用應(yīng)力

JIS E7106規(guī)定了常用日標(biāo)鋁合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，S=1.5時(shí)母材的許用正應(yīng)力/切應(yīng)力。規(guī)定了鋁合金焊接接頭許用正應(yīng)力/切應(yīng)力。

疲勞強(qiáng)度評(píng)估。JIS E7106規(guī)定靜強(qiáng)度合格足以確保疲勞強(qiáng)度合格，若必須評(píng)估，當(dāng)事方之間可額外商定疲勞評(píng)估方法。

1.4 TB/T 3451

靜強(qiáng)度評(píng)估。TB/T 3451規(guī)定靜載荷工況下，應(yīng)力不應(yīng)大于材料屈服強(qiáng)度。提供了各種鋁合金材料母材與熱影響區(qū)屈服強(qiáng)度；列舉了常用不銹鋼、碳鋼的母材屈服強(qiáng)度，熱影響區(qū)屈服強(qiáng)度在母材屈服強(qiáng)度基礎(chǔ)上除以1.1。

疲勞強(qiáng)度評(píng)估。TB/T 3451標(biāo)準(zhǔn)中提到疲勞極限法和累積損傷法，根據(jù)材料可用數(shù)據(jù)情況進(jìn)行選取。

疲勞極限法即實(shí)際應(yīng)力幅不應(yīng)大于材料的許用疲勞應(yīng)力幅。累積損傷法利用S-N曲線，根據(jù)Palmgren-Miner法則計(jì)算每個(gè)疲勞載荷工況作用1×107次循環(huán)產(chǎn)生的損傷，累積所有疲勞載荷工況產(chǎn)生的損傷得到總損傷，總損傷應(yīng)低于1。DVS 1608，DVS 1612，AWS D1.1屬于疲勞極限法。BS 7608詳細(xì)規(guī)定了累積損傷法的計(jì)算細(xì)節(jié)。某鋁制動(dòng)車組采用了DVS 1608，某鋼制動(dòng)車組采用了BS 7608，某不銹鋼地鐵采用了DVS 1612。

1.5 TB/T 3550.1

靜強(qiáng)度評(píng)估。TB/T 3550.1表C.1規(guī)定了常用鋼材的屈服強(qiáng)度，適用于三點(diǎn)抬車、車體設(shè)備連接固結(jié)強(qiáng)度計(jì)算工況；規(guī)定了第一工況(縱向拉伸、壓縮)時(shí)鋼材的許用應(yīng)力。

表C.1未區(qū)分母材與熱影響區(qū)。B/T 3550.1表C.2規(guī)定了常用鋁合金材料母材、熱影響區(qū)的屈服強(qiáng)度，適用于三點(diǎn)抬車、車體設(shè)備連接固結(jié)強(qiáng)度計(jì)算工況；規(guī)定了第一工況(縱向拉伸壓縮)時(shí)母材、熱影響區(qū)的許用應(yīng)力。

疲勞強(qiáng)度評(píng)估。與TB/T 3451對(duì)疲勞強(qiáng)度評(píng)估的要求相同。

1.6 AWS D1.1

靜強(qiáng)度評(píng)估。AWS D1.1規(guī)定了碳鋼、低合金鋼全焊透(CJP)坡口焊縫、未焊透(PJP)坡口焊縫、角焊縫、塞焊、槽焊的許用應(yīng)力，摘錄CJP焊縫、角焊縫部分內(nèi)容見(jiàn)表4。

表4 焊縫許用應(yīng)力

AWS D1.1認(rèn)為CJP坡口焊縫與母材的許用應(yīng)力相同；對(duì)于角焊縫的校核較為科學(xué)。

疲勞強(qiáng)度評(píng)估。AWS D1.1規(guī)定的是母材、各種焊接接頭的許用應(yīng)力變化范圍，而不是許用應(yīng)力幅。北美項(xiàng)目通常規(guī)定在AW3載荷下，垂向加速度波動(dòng)±0.2 g，計(jì)算的von Mises應(yīng)力變化范圍不得超出許用應(yīng)力變化范圍。

1.7 AWS D1.6

靜強(qiáng)度評(píng)估。AWS D1.6[10]規(guī)定了不銹鋼全焊透(CJP)坡口焊縫、未焊透(PJP)坡口焊縫、角焊縫、塞焊、槽焊的許用應(yīng)力，摘錄CJP焊縫、角焊縫部分內(nèi)容見(jiàn)表5。

表5 焊縫許用應(yīng)力

與碳鋼、低合金鋼根據(jù)抗拉強(qiáng)度匹配原則選取焊材不同，不銹鋼選擇填充金屬根據(jù)化學(xué)成分匹配原則，這可能導(dǎo)致低強(qiáng)匹配或高強(qiáng)匹配。AWS D1.6在評(píng)估坡口焊縫強(qiáng)度時(shí)，取母材與填充金屬?gòu)?qiáng)度中的最低值。北美業(yè)主技術(shù)實(shí)力不同，某些業(yè)主會(huì)忽略此問(wèn)題，要求按照母材與焊縫等強(qiáng)度進(jìn)行校核。

疲勞強(qiáng)度評(píng)估。AWS D1.6未提及疲勞強(qiáng)度評(píng)估，評(píng)估不銹鋼疲勞強(qiáng)度依據(jù)AWS D1.1執(zhí)行。

1.8 AWS D1.2

AWS D1.2[11]規(guī)定了鋁焊縫的最小抗拉強(qiáng)度，未提及屈服強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度。鋁制車體多用于北美貨車，北美客車若局部使用鋁合金材料，通常參考AAR C-II-2015[12]推薦的貨車疲勞評(píng)估方法或DVS 1608。

2 實(shí)際生產(chǎn)中材料靜強(qiáng)度的影響因素

2.1 母材

以某項(xiàng)目為例，使用的金屬材料見(jiàn)表6。交貨的金屬材料強(qiáng)度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)最低要求。以Grade A/ASTM A588-2015為例，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定屈服強(qiáng)度ReH≥345 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm≥485 MPa，某批次材質(zhì)單中屈服強(qiáng)度在427～448 MPa之間波動(dòng)，抗拉強(qiáng)度在503～524 MPa之間波動(dòng)。

表6 某項(xiàng)目使用的金屬材料

考慮到各廠家、各批次金屬力學(xué)性能的不同，實(shí)際校核母材強(qiáng)度時(shí)須按照標(biāo)準(zhǔn)中的最低值為準(zhǔn)。

所有標(biāo)準(zhǔn)均忽視了不銹鋼壓縮狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度明顯低于拉伸狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度。以S30103-1/8Hard為例，試驗(yàn)測(cè)得其壓縮狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度僅為330 MPa。某些業(yè)主要求區(qū)分不銹鋼拉伸、壓縮狀態(tài)的屈服強(qiáng)度。

2.2 焊接接頭

此項(xiàng)目執(zhí)行的焊接標(biāo)準(zhǔn)指定了4種焊材：抗拉強(qiáng)度為550 MPa的ER80S-G焊材，抗拉強(qiáng)度為690 MPa的ER100S-G焊材，抗拉強(qiáng)度為520 MPa的ER308LSi和ER309LSi焊材。ER80S-G，ER100S-G用于低合金鋼焊接，ER308LSi用于不銹鋼焊接，ER309LSi用于不銹鋼與低合金鋼之間焊接。焊材標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定屈服強(qiáng)度數(shù)值。ER80S-G材質(zhì)單中屈服強(qiáng)度達(dá)到了530 MPa；ER100S-G材質(zhì)單中屈服強(qiáng)度達(dá)到了680 MPa；ER308LSi材質(zhì)單中屈服強(qiáng)度不小于320 MPa；ER309LSi材質(zhì)單中屈服強(qiáng)度不小于400 MPa。上述提到的是全焊縫金屬的屈服強(qiáng)度，焊接接頭的屈服強(qiáng)度不同于母材與全焊縫金屬。

焊接工藝評(píng)定進(jìn)行坡口焊接接頭拉伸試驗(yàn)時(shí)，通常不測(cè)量屈服強(qiáng)度，只測(cè)量抗拉強(qiáng)度。但是設(shè)計(jì)者關(guān)注的恰恰是焊接接頭的屈服強(qiáng)度。

2.2.1碳鋼、低合金鋼CJP焊接接頭

碳鋼、低合金鋼根據(jù)抗拉強(qiáng)度匹配原則選取焊材，焊材標(biāo)準(zhǔn)雖未規(guī)定屈服強(qiáng)度，實(shí)際卻高于母材實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度，更高于母材屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值?？芍狤N 12663-1，AWS D1.1，TB/T 3550.1，JIS E7106不區(qū)分常用低合金鋼母材與焊縫是合理的。

僅UIC 566，TB/T 3451規(guī)定焊縫/熱影響區(qū)在母材屈服強(qiáng)度基礎(chǔ)上取1.1的安全系數(shù)。UIC 566 30年未升版，亟待改進(jìn)。TB/T 3451適用于時(shí)速200～350 km/h動(dòng)車組車體，主結(jié)構(gòu)使用鋁合金，因此低合金鋼焊接接頭的安全系數(shù)取1.1也無(wú)不可。

2.2.2未經(jīng)冷作硬化處理不銹鋼的CJP焊接接頭

EN 12663-1，AWS D1.1，TB/T 3550.1，JIS E7106，UIC 566，TB/T 3451對(duì)未經(jīng)冷作硬化處理不銹鋼CJP焊接接頭的規(guī)定同碳鋼、低合金鋼CJP焊接接頭。

AWS D1.6中規(guī)定不銹鋼CJP焊接接頭取母材、填充金屬屈服強(qiáng)度中的最低值。由項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)可知，AWS D1.6的規(guī)定相對(duì)科學(xué)。

2.2.3經(jīng)冷作硬化處理不銹鋼的CJP焊接接頭

經(jīng)冷作硬化處理的不銹鋼焊接后，熱影響區(qū)損失了部分強(qiáng)度，但并未降低到完全沒(méi)有冷作硬化處理效果的程度。某些業(yè)主會(huì)要求做實(shí)驗(yàn)確定接頭強(qiáng)度，否則按無(wú)冷作硬化效果的不銹鋼確定接頭強(qiáng)度；部分業(yè)主認(rèn)為接頭的屈服強(qiáng)度和母材一致；這和業(yè)主的經(jīng)驗(yàn)、業(yè)務(wù)能力有關(guān)。

JIS E7106常用4種經(jīng)冷作硬化處理的不銹鋼：SUS301L-1/4H，SUS301L-1/2H，SUS301L-3/4H，SUS301L-H。SUS301L-1/4H壓延量最小，焊接后損失的強(qiáng)度最小。JIS E7106規(guī)定這4種不銹鋼焊接接頭的強(qiáng)度均與SUS301L-1/4H母材相同，略高于接頭的實(shí)際強(qiáng)度，便于設(shè)計(jì)，即使接頭局部屈服，車體受力路徑上的其他未屈服材料會(huì)承擔(dān)載荷。

其他標(biāo)準(zhǔn)均未提及或未正確考慮冷作硬化不銹鋼焊接接頭的強(qiáng)度，對(duì)于不銹鋼動(dòng)車組、不銹鋼地鐵、出口型不銹鋼干線車輛而言，存在評(píng)估盲區(qū)。

建議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參考JIS E7106細(xì)化對(duì)冷作硬化不銹鋼的屈服強(qiáng)度規(guī)定。

2.2.4鋁合金CJP焊接接頭

各國(guó)常用鋁合金材料的熱影響區(qū)屈服強(qiáng)度在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均有規(guī)定。

2.2.5PJP坡口焊/角焊/塞焊/槽焊焊接接頭

僅AWS D1.1，AWS D1.6，JIS E7106等效準(zhǔn)規(guī)定了PJP坡口焊/角焊/塞焊/槽焊焊接接頭的許用應(yīng)力確定原則。

JIS E7106規(guī)定坡口焊接接頭許用應(yīng)力與母材相同，未區(qū)分是否焊透；規(guī)定角焊/塞焊/槽焊焊接接頭強(qiáng)度校核采用母材的許用剪應(yīng)力，母材的許用剪應(yīng)力約為屈服強(qiáng)度的0.57倍。AWS D1.1，AWS D1.6規(guī)定采用安全系數(shù)乘以填充金屬抗拉強(qiáng)度作為PJP坡口焊/角焊/塞焊/槽焊焊接接頭的許用應(yīng)力，安全系數(shù)在0.3～0.6之間，由當(dāng)事雙方商定。考慮到異種金屬之間的角焊縫，AWS D1.1，AWS D1.6的規(guī)定較JIS E7106更加便于操作。

執(zhí)行AWS D1.1，AWS D1.6的項(xiàng)目，需從有限元計(jì)算結(jié)果中提取出焊縫對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置母材的應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力同角焊縫等焊縫的受力互為反作用力，大小相等。通過(guò)力學(xué)公式計(jì)算得到焊縫有效面積上的應(yīng)力，與許用應(yīng)力進(jìn)行比對(duì)，完成評(píng)估。

執(zhí)行其它標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目，不校核PJP焊接接頭，認(rèn)為與CJP焊縫相同；校核角焊/塞焊/槽焊焊接接頭時(shí)，只校核焊縫對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力是否超出焊縫/熱影響區(qū)的許用應(yīng)力，不考慮焊腳大小、剪應(yīng)力和附加彎矩。

建議其他標(biāo)準(zhǔn)參考AWS D1.1，AWS D1.6細(xì)化PJP坡口焊/角焊/塞焊/槽焊焊接接頭的許用應(yīng)力確定原則。

2.2.6異種金屬坡口焊接接頭

JIS E7106規(guī)定異種金屬坡口焊接接頭，取母材許用應(yīng)力中的較小值。其他標(biāo)準(zhǔn)雖無(wú)明文規(guī)定，實(shí)際也是如此執(zhí)行。

以前文提到的項(xiàng)目為例，ER309LSi用于不銹鋼與低合金鋼焊接。全焊縫金屬的屈服強(qiáng)度與兩側(cè)母材的屈服強(qiáng)度相比，強(qiáng)弱關(guān)系多樣化。因此建議所有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，異種金屬坡口焊接接頭許用應(yīng)力取兩側(cè)母材、填充金屬許用應(yīng)力的較小值。

3 實(shí)踐中焊接接頭疲勞強(qiáng)度評(píng)估存在的問(wèn)題

3.1 疲勞工況

各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞工況均有適用的線路條件。設(shè)計(jì)成熟的鐵路車輛出口到線路條件較差的國(guó)家時(shí)，須調(diào)整疲勞載荷數(shù)值進(jìn)行重新校核。

各標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)固定載荷或各向加速度波動(dòng)范圍來(lái)模擬疲勞載荷，均未規(guī)定車體與走行部連接位置的疲勞載荷。因未評(píng)價(jià)車體與走行部連接位置疲勞強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)多起車體開(kāi)裂事故。

3.2 焊接接頭疲勞校核

使用疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)前，須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供的焊接接頭清單進(jìn)行對(duì)號(hào)入座，標(biāo)準(zhǔn)中各接頭之間區(qū)分方式為接頭幾何形狀、焊縫位置與載荷方向。

實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中會(huì)遇到以下問(wèn)題：①車體焊接接頭種類繁多，特定疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中提供的接頭種類有限，難以完全匹配；②疲勞計(jì)算工況多，接頭載荷方向不固定，難以與標(biāo)準(zhǔn)中焊接接頭載荷方向完全匹配。

密歇根大學(xué)董平沙教授發(fā)明的評(píng)估焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法可解決上述問(wèn)題，目前多用于機(jī)車車輛疲勞領(lǐng)域?qū)W術(shù)交流，無(wú)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)未提及電阻點(diǎn)焊接頭的疲勞強(qiáng)度

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均未提供電阻點(diǎn)焊接頭的疲勞數(shù)據(jù)，一般不進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的疲勞評(píng)估。

某項(xiàng)目業(yè)主要求評(píng)估焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度，確定了2種方案，其一采用公式計(jì)算許用疲勞剪切力變化范圍：

(12)

式中：F為許用疲勞剪切力變化范圍，N；D-WPS中規(guī)定的最小焊點(diǎn)直徑，mm。此方法計(jì)算值較小，因此對(duì)關(guān)鍵焊點(diǎn)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，測(cè)得了較大的焊點(diǎn)許用疲勞剪切力變化范圍。

4 結(jié)論

(1) UIC 566不適用于鋁制車體、冷作硬化不銹鋼車體；對(duì)碳鋼、低合金鋼焊縫基于母材屈服強(qiáng)度取1.1的安全系數(shù)，也不符合實(shí)際情況；使用固定垂向載荷計(jì)算應(yīng)力，與母材、焊縫的許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比評(píng)估疲勞強(qiáng)度的簡(jiǎn)化方式，落后于主流疲勞評(píng)估方法。

(2)靜強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，EN 12663-1未區(qū)分母材與焊縫；TB/T 3550.1未區(qū)分常用鋼材母材與焊縫；AWS D1.2規(guī)定了美標(biāo)鋁焊縫的最小抗拉強(qiáng)度，未規(guī)定屈服強(qiáng)度；TB/T 3451，JIS E7106區(qū)分了常用鋁合金、鋼材的焊縫/熱影響區(qū)與母材；TB/T 3550.1區(qū)分了常用鋁合金的熱影響區(qū)與母材；AWS D1.1區(qū)分了常用碳鋼、低合金鋼的焊縫與母材；AWS D1.6區(qū)分了常用不銹鋼的焊縫與母材。

(3) 雖然交貨的金屬材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)最低要求，但是考慮到各廠家、各批次性能的不同，校核母材強(qiáng)度時(shí)須按照標(biāo)準(zhǔn)中的最低值為準(zhǔn)；所有標(biāo)準(zhǔn)均忽視了不銹鋼壓縮狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度明顯低于拉伸狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度；碳鋼/低合金鋼CJP焊接接頭應(yīng)視焊縫與母材等屈服強(qiáng)度。未經(jīng)冷作硬化處理不銹鋼CJP焊接接頭應(yīng)取母材、填充金屬屈服強(qiáng)度中的最低值。

(4) 建議對(duì)常用冷作硬化不銹鋼焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到屈服強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)，列入標(biāo)準(zhǔn)；建議以0.6乘以填充金屬的抗拉強(qiáng)度作為PJP坡口焊/角焊/塞焊/槽焊接頭的許用屈服強(qiáng)度。校核方式也需向AWS D1.1，AWS D1.6靠攏；建議異種金屬接頭許用應(yīng)力取兩側(cè)母材、填充金屬許用應(yīng)力的較小值。

(5) 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)規(guī)定車體與走行部連接位置的疲勞載荷，這些位置疲勞裂紋易發(fā)；實(shí)際焊接接頭難以按照疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)提供的焊接接頭清單進(jìn)行對(duì)號(hào)入座，建議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)引入董平沙教授發(fā)明的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法；國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提供電阻點(diǎn)焊接頭疲勞數(shù)據(jù)。