城市軌道不銹鋼客車的發(fā)展及對不銹鋼的挑戰(zhàn)*

王　剛， 韓曉杰， 朱婷婷

(上海寶山鋼鐵股份公司研究院， 上海　201900)

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城市軌道不銹鋼客車的發(fā)展及對不銹鋼的挑戰(zhàn)*

王剛， 韓曉杰， 朱婷婷

(上海寶山鋼鐵股份公司研究院， 上海201900)

以城市軌道不銹鋼客車為研究對象，闡述了不銹鋼客車的發(fā)展歷程及各階段對不銹鋼材料的影響，工藝的發(fā)展對不銹鋼材料提出的要求，揭示了國內(nèi)軌道交通發(fā)展的市場容量及發(fā)展態(tài)勢以及國內(nèi)制造企業(yè)的發(fā)展階段，展望了國外最新的不銹鋼客車進(jìn)展趨勢及對不銹鋼材料的新的挑戰(zhàn)。

不銹鋼車體； 城市軌道； 輕量化

引言

國內(nèi)的軌道交通客車車體早期采用碳鋼，現(xiàn)在絕大部分新造車體由不銹鋼和鋁合金制作；中國軌道交通客車不銹鋼和鋁合金車體(以下簡稱“不銹鋼車體”和“鋁合金車體”)技術(shù)來源于國外，鋁合金車體在國內(nèi)出現(xiàn)較早，而不銹鋼車體應(yīng)用于城市軌道交通從2003年才開始，距今僅10余年的時間，在國內(nèi)屬于新興的軌道車輛。

1　不銹鋼車的發(fā)展歷程

1.1國外的開發(fā)、發(fā)展概況

世界上最早的不銹鋼客運列車車輛是由美國巴德公司(Budd Company，現(xiàn)屬于德國蒂森克虜伯集團，ThyssenKrupp Budd)于1932年生產(chǎn)的，但不銹鋼列車得到完善的發(fā)展并得到廣泛使用卻是在日本。

日本兩大不銹鋼車體制造技術(shù)領(lǐng)軍型公司分別為日本東急車輛制造株式會社(Tokyu Car Corporation，現(xiàn)屬于東日本鐵路公司)和日本川崎重工業(yè)株式會社(Kawasaki Heavy Industries, Ltd.)。日本最早生產(chǎn)不銹鋼車輛是在1958年，由東急車輛公司制造，其車體骨架與以前碳鋼車一樣采用碳鋼骨架，只有外面板使用SUS304不銹鋼，屬于半不銹鋼車輛。

為了車輛的輕量化與免維修，1962年東急車輛公司制造完成了首輛全不銹鋼車。該車與碳鋼鋼制車輛比較，質(zhì)量輕2 t，車體結(jié)構(gòu)幾乎不需要補修。由于受到石油危機的影響，東急車輛公司于1976年成立了輕型不銹鋼車輛開發(fā)設(shè)計組，將下列三點定為開發(fā)目標(biāo)：1)車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量與鋁合金車相當(dāng)；2)價格和普通碳鋼車一樣；3)與原有不銹鋼車輛具有同等以上的強度和剛度。到1977年11月，終于試制出車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量為6 t的新車體，實現(xiàn)了比普通碳鋼車輕4 t、比原有不銹鋼車輕2 t的目標(biāo)，成為首批不銹鋼節(jié)能車。1980年末，制造出了輕型的不銹鋼車輛，車體結(jié)構(gòu)設(shè)計則采用新型骨架或接頭，并將原有波紋外板改成由加長剛性肋(壓筋)加工的平外板[1-3]。

1990年，JR 東日本為改善東京周圍的通勤運輸，計劃開發(fā)新一代通勤電動車。東急車輛制造公司不沿襲舊有方式，在工廠設(shè)備、制造工藝等方面進(jìn)行了技術(shù)革新，于1993年生產(chǎn)了新一代通勤電動車209系(車體僅重5.3 t)，后來又開發(fā)了E217系、E213系，即第三代輕型不銹鋼電車。

綜上所述，日本輕量化不銹鋼車輛的開發(fā)過程可分為三個階段：

第一代是以美國巴德公司的技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的外板為波紋板的不銹鋼車輛系列。

第二代是東急車輛公司技術(shù)首次獨自開發(fā)的、正規(guī)的輕型不銹鋼車輛，其外板帶補強壓筋。

第三代不銹鋼車輛車體結(jié)構(gòu)制造采用自動化，完全平外板。

縱觀日本不銹鋼車的發(fā)展演變史，就是不銹鋼材料為滿足下游行業(yè)用戶需求不斷發(fā)展和創(chuàng)新的歷史，從下游行業(yè)在進(jìn)行科研試制新車型的前期，日本不銹鋼企業(yè)就開始涉足其中，參與車體的科研工作，在材料性能和焊接方式上與下游行業(yè)形成緊密的合作聯(lián)盟關(guān)系，下游行業(yè)的動向為不銹鋼行業(yè)指明了創(chuàng)新的方向。

1.2中國的現(xiàn)狀和趨勢

1.2.1中國城市軌道交通車輛的發(fā)展歷程

中國的城市軌道交通的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：

第一階段為開始建設(shè)階段(從20世紀(jì)80年代末至20世紀(jì)90年代中期)，中國真正以交通為目的的地鐵項目開始建設(shè)。

第二階段為調(diào)整整頓階段(1995～1998年)，由于出現(xiàn)地鐵建設(shè)的盲目性，且工程造價高，大量引進(jìn)設(shè)備等問題，1995年國務(wù)院辦公廳60號文件通知，除上海地鐵二號線外，所有地鐵項目一律暫停審批。

第三階段為蓬勃發(fā)展階段(1999年以后)。截止2014年年底，中國有38個城市批準(zhǔn)建設(shè)地鐵項目，中國已建成城市軌道交通線近3000 km(未計算港澳臺)，從2015年起到2020年，預(yù)計將要投入約2.5萬億元人民幣在城市地鐵項目建設(shè)中，地鐵建設(shè)也繼續(xù)狂飆猛進(jìn)。

在已經(jīng)開通和即將開通軌道交通的城市中，實際使用不銹鋼地鐵車的城市為天津、北京、沈陽、成都、深圳、西安和香港，其他均為鋁合金車。除此以外，中國軌道車輛廠紛紛中標(biāo)國外不銹鋼車輛項目，如長春客車廠中標(biāo)巴西地鐵、南京浦鎮(zhèn)廠中標(biāo)印度孟買地鐵、株洲車輛廠中標(biāo)土耳其地鐵等，向國外出口軌道交通車輛，中國城市軌道交通建設(shè)將迎來全盛的發(fā)展時期，不銹鋼車體發(fā)展前景廣闊。

1.2.2中國輕型不銹鋼軌道客車制造的陣營

全國范圍內(nèi)城市軌道交通車輛制造企業(yè)主要有6家，分別為：長春軌道客車股份有限公司(以下簡稱“長春客車”)、青島四方機車車輛廠(以下簡稱“青島四方”)、南京浦鎮(zhèn)車輛廠(以下簡稱“南京浦鎮(zhèn)”)、湖南株洲電力機車廠(以下簡稱“株洲車輛”)、大連機車車輛有限公司(以下簡稱“大連機車”)、北京市地鐵運營有限公司車輛廠(以下簡稱“北京地鐵車輛”)。其中長春客車以不銹鋼車見長，而南京浦鎮(zhèn)以鋁合金車見長。各廠的大致年產(chǎn)能如表1所示。

中國南北車集團合并后，生產(chǎn)地鐵的廠家均在近年來建設(shè)了不銹鋼生產(chǎn)線，代表中國不銹鋼車體制造水平的兩家領(lǐng)軍型企業(yè)分別是長春客車和青島四方。

表1　中國不銹鋼地鐵車輛廠車體年產(chǎn)能

1.2.3中國不銹鋼車體的開發(fā)制作

1987年，長春客車用太鋼公司生產(chǎn)的0Cr18Ni9不銹鋼采用電弧焊工藝生產(chǎn)了2輛RW22型軟臥車，這是中國最早的不銹鋼車。1995年長春客車開始引進(jìn)韓國技術(shù)進(jìn)入全不銹鋼車體的研制摸索階段，生產(chǎn)30輛衡廣鐵路復(fù)線使用的時速200 km不銹鋼客車；2000年開始對不銹鋼車體進(jìn)行第二階段的研制，在2002年初，長春客車吸收日本東急車輛公司的不銹鋼車體技術(shù)，制造出了全新的點焊結(jié)構(gòu)輕量化不銹鋼車體(即日本第三代輕型不銹鋼車體)并投入商業(yè)運營，達(dá)到日本1990年初的技術(shù)水平[3]。

2002年長春客車建成中國第一條不銹鋼地鐵車生產(chǎn)線后，青島四方也建成不銹鋼生產(chǎn)線開始生產(chǎn)不銹鋼地鐵車。隨后，大連機車、南京浦鎮(zhèn)和株洲車輛也紛紛建立起自己的不銹鋼地鐵車生產(chǎn)線[4-5]。

軌道交通客車用不銹鋼行業(yè)具有典型的訂單決定生產(chǎn)的特點，車輛廠訂單的多寡決定上游不銹鋼原料生產(chǎn)廠的生產(chǎn)。原南北車集團從北京奧運會準(zhǔn)備召開后，各自加快了不銹鋼車的制造步伐，長春客車在近年來進(jìn)展神速，訂單持續(xù)不斷，生產(chǎn)飽滿，盡管全球范圍遭遇經(jīng)濟危機，但絲毫不影響軌道交通行業(yè)的發(fā)展，在國家投資的帶動下，解決“行”的地鐵行業(yè)在投資的拉動下前途光明。近年來中車集團的不銹鋼車輛訂單如表2所示。

表2　中車集團不銹鋼車輛訂單簡表

2　軌道客車車體材料的變遷及不銹鋼與替代材料的競爭

2.1材料變遷

軌道客車車體材料最初是采用木材，為了提高列車的防火及防撞的安全性能，逐漸采用鋼鐵材料，由于碳鋼鋼材長時間使用產(chǎn)生的腐蝕問題導(dǎo)致增加鋼板厚度，使得車輛加重；近年來，以車輛輕量化和節(jié)能減排為目的而采用具有耐蝕性的不銹鋼和鋁合金材料制造的軌道客車逐漸增加，取代以前的碳鋼車輛。目前典型的車輛車體材料為碳鋼(包括耐候鋼)、不銹鋼材和鋁合金材料，各種材料的特征綜合對比如表3所示。

表3　軌道客車車體材料的特征評價表

目前地鐵車輛結(jié)構(gòu)所用的不銹鋼和鋁合金材料，逐漸擠占了傳統(tǒng)的碳鋼和耐候鋼材料市場。

2.2輕型不銹鋼車輛用不銹鋼的特性

城市軌道車輛車體結(jié)構(gòu)使用的不銹鋼，從耐腐蝕性、加工性、機械強度等方面考慮，采用了奧氏體系的SUS301L不銹鋼，用于車體結(jié)構(gòu)和面板；其含碳量控制在0.03%以下，可有效防止焊接時碳化鉻析出而產(chǎn)生的晶界腐蝕裂紋和焊接缺陷，通過增加氮含量的固溶強化作用來彌補由于碳含量降低導(dǎo)致的強度下降。SUS301L是靠成分調(diào)整γ穩(wěn)定度和通過冷軋調(diào)質(zhì)加工后誘發(fā)馬氏體量來獲得各種強度水平，而且冷彎加工性好。SUS301L不銹鋼按抗拉強度不同分為LT，DLT，ST，MT，HT五個等級，根據(jù)車體結(jié)構(gòu)所需強度不同而分別使用(如表4，5所示)。

表4　SUS301L和SUS304的化學(xué)成分對比/%

表5　SUS301L和SUS304的機械性能對比

3　不銹鋼材料供應(yīng)商競爭環(huán)境分析

3.1生產(chǎn)難度大，市場容量有限

中國不銹鋼軌道車輛行業(yè)每年所需301L不銹鋼為2萬t左右，由于其對生產(chǎn)技術(shù)要求極高，國際上也僅有日本新日鐵住金不銹鋼公司、法國阿賽洛公司、美國AK鋼公司、韓國現(xiàn)代制鐵下屬BNG冷軋廠以及中國的太鋼、寶鋼這6家公司生產(chǎn)。一方面是由于生產(chǎn)難度大，另一方面由于市場容量有限，在下游行業(yè)訂單沒有大幅增加的情況下，6家不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)都只能在爭取有限的訂單上下功夫。

3.2利潤高，關(guān)聯(lián)生產(chǎn)

301L不銹鋼的生產(chǎn)成本相比普通304來說，合金成本更低，然而301L產(chǎn)品售價均達(dá)到304的2倍左右，主要是生產(chǎn)技術(shù)要求高，能提供的差不多都是技術(shù)水平高、產(chǎn)品性能穩(wěn)定的企業(yè)，并且這些企業(yè)都能夠獲得穩(wěn)定的訂單。其中不少不銹鋼車輛制造企業(yè)與不銹鋼冷軋廠建立了緊密的戰(zhàn)略聯(lián)盟關(guān)系，有的車輛企業(yè)和不銹鋼冷軋廠甚至同屬于一家公司旗下(如韓國韓進(jìn)重工業(yè)車輛業(yè)務(wù)和韓國BNG冷軋廠同屬于現(xiàn)代起亞汽車集團)。

4　不銹鋼軌道客車未來發(fā)展趨勢對不銹鋼材料的要求

4.1開發(fā)替代材料

自從1978年日本開發(fā)出SUS301L后，世界各國的不銹鋼車輛生產(chǎn)商不約而同地采用該鋼種作為不銹鋼車體結(jié)構(gòu)專用鋼種，近30年來很少有所改變。但由于近年來由于鎳價的大幅波動，造成含鎳較高的SUS301L價格也劇烈波動，使得不銹鋼車輛制造企業(yè)也開始研發(fā)、制造非SUS301L不銹鋼車，如采用DIN 1.4003和AISI201等材料，并使用2205雙相不銹鋼制作車體的底架，打破了SUS301L統(tǒng)治不銹鋼車輛材料的單一局面，但與此對應(yīng)的是不同的不銹鋼材料在同一車體上的運用，會增加車體解體時不銹鋼回收的分揀困難。

4.2改進(jìn)車體制造方式

車體輕量化的持續(xù)發(fā)展推動激光焊接第四代不銹鋼雙殼車體的誕生，采用激光焊接的第四代不銹鋼車結(jié)構(gòu)簡化、零件減少，帶動材料的冷彎成型、焊接工藝革新，對原材料要求更加嚴(yán)格(平直度、強度、厚度公差等指標(biāo))。

中國最近使用的不銹鋼車輛是由第二代向第三代的過渡型，新型車輛是平外板化的，生產(chǎn)數(shù)量在不斷增加，且其耐蝕性優(yōu)良，并可發(fā)揮點焊優(yōu)點，在多品種、小批量生產(chǎn)中逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，并正努力向機械化和機器人化的工業(yè)產(chǎn)品化方向發(fā)展。

日本不銹鋼車輛以工業(yè)產(chǎn)品化為目標(biāo)，努力減少制造工時，不銹鋼雙層板車體結(jié)構(gòu)的開發(fā)工作正在JR東日本、新日本制鐵、東急車輛等公司中進(jìn)行。以往的車體結(jié)構(gòu)是將骨架和外板點焊組裝，而新開發(fā)車體方法則是在兩塊不銹鋼板之間嵌裝加強材料以組合成雙層板車體結(jié)構(gòu)，同以往的方式相比，雙層板的零件數(shù)量減少、制造工時減少，日本第四代不銹鋼車體已經(jīng)實現(xiàn)和鋁合金車體同樣重量的目標(biāo)。

4.3改進(jìn)焊接工藝

焊接工藝的飛速發(fā)展，使得傳統(tǒng)用于鋁合金的焊接新工藝(FSW和LAFSW)也在不銹鋼焊接上得到突破，將導(dǎo)致不銹鋼使用技術(shù)的重大變革。

2005年日本東急車輛制造公司與日本大阪大學(xué)藤井英俊副教授研究小組成功進(jìn)行了厚度1.5 mm級別不銹鋼薄板的摩擦攪拌焊接(FSW)，焊縫強度超過母材的強度，突破了以往不銹鋼的FSW焊接只能在厚度為5～6 mm板材上進(jìn)行的局限。

2007年2月，東急車輛制造公司再次與日本大阪大學(xué)野城清教授聯(lián)合開發(fā)出不銹鋼薄板FSW焊接速度的世界紀(jì)錄(1 m/min)，是原來速度的2.4倍，焊縫焊接強度達(dá)到母材的1.3倍，使得不銹鋼薄板的FSW焊接技術(shù)接近商品化階段。

5　結(jié)束語

近20多年來，中國的軌道交通發(fā)展呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長，不銹鋼車和鋁合金車迅速成為軌道交通車輛的主流，而軌道交通車輛專用不銹鋼SUS301L順勢得到應(yīng)用，但面臨著其他材料特別是鋁合金的競爭，以及不銹鋼下游加工、焊接工藝的挑戰(zhàn)。輕量化不銹鋼車體在中國經(jīng)歷了一個“從無到有，由弱變強”的發(fā)展過程，已經(jīng)在北京、沈陽、西安、成都等地廣泛應(yīng)用于地鐵線路運營，并出口到香港、泰國、印度、巴西等國，從而帶動了國內(nèi)不銹鋼廠商研發(fā)不銹鋼車輛用結(jié)構(gòu)材和面板。在科學(xué)技術(shù)的巨大推動下，不銹鋼行業(yè)將伴隨著中國軌道交通的大發(fā)展，有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]內(nèi)田博行.東急車輛におけるステンレス車輛開發(fā)と經(jīng)緯の最近構(gòu)體技術(shù)[J]，鐵道車輛と技術(shù)(日)，2001, (67)：10—21.

[2]王旭東. 談地鐵不銹鋼車體及其國產(chǎn)化問題[J]，鐵道車輛，2000，38(S1):49—52.

[3]趙明花，劉玉民. 城市軌道車輛不銹鋼車體的研發(fā)[J]，城市軌道交通研究，2004, (1):76—80.

[4]張靜波.長春軌道客車與三并物產(chǎn)和東急車輛合作制車[J]，世界軌道交通，2005，(3):16.

[5]陳志強. 大連金州線不銹鋼車車體點焊工藝研究[J]，機車車輛工藝，2009, (4):12—14.

2016-03-13

王剛(1978—)，男，工程師。電話： 13564214487；E-mail：gang_wang@baosteel.com

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