軌道交通車體用鋁合金材料及其焊接技術(shù)

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

為了減少能源消耗和提高運(yùn)行速度，輕量化車體一直以來都是軌道交通車輛技術(shù)研發(fā)的方向，為此選用合適的材料對(duì)車體輕量化至關(guān)重要。鋁合金材料因密度小、強(qiáng)度適中、易成形等優(yōu)點(diǎn)而成為新型軌道交通車輛車體用材料的首選。

軌道交通車輛車體制造有焊接、鉚接、螺栓聯(lián)接等多種工藝，但應(yīng)用最廣泛的還是焊接工藝。焊接作為軌道車輛車體制造過程的特殊工序，對(duì)車體產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率及制造成本影響巨大。

2 軌道交通車體用鋁合金及焊接材料

2.1 鋁合金材料

軌道交通車體目前常用的材料有碳素鋼、不銹鋼和鋁合金三種，無論是從使用量，還是從應(yīng)用產(chǎn)品的范圍來看，使用最廣的還是鋁合金材料。軌道交通車體用到的鋁合金以型材為主、板材為輔，少量部件使用了鍛件。

目前，軌道交通車體主要應(yīng)用的鋁合金為5系、6系和7系，按照ISO 15608—2017材料組別分別為22組、23.1組及23.2組。相對(duì)而言，鋁型材使用最多的是6系鋁合金，且多為6005A和6082鋁合金。板材使用較多的為5083和6082鋁合金。鋁合金優(yōu)良的擠壓性能為鋁型材的大量使用打下了良好的基礎(chǔ)，國內(nèi)成熟穩(wěn)定的擠壓制造能力又助推了鋁型材的應(yīng)用[1]。大型中空鋁型材的使用，簡化了車體的制造工藝。國內(nèi)外軌道車輛用鋁合金材料及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)見表1。

由于鋁合金焊接后接頭強(qiáng)度會(huì)降低，而強(qiáng)度又是結(jié)構(gòu)件最重要的性能指標(biāo)，因而在鋁合金材料標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)母材焊接后最低強(qiáng)度進(jìn)行了特別的規(guī)定。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13981-1—2003及 EN 13981-2—2016對(duì)軌道交通鋁合金材料對(duì)接接頭采用熔化焊工藝焊接后的強(qiáng)度性能最低值規(guī)定見表2。

表1 軌道交通車體常用鋁合金材料及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

表2 EN 13981對(duì)鋁合金材料焊接后最低強(qiáng)度要求

2.2 焊接材料

焊材的質(zhì)量對(duì)鋁合金焊接質(zhì)量至關(guān)重要。目前，軌道交通鋁合金焊接材料多為進(jìn)口產(chǎn)品，特別是在高速度等級(jí)的動(dòng)車組上，焊絲全部采用進(jìn)口。國內(nèi)軌道交通行業(yè)應(yīng)用的主要鋁合金焊絲進(jìn)口品牌有SAFRA、ESAB、MTL、MIG等品牌。近年來，隨著國產(chǎn)化焊絲制造技術(shù)的提高，國產(chǎn)鋁合金焊絲也表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和使用性能，并在地鐵車輛上開始成功應(yīng)用。國內(nèi)軌道交通車輛制造企業(yè)為促進(jìn)國家焊接材料制造的發(fā)展，同時(shí)降低生產(chǎn)成本及進(jìn)口供貨風(fēng)險(xiǎn)，正在大力推進(jìn)國產(chǎn)化鋁焊絲的工程化應(yīng)用。

焊絲的選擇可依據(jù)ISO 17671-4—2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，焊絲的成分及交貨條件按照ISO 18273—2015標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。目前，常用的鋁焊絲為ER-5087、ER-5356，這兩種焊絲適用于5系、6系、7系鋁合金焊接。在進(jìn)行6系鋁合金焊接修補(bǔ)過程中，為了防止產(chǎn)生熱裂紋，在對(duì)強(qiáng)度要求不高時(shí)可以選用ER-4043A進(jìn)行焊接。由于采用ER-4043焊絲焊接接頭強(qiáng)度較低，故不適用于新造產(chǎn)品。

焊接保護(hù)氣體也是保證鋁合金焊接質(zhì)量的重要影響因素之一。焊接氣體按照ISO 14175—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，熔化焊一般選用高純氬氣或者氬氦混合氣體。為保證焊接質(zhì)量，高純氬氣的純度一般要求達(dá)到99.999%；氬氦混合氣體一般采用三元混合氣體，比例為Ar70%+He30%+N2150×10-6，增加He和N2可以提高電流陽極區(qū)域的電流密度，增加焊接熔深，減少焊接氣孔[2]?；旌媳Ｗo(hù)氣一般用于車體底架等主要受力部件的焊接。

3 軌道交通車體鋁合金焊接技術(shù)及設(shè)備

鋁合金車體的焊接，最常用的焊接工藝是熔化極惰性氣體保護(hù)焊（簡稱MIG）和非熔化極氣體保護(hù)焊（簡稱TIG）。近年來，雙絲MIG焊接、攪拌摩擦焊、激光復(fù)合焊等新型的綠色高效焊接技術(shù)也在軌道交通車體焊接中快速應(yīng)用。焊接方式從半自動(dòng)手工焊向機(jī)械手等自動(dòng)化、智能化焊接方式轉(zhuǎn)變。

3.1 傳統(tǒng)的弧焊技術(shù)

傳統(tǒng)用于鋁合金焊接技術(shù)主要有非熔化極惰性氣體保護(hù)焊（見圖1）和熔化極惰性氣體保護(hù)焊（見圖2）。

圖1 TIG焊

圖2 MIG焊

目前，采用的焊接設(shè)備多為進(jìn)口，以歐洲和日本品牌為主，主要有奧地利福尼斯、瑞典伊薩、芬蘭肯比、法國SAF、日本松下和日本OTC等，國產(chǎn)焊機(jī)在軌道交通行業(yè)鋁合金焊接應(yīng)用較少。鋁合金弧焊極易產(chǎn)生焊接氣孔，因而這種焊接工藝對(duì)焊接廠房的溫度和濕度有一定的要求。

3.2 焊接新技術(shù)

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器人制造技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)的提升，鋁合金焊接技術(shù)朝著高效、綠色方向發(fā)展，機(jī)器人雙絲焊接、攪拌摩擦焊、激光及激光復(fù)合焊等新技術(shù)在軌道交通鋁合金上的應(yīng)用越來越廣泛。

（1）鋁合金車體雙絲雙弧焊接 雙絲雙弧焊接與一般 MIG 焊類似，送絲機(jī)和焊槍都可用雙電源作雙絲共熔池雙弧焊或不共熔池的雙弧焊（見圖3）。兩個(gè)電弧可以并列、斜列和串列，并列和斜列能使電弧不正對(duì)接口，可減少焊接塌陷發(fā)生的可能性；串列能夠分散熱量，使狹長溫度場和雙峰熱循環(huán)可調(diào)范圍更大，提高焊接接頭性能。如果采用單電源供電，兩個(gè)導(dǎo)電嘴間不必絕緣；如果用雙絲雙弧單焊槍送焊絲共熔池焊接，則兩個(gè)導(dǎo)電嘴間必須絕緣，需要采用有一定延遲的同步雙電流焊接[3]。

圖3 雙絲雙弧MIG焊接

為提高焊接效率，可以將兩個(gè)采用雙絲雙弧焊接工藝的焊接頭集成到一臺(tái)龍門設(shè)備上。如某公司在鋁合金高速列車車體空調(diào)板、地板及圓弧頂蓋等大型中空型材組件焊接中應(yīng)用了串列式雙頭雙絲弧焊設(shè)備，焊接速度可以達(dá)到1.3m/min左右。該工藝在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，還提高了焊接質(zhì)量，減少了工件焊接變形和焊接接頭軟化區(qū)寬度。設(shè)備結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 雙頭雙絲雙弧焊接設(shè)備

（2）攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù) FSW焊接鋁合金有多重優(yōu)點(diǎn)，使得該工藝在軌道車輛鋁合金車體焊接上得到快速應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)為：①焊接變形小，焊縫拉伸、彎曲及疲勞力學(xué)性能良好。②無弧光、煙塵、飛濺，噪聲低，工作環(huán)境好。③不需填絲和保護(hù)氣體，對(duì)廠房無溫度、濕度的特別要求，節(jié)能環(huán)保。④控制參數(shù)少，操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

1） FSW設(shè)備及生產(chǎn)線建設(shè)情況。2010年7月，國內(nèi)第一個(gè)應(yīng)用FSW技術(shù)的地鐵車體（見圖5a）在中車株洲電力機(jī)車有限公司（以下簡稱“株機(jī)”）成功下線，隨后株機(jī)公司建成了國內(nèi)第一條軌道車輛鋁合金車體部件FSW生產(chǎn)線，主要采用國產(chǎn)FSW設(shè)備，該生產(chǎn)線涵蓋鋁合金板厚2～30mm的側(cè)墻、長地板、枕梁及車鉤板的FSW焊接（見圖5b）。

由于FSW在鋁合金焊接上具有無與倫比的優(yōu)勢，國內(nèi)的城軌及高鐵制造廠家均先后建設(shè)了FSW生產(chǎn)線。國內(nèi)外先進(jìn)的FSW設(shè)備及最新的FSW技術(shù)也被應(yīng)用到軌道車輛上，設(shè)備均具備激光跟蹤、恒壓控制等先進(jìn)的功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控焊接壓力、焊接間隙及錯(cuò)邊，很好地保證了焊接質(zhì)量。

圖5 首個(gè)FSW車體及首條FSW生產(chǎn)線

某公司進(jìn)口的瑞典ESAB五軸三聯(lián)動(dòng)龍門FSW焊接系統(tǒng)（見圖6），采用雙焊頭形式，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)2條焊縫的焊接，焊接側(cè)墻和長地板時(shí)焊接速度可以達(dá)到1200～2000mm/min。某公司進(jìn)口的德國FOOKE五軸五聯(lián)動(dòng)FSW焊接系統(tǒng)（見圖7），焊接頭可以實(shí)現(xiàn)X軸雙向焊接，降低設(shè)備在焊接長直焊縫的空走時(shí)間，焊接側(cè)墻和長地板單向焊接速度達(dá)到1200～1800mm/min。

圖6 ESAB雙焊頭FSW設(shè)備

圖7 FOOKE雙向FSW設(shè)備

國產(chǎn)FSW設(shè)備在鋁合金焊接上表現(xiàn)優(yōu)異。如國內(nèi)某公司采用的國產(chǎn)四軸四聯(lián)動(dòng)龍門FSW焊接系統(tǒng)（見圖8），配有恒壓系統(tǒng)和激光跟蹤系統(tǒng)，集成了自動(dòng)化裝配工裝。工裝具備自動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝配壓緊，能夠?qū)崿F(xiàn)鼓型和直型的不同長度規(guī)格側(cè)墻的快速切換，減少了裝配及工裝換型時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，一次焊接后無需調(diào)平即可實(shí)現(xiàn)側(cè)墻平面度在2～3mm，側(cè)墻FSW焊接速度達(dá)到1800mm/min以上。

圖8 帶自動(dòng)化工裝的國產(chǎn)FSW設(shè)備

2）FSW關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)軌道交通行業(yè)FSW應(yīng)用的部件主要分為6mm以下的薄板和10mm以上的厚板。薄板主要包含側(cè)墻板、長地板等部件，此類部件的關(guān)鍵技術(shù)主要有：①軌道交通車體部件要求側(cè)墻板采用FSW后平面度在2mm以內(nèi)，長地板FSW后平面度在3mm以內(nèi)，平面度尺寸的控制主要通過優(yōu)化焊接參數(shù)和焊接順序、調(diào)整反變形以及優(yōu)化工裝來保證。②鋁合金薄板FSW要求型材裝配間隙控制在0.4mm之內(nèi)，裝配錯(cuò)邊控制在0.2mm之內(nèi)，主要通過對(duì)型材質(zhì)量控制和優(yōu)化裝配工裝來解決。③提高FSW焊接速度，主要通過優(yōu)化攪拌頭設(shè)計(jì)和提高FSW設(shè)備的穩(wěn)定性來保證。

鋁合金厚板主要部件有枕梁及車鉤板。鋁合金薄板FSW焊接接頭強(qiáng)度要高于MIG焊接頭強(qiáng)度，但當(dāng)板厚＞12mm后，F(xiàn)SW焊接接頭強(qiáng)度相比弧焊接頭的抗拉強(qiáng)度提高不明顯，并隨著板厚的增加強(qiáng)度逐漸降低。

（3） 激光-電弧復(fù)合焊 激光-電弧復(fù)合焊接是復(fù)合熱源焊接技術(shù)的一個(gè)新發(fā)展方向，即通過激光與電弧相互作用形成的一種增強(qiáng)適應(yīng)性的焊接方法。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)相對(duì)于激光焊接具有提高能量、增大熔深、穩(wěn)定焊接過程、降低裝配要求，以及減少氣孔和裂紋等焊接缺陷產(chǎn)生的特點(diǎn)。由于復(fù)合熱源能量密度高，焊接速度快、熱輸入量小，因而熱影響區(qū)小，焊件的變形及殘余應(yīng)力小。由于激光-電弧復(fù)合焊既具有焊接變形小的優(yōu)點(diǎn)，又能很好地實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化，因此鋁合金型材的激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值[4]。

某公司集成了一套激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鋁合金車體空調(diào)底板的激光-電弧復(fù)合焊接，如圖9所示。該系統(tǒng)采用ABB機(jī)器人，搭載IPG YRL-4000光纖激光器，MIG弧焊電源為Fronius TPS4000逆變電源，焊接過程中激光頭和焊槍采用旁軸的安裝方式，焊接速度可達(dá)3m/min以上，焊接效率較高，同時(shí)產(chǎn)品變形小，整個(gè)產(chǎn)品平面度＜2mm。焊接接頭具有較好的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度可達(dá)210MPa以上，接頭彎曲性能較好，彎曲至180°時(shí)無明顯因彎曲而導(dǎo)致的缺陷[5]。

圖9 激光-MIG電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)及空調(diào)底板激光復(fù)合焊

由于車體各大部件都存在焊接變形，部件制造有一定的誤差，因此在車體總組焊工序中，當(dāng)側(cè)墻與底架、頂蓋裝配到一起時(shí)，容易出現(xiàn)裝配間隙，相比激光焊，激光-電弧復(fù)合焊對(duì)焊接間隙的容忍度較高，最大可容忍1mm的間隙，有的企業(yè)正在嘗試采用激光-電弧復(fù)合焊在該工序中代替?zhèn)鹘y(tǒng)MIG焊工藝。

由于鋁合金材料的特性以及激光-電弧復(fù)合焊是一個(gè)多參數(shù)耦合的過程，所以焊接過程中容易出現(xiàn)氣孔缺陷，除了保證焊接過程中的環(huán)境條件以及原材料的清潔外，還需要通過調(diào)整激光功率、焊接速度、離焦量、光絲間距及電弧和電流等參數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化解決。

（4）手持式激光焊接技術(shù) 隨著激光技術(shù)的提高及激光器成本的降低，激光焊接設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)小型化，近幾年手持式激光焊接技術(shù)及設(shè)備發(fā)展非常迅速，國內(nèi)多個(gè)激光廠家均開發(fā)了手持式激光焊接設(shè)備，如圖10所示。

圖10 手持式激光焊接設(shè)備與激光焊槍

手持式激光焊有如下優(yōu)勢：①設(shè)備投資低，操作靈活方便，性價(jià)比高。②焊接熱輸入低，工作不易變形，焊接深度大。③對(duì)產(chǎn)品的裝配質(zhì)量要求沒有大型自動(dòng)激光焊設(shè)備高，適應(yīng)性好。④能夠適應(yīng)各種復(fù)雜位置的焊接，特別適合厚度≤2mm鋁合金薄板的焊接。

對(duì)于新型鋁基復(fù)合新材料，由于鋁合金型材壁厚較薄，使用常規(guī)的MIG和TIG焊接變形大，因此采用手持式激光焊可以很好地解決該問題。

4 軌道交通鋁合金焊接應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)的地鐵、動(dòng)車組及高鐵是引進(jìn)與消化吸收再創(chuàng)新最成功的典范。由于技術(shù)引進(jìn)主要來自歐洲和日本，因而最初鋁合金車體焊接標(biāo)準(zhǔn)主要采用德國、日本及國際標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)各機(jī)車輛企業(yè)從2004年開始進(jìn)行DIN 6700焊接體系認(rèn)證，后來DIN 6700升級(jí)為EN 15085，目前EN 15085作為指導(dǎo)軌道交通車體焊接的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，越來越得到用戶和制造企業(yè)的認(rèn)可，成為當(dāng)前主流?；贓N 15085焊接體系應(yīng)用的主要鋁合金焊接標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 EN 15085焊接體系應(yīng)用的主要鋁合金焊接標(biāo)準(zhǔn)

5 總結(jié)及展望

攪拌摩擦焊是目前為止軌道交通鋁合金最佳的焊接技術(shù)，其應(yīng)用產(chǎn)品范圍必將從地鐵、動(dòng)車組車體擴(kuò)展到高鐵車體，該工藝的應(yīng)用量會(huì)逐步擴(kuò)大，在越來越多的部件上會(huì)替代傳統(tǒng)的MIG焊工藝。

弧焊工藝以其便利性在軌道車輛鋁合金焊接中必不可少，傳統(tǒng)的MIG和TIG等熔化焊工藝將會(huì)向焊接過程數(shù)字化發(fā)展，低煙塵新型高性能數(shù)字弧焊電源將會(huì)有更加廣闊的市場。

激光-電弧復(fù)合焊和手持式激光焊接技術(shù)將作為攪拌摩擦焊的補(bǔ)充，在一些攪拌摩擦焊無法焊接的特殊情況下在軌道車體鋁合金上加以應(yīng)用，代替部分弧焊工藝。

隨著焊接技術(shù)及軌道交通技術(shù)的發(fā)展，越來越多的輕量化新興復(fù)合材料將會(huì)被應(yīng)用，高速高效、低焊接變形的焊接工藝將會(huì)有進(jìn)一步的市場需求，軌道車輛的焊接技術(shù)必將向智能化、數(shù)字化、高效綠色環(huán)保方向發(fā)展。