轨道车辆材料及其接头强度评估方法对比及优化建议

许保磊， 赵文平， 杜飞， 李影， 杜建强， 王顺

(唐山机车车辆有限公司,河北 唐山 063035)

0 前言

随着轨道交通事业的快速发展，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]在国内各主机厂的应用越来越多。这些标准对于材料静强度、疲劳强度的规定各不相同，与国内TB/T 3451—2016《动车组车体结构强度设计及试验》[5]和TB/T 3550.1—2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体 第1部分：客车车体》[6]也有区别，了解和对比分析这些标准，对车体结构设计与评估具有重要意义。

1 材料强度评估方法对比

1.1 UIC 566

UIC 566规定了考核静强度的超常载荷和考核疲劳强度的运用载荷。超常载荷包括静压缩载荷、静拉伸载荷、静垂直载荷，以及叠加工况；运用载荷是使用条件下的垂向载荷，运用载荷未规定疲劳载荷波动范围，使用了固定数值。超常载荷下对母材进行评价时，基于母材屈服强度，安全系数S=1.0；对焊缝进行评价时，基于母材屈服强度，S=1.1。运用载荷下对母材进行评价时，基于母材屈服强度，S=1.5。对焊缝进行评价时，基于母材屈服强度，S=1.65。UIC 566认为焊缝比母材弱，不论静强度还是疲劳强度，母材的许用应力均是焊缝的1.1倍。这表明UIC 566不适用于铝合金车辆，而且强制规定钢焊缝与母材的静强度及疲劳强度比例并不能真实反映实际情况。UIC 566认为材料的疲劳强度与材料的屈服强度有较好的相关性，对于焊接接头来说，此观点是不成立的。BS 7608-2014《Guide to fatigue design and assessment of steel products》[7]提供的焊接接头S-N曲线数据对屈服强度低于700 MPa的结构钢都适用，即相同的焊接接头形式，只要母材屈服强度低于700 MPa，它们的焊接接头S-N曲线数据是没有区别的。BS 7608的观点受到业界广泛认可。UIC 566疲劳评估方法未考虑焊接接头种类、载荷方向，未规定各向加速度波动范围来模拟疲劳载荷，已经30年未升版，亟待更新。

1.2 EN 12663-1

EN 12663-1规定静载荷许用应力是在屈服强度基础上，除以安全系数S。当设计结构只通过计算验证时，S=1.15；当通过试验验证时，S=1.0。

1.2.1钢制车体

EN 12663-1评估静强度时未区分钢制车体母材与焊缝，认为母材与焊缝等屈服强度。EN 12663-1规定三向加速度波动范围作为疲劳计算工况，完成仿真计算后，采用DVS 1612《Gestaltung und Dauerfestigkeits-bewertung von Schweißverbindungen mit Stählen im Schienenfahrzeugbau》[8]评估疲劳强度。DVS 1612提供的数据如图1～图3所示。

图1 S235的许用疲劳正应力幅

图2 S355的许用疲劳正应力幅

图3 S235/S355的许用疲劳切应力幅

图1～图3中纵坐标为许用疲劳应力幅，横坐标为应力比，母材、各种焊接接头对应不同的曲线。每条曲线均有对应的计算公式，根据公式可以计算出母材/焊缝在实际承受的应力比下的许用疲劳应力幅。

当材料屈服强度在235 MPa (S235)与355 MPa (S355)之间时，通过线性插值计算A/AB/B/C/D曲线的许用疲劳应力幅；其余曲线在曲线段相同，水平段不同，当其许用疲劳应力幅不同时，也需进行线性插值计算。当材料屈服强度超过355 MPa (S355)时，仅A曲线可按屈服强度比例来提高许用疲劳应力幅，其余曲线只能采用S355的许用疲劳应力幅。

母材的疲劳强度评估。在母材上对某个部位的正应力幅(σx和σy)及切应力幅(τ)进行评估。σx，σy和τ是各工况相应应力幅绝对值之和。首先对每个应力幅分量进行校核:

(1)

(2)

(3)

式中：ax为x方向的正应力幅利用系数；ay为y方向的正应力幅利用系数；aτ为剪应力幅利用系数；σx,zul为x方向的许用正应力幅，MPa；σy,zul为y方向的许用正应力幅，MPa；τzul为许用切应力幅，MPa。此外还需按照下述公式通过单向应力下的应力幅利用系数校核多轴应力状态，即满足：

(ax)2+(ay)2-axay+(aτ)2≤1.1

(4)

焊缝的疲劳强度评估。对平行于和垂直于焊缝方向的正应力幅(σ∥和σ⊥)及平行于焊缝方向的切应力幅(τ)进行评估。σ∥，σ⊥和τ是各工况相应应力幅绝对值之和。其利用系数(a∥，a⊥和aτ)须小于1，即：

(5)

(6)

(7)

式中：a∥为平行焊缝方向正应力幅利用系数；a⊥为垂直焊缝方向正应力幅利用系数；aτ为平行焊缝方向切应力幅利用系数。σ∥,zul为平行于焊缝方向的许用正应力幅，MPa；σ⊥,zul为垂直于焊缝方向的许用正应力幅，MPa；τzul为许用切应力幅，MPa。此外还需按照下述公式通过单向应力下的应力幅利用系数校核多轴应力状态，即满足：

(a∥)2+(a⊥)2-a∥a⊥+(aτ)2≤1.1

(8)

1.2.2铝制车体

根据EN 12663-1设计铝制车体，进行材料强度评估时，多参照DVS 1608《Gestaltung und festigkeitsbewer tung von schweißkonstrucktionen aus aluminium-legierungen im Schienenfahrzeugbau》[9]。DVS 1608根据试验数据，给出了各种铝合金母材与热影响区屈服强度，从DVS 1608中摘录部分铝合金材料数据见表1。

表1 铝合金材料的静强度数值

由表1数据可知，UIC 566强制规定母材的许用应力是焊缝的1.1倍不适用于铝车体。DVS 1608利用试验数据的评价方法科学合理。

完成EN 12663-1指定疲劳工况的计算后，采用DVS 1608提供的数据进行疲劳强度的评估，如图4～图6所示。

图4 应力敏感性Mσ = 0.3的铝合金正应力黑格氏曲线图

母材切应力幅τW,s是通过0.65乘以应力比等于-1时的正应力幅计算出来的：

τW,s=σW,zd·0.65

(9)

图4～图6中曲线均有相对应的计算公式，根据σW,zd，τW,s与母材实际承受的应力比可以计算出母材的许用正/切应力幅。根据焊接接头实际承受的应力比与接头对应的缺口应力指数，可计算出焊缝许用正/切应力幅。

母材的疲劳强度评估。首先对每个应力幅分量进行校核，方法与公式(1)～(3)相同。此外还需按照下述公式通过单向应力下的利用系数校核多轴应力状态，即满足：

图5 铝焊接接头的正应力黑格氏曲线图(Mσ = 0.15)

图6 铝焊接接头的切应力黑格氏曲线图(Mσ = 0.09)

(ax)2+(ay)2+fvaxay+(aτ)2≤1

(10)

焊缝的疲劳强度评估。首先对应力幅分量进行校核，方法与公式(5)～(7)相同。此外还需按照下述公式通过单向应力下的应力幅利用系数校核多轴应力状态，即满足：

(a∥)2+(a⊥)2+fva∥a⊥+(aτ)2≤1

(11)

式中：符号系数fv在-1.0～+1.0之间变化。一种简化、安全的处理方式是将fv设置为+1.0。

1.3 JIS E7106

静强度评估。JIS E7106规定了常用日标低合金钢的屈服强度、抗拉强度，S=1.5时母材的许用正应力/切应力。规定了低合金钢焊接接头的许用应力，见表2。

表2 日标低合金钢焊接接头的许用应力

JIS E7106规定了常用日标不锈钢的屈服强度、抗拉强度，S=1.5时母材的许用正应力/切应力。规定了不锈钢焊接接头的许用应力，见表3。

表3 日标不锈钢焊接接头的许用应力

JIS E7106规定了常用日标铝合金的屈服强度、抗拉强度，S=1.5时母材的许用正应力/切应力。规定了铝合金焊接接头许用正应力/切应力。

疲劳强度评估。JIS E7106规定静强度合格足以确保疲劳强度合格，若必须评估，当事方之间可额外商定疲劳评估方法。

1.4 TB/T 3451

静强度评估。TB/T 3451规定静载荷工况下，应力不应大于材料屈服强度。提供了各种铝合金材料母材与热影响区屈服强度；列举了常用不锈钢、碳钢的母材屈服强度，热影响区屈服强度在母材屈服强度基础上除以1.1。

疲劳强度评估。TB/T 3451标准中提到疲劳极限法和累积损伤法，根据材料可用数据情况进行选取。

疲劳极限法即实际应力幅不应大于材料的许用疲劳应力幅。累积损伤法利用S-N曲线，根据Palmgren-Miner法则计算每个疲劳载荷工况作用1×107次循环产生的损伤，累积所有疲劳载荷工况产生的损伤得到总损伤，总损伤应低于1。DVS 1608，DVS 1612，AWS D1.1属于疲劳极限法。BS 7608详细规定了累积损伤法的计算细节。某铝制动车组采用了DVS 1608，某钢制动车组采用了BS 7608，某不锈钢地铁采用了DVS 1612。

1.5 TB/T 3550.1

静强度评估。TB/T 3550.1表C.1规定了常用钢材的屈服强度，适用于三点抬车、车体设备连接固结强度计算工况；规定了第一工况(纵向拉伸、压缩)时钢材的许用应力。

表C.1未区分母材与热影响区。B/T 3550.1表C.2规定了常用铝合金材料母材、热影响区的屈服强度，适用于三点抬车、车体设备连接固结强度计算工况；规定了第一工况(纵向拉伸压缩)时母材、热影响区的许用应力。

疲劳强度评估。与TB/T 3451对疲劳强度评估的要求相同。

1.6 AWS D1.1

静强度评估。AWS D1.1规定了碳钢、低合金钢全焊透(CJP)坡口焊缝、未焊透(PJP)坡口焊缝、角焊缝、塞焊、槽焊的许用应力，摘录CJP焊缝、角焊缝部分内容见表4。

表4 焊缝许用应力

AWS D1.1认为CJP坡口焊缝与母材的许用应力相同；对于角焊缝的校核较为科学。

疲劳强度评估。AWS D1.1规定的是母材、各种焊接接头的许用应力变化范围，而不是许用应力幅。北美项目通常规定在AW3载荷下，垂向加速度波动±0.2 g，计算的von Mises应力变化范围不得超出许用应力变化范围。

1.7 AWS D1.6

静强度评估。AWS D1.6[10]规定了不锈钢全焊透(CJP)坡口焊缝、未焊透(PJP)坡口焊缝、角焊缝、塞焊、槽焊的许用应力，摘录CJP焊缝、角焊缝部分内容见表5。

表5 焊缝许用应力

与碳钢、低合金钢根据抗拉强度匹配原则选取焊材不同，不锈钢选择填充金属根据化学成分匹配原则，这可能导致低强匹配或高强匹配。AWS D1.6在评估坡口焊缝强度时，取母材与填充金属强度中的最低值。北美业主技术实力不同，某些业主会忽略此问题，要求按照母材与焊缝等强度进行校核。

疲劳强度评估。AWS D1.6未提及疲劳强度评估，评估不锈钢疲劳强度依据AWS D1.1执行。

1.8 AWS D1.2

AWS D1.2[11]规定了铝焊缝的最小抗拉强度，未提及屈服强度及疲劳强度。铝制车体多用于北美货车，北美客车若局部使用铝合金材料，通常参考AAR C-II-2015[12]推荐的货车疲劳评估方法或DVS 1608。

2 实际生产中材料静强度的影响因素

2.1 母材

以某项目为例，使用的金属材料见表6。交货的金属材料强度明显高于标准最低要求。以Grade A/ASTM A588-2015为例，标准规定屈服强度ReH≥345 MPa，抗拉强度Rm≥485 MPa，某批次材质单中屈服强度在427～448 MPa之间波动，抗拉强度在503～524 MPa之间波动。

表6 某项目使用的金属材料

考虑到各厂家、各批次金属力学性能的不同，实际校核母材强度时须按照标准中的最低值为准。

所有标准均忽视了不锈钢压缩状态下的屈服强度明显低于拉伸状态下的屈服强度。以S30103-1/8Hard为例，试验测得其压缩状态下的屈服强度仅为330 MPa。某些业主要求区分不锈钢拉伸、压缩状态的屈服强度。

2.2 焊接接头

此项目执行的焊接标准指定了4种焊材：抗拉强度为550 MPa的ER80S-G焊材，抗拉强度为690 MPa的ER100S-G焊材，抗拉强度为520 MPa的ER308LSi和ER309LSi焊材。ER80S-G，ER100S-G用于低合金钢焊接，ER308LSi用于不锈钢焊接，ER309LSi用于不锈钢与低合金钢之间焊接。焊材标准中未规定屈服强度数值。ER80S-G材质单中屈服强度达到了530 MPa；ER100S-G材质单中屈服强度达到了680 MPa；ER308LSi材质单中屈服强度不小于320 MPa；ER309LSi材质单中屈服强度不小于400 MPa。上述提到的是全焊缝金属的屈服强度，焊接接头的屈服强度不同于母材与全焊缝金属。

焊接工艺评定进行坡口焊接接头拉伸试验时，通常不测量屈服强度，只测量抗拉强度。但是设计者关注的恰恰是焊接接头的屈服强度。

2.2.1碳钢、低合金钢CJP焊接接头

碳钢、低合金钢根据抗拉强度匹配原则选取焊材，焊材标准虽未规定屈服强度，实际却高于母材实测屈服强度，更高于母材屈服强度标准值。可知EN 12663-1，AWS D1.1，TB/T 3550.1，JIS E7106不区分常用低合金钢母材与焊缝是合理的。

仅UIC 566，TB/T 3451规定焊缝/热影响区在母材屈服强度基础上取1.1的安全系数。UIC 566 30年未升版，亟待改进。TB/T 3451适用于时速200～350 km/h动车组车体，主结构使用铝合金，因此低合金钢焊接接头的安全系数取1.1也无不可。

2.2.2未经冷作硬化处理不锈钢的CJP焊接接头

EN 12663-1，AWS D1.1，TB/T 3550.1，JIS E7106，UIC 566，TB/T 3451对未经冷作硬化处理不锈钢CJP焊接接头的规定同碳钢、低合金钢CJP焊接接头。

AWS D1.6中规定不锈钢CJP焊接接头取母材、填充金属屈服强度中的最低值。由项目经验可知，AWS D1.6的规定相对科学。

2.2.3经冷作硬化处理不锈钢的CJP焊接接头

经冷作硬化处理的不锈钢焊接后，热影响区损失了部分强度，但并未降低到完全没有冷作硬化处理效果的程度。某些业主会要求做实验确定接头强度，否则按无冷作硬化效果的不锈钢确定接头强度；部分业主认为接头的屈服强度和母材一致；这和业主的经验、业务能力有关。

JIS E7106常用4种经冷作硬化处理的不锈钢：SUS301L-1/4H，SUS301L-1/2H，SUS301L-3/4H，SUS301L-H。SUS301L-1/4H压延量最小，焊接后损失的强度最小。JIS E7106规定这4种不锈钢焊接接头的强度均与SUS301L-1/4H母材相同，略高于接头的实际强度，便于设计，即使接头局部屈服，车体受力路径上的其他未屈服材料会承担载荷。

其他标准均未提及或未正确考虑冷作硬化不锈钢焊接接头的强度，对于不锈钢动车组、不锈钢地铁、出口型不锈钢干线车辆而言，存在评估盲区。

建议相关标准参考JIS E7106细化对冷作硬化不锈钢的屈服强度规定。

2.2.4铝合金CJP焊接接头

各国常用铝合金材料的热影响区屈服强度在相关标准中均有规定。

2.2.5PJP坡口焊/角焊/塞焊/槽焊焊接接头

仅AWS D1.1，AWS D1.6，JIS E7106等效准规定了PJP坡口焊/角焊/塞焊/槽焊焊接接头的许用应力确定原则。

JIS E7106规定坡口焊接接头许用应力与母材相同，未区分是否焊透；规定角焊/塞焊/槽焊焊接接头强度校核采用母材的许用剪应力，母材的许用剪应力约为屈服强度的0.57倍。AWS D1.1，AWS D1.6规定采用安全系数乘以填充金属抗拉强度作为PJP坡口焊/角焊/塞焊/槽焊焊接接头的许用应力，安全系数在0.3～0.6之间，由当事双方商定。考虑到异种金属之间的角焊缝，AWS D1.1，AWS D1.6的规定较JIS E7106更加便于操作。

执行AWS D1.1，AWS D1.6的项目，需从有限元计算结果中提取出焊缝对应节点位置母材的应力，节点应力同角焊缝等焊缝的受力互为反作用力，大小相等。通过力学公式计算得到焊缝有效面积上的应力，与许用应力进行比对，完成评估。

执行其它标准的项目，不校核PJP焊接接头，认为与CJP焊缝相同；校核角焊/塞焊/槽焊焊接接头时，只校核焊缝对应节点的主应力是否超出焊缝/热影响区的许用应力，不考虑焊脚大小、剪应力和附加弯矩。

建议其他标准参考AWS D1.1，AWS D1.6细化PJP坡口焊/角焊/塞焊/槽焊焊接接头的许用应力确定原则。

2.2.6异种金属坡口焊接接头

JIS E7106规定异种金属坡口焊接接头，取母材许用应力中的较小值。其他标准虽无明文规定，实际也是如此执行。

以前文提到的项目为例，ER309LSi用于不锈钢与低合金钢焊接。全焊缝金属的屈服强度与两侧母材的屈服强度相比，强弱关系多样化。因此建议所有标准规定，异种金属坡口焊接接头许用应力取两侧母材、填充金属许用应力的较小值。

3 实践中焊接接头疲劳强度评估存在的问题

3.1 疲劳工况

各标准规定的疲劳工况均有适用的线路条件。设计成熟的铁路车辆出口到线路条件较差的国家时，须调整疲劳载荷数值进行重新校核。

各标准通过固定载荷或各向加速度波动范围来模拟疲劳载荷，均未规定车体与走行部连接位置的疲劳载荷。因未评价车体与走行部连接位置疲劳强度，国内外已经出现多起车体开裂事故。

3.2 焊接接头疲劳校核

使用疲劳评估标准前，须根据标准提供的焊接接头清单进行对号入座，标准中各接头之间区分方式为接头几何形状、焊缝位置与载荷方向。

实际执行过程中会遇到以下问题：①车体焊接接头种类繁多，特定疲劳评估标准中提供的接头种类有限，难以完全匹配；②疲劳计算工况多，接头载荷方向不固定，难以与标准中焊接接头载荷方向完全匹配。

密歇根大学董平沙教授发明的评估焊接结构疲劳寿命的结构应力法可解决上述问题，目前多用于机车车辆疲劳领域学术交流，无实际项目应用经验。

3.3 标准未提及电阻点焊接头的疲劳强度

国内外标准均未提供电阻点焊接头的疲劳数据，一般不进行电阻点焊的疲劳评估。

某项目业主要求评估焊点疲劳强度，确定了2种方案，其一采用公式计算许用疲劳剪切力变化范围：

(12)

式中：F为许用疲劳剪切力变化范围，N；D-WPS中规定的最小焊点直径，mm。此方法计算值较小，因此对关键焊点进行了疲劳试验，测得了较大的焊点许用疲劳剪切力变化范围。

4 结论

(1) UIC 566不适用于铝制车体、冷作硬化不锈钢车体；对碳钢、低合金钢焊缝基于母材屈服强度取1.1的安全系数，也不符合实际情况；使用固定垂向载荷计算应力，与母材、焊缝的许用应力进行对比评估疲劳强度的简化方式，落后于主流疲劳评估方法。

(2)静强度评估时，EN 12663-1未区分母材与焊缝；TB/T 3550.1未区分常用钢材母材与焊缝；AWS D1.2规定了美标铝焊缝的最小抗拉强度，未规定屈服强度；TB/T 3451，JIS E7106区分了常用铝合金、钢材的焊缝/热影响区与母材；TB/T 3550.1区分了常用铝合金的热影响区与母材；AWS D1.1区分了常用碳钢、低合金钢的焊缝与母材；AWS D1.6区分了常用不锈钢的焊缝与母材。

(3) 虽然交货的金属材料屈服强度、抗拉强度明显高于标准最低要求，但是考虑到各厂家、各批次性能的不同，校核母材强度时须按照标准中的最低值为准；所有标准均忽视了不锈钢压缩状态下的屈服强度明显低于拉伸状态下的屈服强度；碳钢/低合金钢CJP焊接接头应视焊缝与母材等屈服强度。未经冷作硬化处理不锈钢CJP焊接接头应取母材、填充金属屈服强度中的最低值。

(4) 建议对常用冷作硬化不锈钢焊接接头进行拉伸试验，得到屈服强度统计学数据，列入标准；建议以0.6乘以填充金属的抗拉强度作为PJP坡口焊/角焊/塞焊/槽焊接头的许用屈服强度。校核方式也需向AWS D1.1，AWS D1.6靠拢；建议异种金属接头许用应力取两侧母材、填充金属许用应力的较小值。

(5) 相关标准应规定车体与走行部连接位置的疲劳载荷，这些位置疲劳裂纹易发；实际焊接接头难以按照疲劳评估标准提供的焊接接头清单进行对号入座，建议相关标准引入董平沙教授发明的结构应力法；国内外标准应提供电阻点焊接头疲劳数据。