应力比对A7N01铝合金焊接接头裂纹近门槛值区拐点的影响

李有堂1,2，王亚东2

(1. 兰州理工大学数字制造技术及应用教育部实验室，甘肃 兰州 730050）

(2. 兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

作者简介：〖HTSS〗李有堂（1963—），男，教授，博士，主要从事裂纹理论、产品创新设计、寿命管理和虚拟技术等的研发工作,liyt@lut.cn.

摘要：以A7N01铝合金焊接接头为研究对象，借助有限元法及有限元软件先进行A7N01铝合金板对接焊模拟，得到接头处残余应力分布情况，再对接头裂纹进行扩展模拟，最后应用最小二乘法对提取的仿真数据进行处理，重点分析了应力比对疲劳裂纹近门槛值区拐点的影响。结果表明：在接头裂纹扩展速率曲线的近门槛值区存在一个拐点，且应力比对其有影响。拐点对应的应力强度因子幅值ΔKt随应力比R的增大而减小，且当R>0.5时，ΔKt变化不大。拐点前后拟合直线斜率k随应力比R的变化为：在L1区(低速扩展区)，拟合直线斜率k1随应力比R的变化更为明显，且随应力比R的增大而减小；在L2区(Paris的延续)，拟合直线斜率k2随应力比R变化不大。

关键词：A7N01铝合金；焊接接头裂纹；近门槛值区；拐点；应力比

中图分类号：O346   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2019)07-0108-06

A7N01铝合金的主要成分为Al、Zn、Mg，其延展性能良好，焊接性能优秀，被广泛用于制造高速列车等［1］。基于断裂力学理论来评估车体焊接结构的剩余寿命，需要先分析接头裂纹的扩展速率。关于疲劳裂纹扩展理论的研究已经进行了几十年，最重大的成果是Paris［2］提出的用应力强度因子幅值ΔK来定量地表达疲劳裂纹扩展速率，即Paris公式，因此疲劳裂纹扩展速率可以通过双对数坐标下裂纹扩展速率曲线进行研究。裂纹扩展速率曲线分为3个部分：低速扩展区、稳定扩展区及失稳扩展区，其中低速扩展区又被称为近门槛值区。学者们研究发现：在近门槛值区存在一个拐点，其存在的机理要素涉及了材料屈服强度［3］、特征尺寸［4-5］、应力比［3］和环境［3］等。其中，Yoder等［6］和马英杰等［7］分别发现在应力比为0.33和0.10的条件下，拐点的循环塑性区的尺寸与特征组织尺寸相接近。

由于列车在实际运行时会经受复杂交变载荷的作用，焊接缺陷对铝合金焊接接头的抗疲劳强度产生较大影响，因此对接头裂纹的扩展研究具有很重要的意义。本文以A7N01铝合金焊接接头为研究对象，分析了应力比对接头裂纹扩展速率的影响，重点讨论了应力比对拐点的影响。