焊接技術(shù)在機車制造及檢修上的應(yīng)用和研究

賈澤平

摘 要：焊接是設(shè)備制造和檢修中最重要的工業(yè)技術(shù)之一，在現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。在機車制造和檢修作業(yè)中，焊接與切割的勞動量占到35%左右，焊接質(zhì)量直接影響著機車設(shè)備質(zhì)量和行車運輸安全。文中介紹了焊接技術(shù)的基本情況，對比分析了國外和我國在焊機技術(shù)工藝方面存在的差異，指出我國當(dāng)前焊接方面存在的問題，并提出了未來機車制造檢修行業(yè)焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：焊接技術(shù) 機車制造和檢修 應(yīng)用 現(xiàn)狀 發(fā)展

中圖分類號：F407.472 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0056-03

焊接技術(shù)在制造業(yè)、建筑業(yè)、運輸業(yè)等多種行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對焊接產(chǎn)品的經(jīng)濟性、質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高。所以，現(xiàn)代制造企業(yè)都在不斷的提高自己的焊接工藝和裝備水平，從單一手工焊接轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊附?，進而使產(chǎn)品的精確性和工藝性得到很大提高，在我國的機車制造和檢修企業(yè)中，焊接技術(shù)、焊接工藝和焊接設(shè)備都有了長足的發(fā)展，但在先進焊接技術(shù)和自動化焊接裝備方面與國外發(fā)達(dá)國家仍有很大差距。

1 焊接的原理和種類

1.1 焊接的原理

焊接的原理就是利用加熱、加壓的方式，使兩個不同的工件間發(fā)生原子間結(jié)合的變化，達(dá)到把兩個工件連接起來的目的。常用焊接一般是金屬焊接，非金屬也可以實現(xiàn)焊接。

1.2 焊接的發(fā)展

焊接方法的使用歷史悠久，我國古代的青銅器兵器制造過程中就運用了焊接技術(shù)，古代的焊接方法主要是鑄焊和鍛焊，采用火爐使青銅工件熔化后澆鑄在沙模里，然后再利用高溫鍛造成兵器。國外先進的焊接技術(shù)開始于英國，19世紀(jì)初戴維斯發(fā)明了電焊和氧焊；進入20世紀(jì)后，電弧焊和氣焊得到進一步推廣使用；之后，焊接技術(shù)得到了長足的發(fā)展，美國人諾布爾利發(fā)明了自動電弧焊機；進入50年代后，相繼出現(xiàn)了二氧化碳保護焊，等離子電弧焊；發(fā)展到60年代后，又發(fā)明了激光焊接，從此焊接技術(shù)進入了全新的發(fā)展時期。焊接技術(shù)的不斷提高，大大推動了制造檢修業(yè)和建筑運輸?shù)刃袠I(yè)的發(fā)展，許多看似無法連接和結(jié)合的材料能夠焊接在一起，成為新的產(chǎn)品。

1.3 焊接的方法

通常來講，按照焊接工件的不同狀態(tài)，焊接方法可以分為熔焊、壓焊和釬焊三種。

熔焊是利用熱源將焊接工件接觸部分熔化后，不需要其它外力，使焊件連接在一起。金屬在加熱時，提高了內(nèi)部原子的活躍性，兩個焊接工件接觸面間原子相互擴散、熔化結(jié)合，冷卻后接頭部分變成固態(tài)，從而把兩個工件連接在一起。

壓焊是利用施加外力使焊接工件接觸面間連接在一起。這類焊接方法可以先把焊件接頭加熱熔化，再施加壓力，使焊接工件連接在一起，也可以不加熱，只是施加壓力，使焊接工件接觸面變形，原子間相互滲透結(jié)合后連接在一起。

釬焊是利用比焊件熔點低的輔助材料與焊件接頭共同加熱，加熱時釬料先熔化，釬料內(nèi)部原子與焊接材料間發(fā)生原子相互滲透擴散、緊密結(jié)合完成焊件。

2 焊接技術(shù)在機車制造和檢修方面的應(yīng)用

2.1 國外機車的焊接應(yīng)用

隨著鐵路高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，機車制造和檢修水平也不斷提高，機車焊接技術(shù)工藝水平也取得了長足的發(fā)展，國外機車制造業(yè)大規(guī)模采用了機器人和自動化焊接機進行作業(yè)，國外焊接的自動化水平較高，特別是應(yīng)用微機實現(xiàn)了焊接過程的自動控制、自動檢測和自動診斷。焊接技術(shù)自動化的實現(xiàn)，大大降低了手工焊接的人為不確定性因素，保證了焊接質(zhì)量。

2.1.1 焊接工藝水平較高

氣體保護焊、摩擦焊、接觸焊以及特種焊等先進工藝在國外機車制造和檢修中得到廣泛應(yīng)用。

氣體保護焊也是一種電弧焊，在焊接的過程中利用保護氣體來隔絕焊接區(qū)的空氣。常見的保護氣體主要有惰性氣體、還原性氣體和氧化性氣體。惰性氣體保護焊在國外機車的制造和檢修業(yè)中已經(jīng)逐步推廣，氬弧保護焊基本取代了二氧化碳保護焊，氬弧焊具有電弧穩(wěn)定、熱量集中和溫度高的特點，焊接質(zhì)量高、焊縫工藝好，而且氬弧焊不需要熔劑和涂藥，便于控制，所以自動化氬弧焊機在機車制造業(yè)中大量使用，新型的脈沖融化極氬弧焊機也已經(jīng)開始應(yīng)用于機車制造和檢修作業(yè)中。

摩擦焊是利用焊接工件接觸面間相互摩擦發(fā)熱，內(nèi)部原子變得活躍后，再施加壓力使工件連接在一起。常見于鋼、銅、鋁等材料的焊接。摩擦焊接是一種比較先進的焊接技術(shù)，對焊接過程中的控制準(zhǔn)確性要求高，所以利用微機控制的摩擦焊機應(yīng)用非常廣泛。在機車制造和檢修中，關(guān)鍵零部件的焊接已經(jīng)采用了摩擦焊工藝，效果良好，如內(nèi)燃機車柴油機、增壓器、活塞缸以及機車轉(zhuǎn)向架和車軸等關(guān)鍵零部件的制造和檢修。

接觸焊是利用通過電流使焊件接觸面發(fā)熱，熔化后施加外力把焊件連接在一起。接觸焊具有自動化程度高，焊接效率高、焊縫小、易操作等特點，常用于比較薄的板材、管材等的焊接。在國外機車制造公司，常用的點焊機械手、龍門焊縫機等都采用的是接觸焊，特別適合不銹鋼和鋁合金車體的焊接。

隨著鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，機車產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和要求也在不斷提高，特種焊接技術(shù)已經(jīng)開始得到應(yīng)用，如等離子焊、激光焊和真空釬焊等先進技術(shù)已經(jīng)在日本新干線、法國TGV、德國ICE、意大利ETR等高速列車的制造過程中得到了應(yīng)用。等離子焊主要用于薄板對接和軸類零件焊接，電子束焊用于重要軸類焊接，激光焊用于焊接變形要求特別小的工件，真空釬焊用于不銹鋼和鋁合金散熱器的焊接。

2.1.2 焊接材料種類豐富

國外的焊接材料比較豐富，能夠滿足絕大多數(shù)金屬工件的焊接需要，具有品種規(guī)格多、質(zhì)量性能好的特點，在高速機車制造中，車體構(gòu)件就大量使用了鋁合金和不銹鋼焊接材料。

2.1.3 焊接設(shè)備實現(xiàn)自動化

國外機車的焊接設(shè)備比較先進，尤其是重載鐵路運輸機車的制造業(yè)中，隨著自動控制技術(shù)和微機技術(shù)在機車制造業(yè)中的推廣使用，自動化焊接裝備已經(jīng)開始在機車制造公司廣泛使用，先進的自動化焊接設(shè)備不但保證了機車部件的焊接質(zhì)量，而且也提高了機車產(chǎn)品的工藝性。自動化設(shè)備焊接優(yōu)勢十分明顯，現(xiàn)代機車制造廠一般都采用了機器人焊接，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：一是不受勞動工時的限制；二是焊接精度高，焊縫美觀；三是焊縫承載力強，產(chǎn)品構(gòu)件輕量化；四是作業(yè)條件要求低，輔助投入少。由此可見，機器人焊接不但能提高勞動生產(chǎn)效率，更重要的是能夠保證機車的焊接質(zhì)量，法國TGV、德國ICE、意大利ETR等公司，在機車制造和檢修生產(chǎn)中，從零件下料——組裝——施焊以及后期檢測處理等都大量采用了自動化裝備。

2.2 我國機車的焊接應(yīng)用

近年來，為了擴大內(nèi)需，助推經(jīng)濟發(fā)展，國家對鐵路系統(tǒng)的投入不斷加大，我國機車制造業(yè)水平也得到了迅猛發(fā)展，機車檢修工裝水平也大大提高，南北車主機廠都對焊接裝備和技術(shù)進行了革新，從國外引進的自動化焊接設(shè)備，在新造機車特別是動車組的制造中，得到了很好的應(yīng)用，但與國外大型機車廠比較，我們還有很多不足，自主開發(fā)的焊接設(shè)備性能還不穩(wěn)定，自動化焊接設(shè)備較少，焊接工藝和焊接質(zhì)量還有待進一步提高，這與高速重載機車發(fā)展的要求還有很大差距。

2.2.1 焊接設(shè)備相對落后

南車集團株機公司是我國電力機車制造業(yè)的龍頭老大，生產(chǎn)的HXD系列機車在全國鐵路主干網(wǎng)上都投入了運用。但是與國外先進機車制造水平相比，株機公司在焊接技術(shù)和工藝水平上還存在很多不足。株機公司在機車部件焊接方面目前以富氬混合氣體保護焊為主，約占總量的75%，主要依靠手工焊接，自動焊占焊縫總量不足20%，而國外大廠已達(dá)到70%以上。落后的焊接工藝和設(shè)備，直接導(dǎo)致機車焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，有些新造機車在投入運用一年多就出現(xiàn)了焊縫開裂的焊接缺陷?？傮w來講，國內(nèi)機車新造廠普遍存在焊接設(shè)備相對落后，設(shè)備結(jié)構(gòu)不合理，高性能設(shè)備較少，自動化焊接程度較低的問題。

2.2.2 焊接工藝亟待加強

主機制造廠在焊接車體、轉(zhuǎn)向架、車頂以及關(guān)鍵構(gòu)架等主要受力部件時仍以混合氣體保護焊為主，自動化焊接設(shè)備應(yīng)用較少，機車部件的焊接質(zhì)量不高，焊縫工藝也達(dá)不到要求，為新造機車投入運用后埋下了安全質(zhì)量隱患。同樣，國產(chǎn)內(nèi)燃機車柴油機氣閥、鋼套、增壓器轉(zhuǎn)軸等關(guān)鍵部件也存在同樣的問題，所以內(nèi)燃機車柴油機、增壓器等關(guān)鍵部件的慣性質(zhì)量問題一直也沒有得到有效的解決。“走行部沒小事”，轉(zhuǎn)向架技術(shù)直接影響著高速、重載機車的發(fā)展水平。目前，新型機車大部分采用的是焊接轉(zhuǎn)向架，各主機廠在轉(zhuǎn)向架焊接裝備方面投入的力度都很大，多數(shù)工廠都采用了新材料、新設(shè)備，但主要采用的還是二氧化碳保護焊，焊接工藝的不配套，導(dǎo)致機車焊縫存在質(zhì)量隱患，新造機車在投入運用后運行中焊縫開裂的險情時有發(fā)生。還有一部分新造廠引進了國外的先進焊接設(shè)備，但是由于引進自動化焊接設(shè)備時存在盲目性，對設(shè)備的后續(xù)開發(fā)沒有跟上，造成焊接設(shè)備不能充分發(fā)揮作用；而且國內(nèi)的配套設(shè)備不全，焊件鋼結(jié)構(gòu)精度不足也會影響到機車部件的焊接質(zhì)量。

2.2.3 焊接材料種類不全

在HX新型機車以及CRH動車組車體的焊接上，各新造廠已經(jīng)開始大量的使用新型鋁材和不銹鋼等材料，并對這些新型材料對應(yīng)的焊接材料也進行研發(fā)，相繼開發(fā)了特種鋼焊絲、鋁焊條等，基本能滿足一般焊接用材的需要，但是對一些特殊的焊接材料還得靠進口，比如有色金屬。目前，我國的焊接材料還存在很多不足，規(guī)模品種都很單一，質(zhì)量方面也存在差距。尤其是針對保護氣體焊，沒有研發(fā)專門的焊絲，除進口材料外，一般的制造廠采用二氧化碳焊絲來代替。

3 機車焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢

焊接技術(shù)作為現(xiàn)代制造業(yè)中必要的組成部分，正隨著高新技術(shù)的發(fā)展不斷革新。機車焊接技術(shù)正朝著焊接自動化和過程控制智能化的方向發(fā)展，無論是特殊材料和還是特種焊接技術(shù)都是發(fā)展的重點，模擬焊接技術(shù)也會逐步得到發(fā)展和應(yīng)用，材料學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域也會對焊接技術(shù)產(chǎn)生影響。隨著重載機車和高速機車的不斷發(fā)展，微機控制技術(shù)應(yīng)用將更加廣泛，焊接機械化和自動化程度也將越來越高。

3.1 焊接構(gòu)件精確化

焊接構(gòu)件精確化是保證焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)，隨著保護氣體焊、激光焊等焊接技術(shù)自動化和智能化的不斷發(fā)展，對焊接構(gòu)件的精確化要求也越來越高，焊接產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝水平越來越好。

3.2 焊接生產(chǎn)智能化

隨著工業(yè)社會對焊接產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，焊接生產(chǎn)自動化和智能化水平也在不斷提高，自動控制技術(shù)、精密電子技術(shù)以及微機軟件控制技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，這將會大大提高焊接生產(chǎn)效率和自動化程度，這也是焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢。

3.3 微機控制普遍化

隨著微機技術(shù)在焊接生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。微機輔助產(chǎn)品設(shè)計與制造、焊接過程控制以及焊接質(zhì)量檢測都將得到大力的發(fā)展，利用微機分析焊接數(shù)據(jù)，模擬優(yōu)化焊接過程，開發(fā)焊接自檢系統(tǒng)，建立機車焊接大數(shù)據(jù)庫，同時將微機技術(shù)應(yīng)用于焊接電源控制，全面實現(xiàn)焊接過程自動化跟蹤和調(diào)整，從而滿足焊接自動化的發(fā)展需要。

3.4 特種材料多樣化

特種焊接材料將不斷開發(fā)，由傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向高強度有機復(fù)合材料。焊接材料的多樣化也是焊接技術(shù)不斷發(fā)展的一個重要組成部分。

3.5 焊縫檢測自動化

焊縫質(zhì)量直接決定著機車產(chǎn)品的運用穩(wěn)定性和安全性。機車重要承力部件焊縫必須要采用一定的處理工藝，通常對焊縫采用的方法有熱處理和應(yīng)力消除，必要時還要對焊縫采取打磨處理或者是氬弧焊重熔等工藝。制定受力焊縫的應(yīng)力狀態(tài)檢測標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)自動檢測焊縫質(zhì)量的自檢系統(tǒng)，及時檢測構(gòu)件焊接質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計要求，推廣使用X射線成像技術(shù)、超聲檢測數(shù)字成像技術(shù)等系統(tǒng)，自動檢測零部件內(nèi)部缺陷及裝配偏差，提高檢測靈敏度，降低人為失誤，實現(xiàn)焊縫檢測處理工裝設(shè)備自動化，做到防患于未然，確保焊接產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)語

隨著世界焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，通過引進、吸收再創(chuàng)新的方式，我國焊接技術(shù)也會與時俱進，不斷創(chuàng)新和發(fā)展，機車焊接水平也會得到長足的發(fā)展，我們要盡快消化掌握引進的焊接設(shè)備和切割設(shè)備，提高機車焊接精度和組裝水平，不但在焊接過程中能夠精準(zhǔn)控制，而且要不斷完善管理評價系統(tǒng)，使工藝評定和工藝管理規(guī)范化，最終達(dá)到焊接技術(shù)管理科學(xué)化、工藝裝備標(biāo)準(zhǔn)化的水平。通過不懈的努力，我國機車工業(yè)制造水平必然會縮短與國外發(fā)達(dá)國家的差距，早日進入機車制造強國之林。

參考文獻

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