軌道車輛焊接技術與發展趨勢

韓文峰

摘 要：本文將就鋁合金相應的焊接技術展開分析，淺析新技術的發展和前景，希望能為鋁制軌道車輛在我國的發展有所借鑒。

關鍵詞：軌道車輛 焊接技術 鋁合金

中圖分類號：U270.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（c）-0073-01

1 焊接工藝現狀分析

鋁合金的密度低，同時卻具有較高的機械強度，不易腐蝕，不會磁化，在低溫環境中也不易脆化，因此被廣泛用于高速動車的車體材料當中。使用鋁合金作為車體的主體框架，可以使車體重量減少50%以上（相比較于鋼結構）。但是由于鋁合金熔點低、導熱系數及熱膨脹系數較大，因此，在焊接時容易產生裂紋、融合不良、氣孔等缺陷。鋁合金的焊接方法有多種，包括惰性氣體的保護焊（MIG）、鎢極惰性氣體的保護焊（TIG）兩種焊接方法。在焊接過程中，主要會出氣孔、裂紋、焊接變形等問題。氣孔的形成主要是由于氫氣造成的，焊接的過程當中，吸附在母材表面的水膜會在電弧的作用下分解成氣體，氣體沒有及時排除，就形成了氣泡；當鋁合金受熱時，其膨脹系數是一般鋼材料的兩倍，當焊接是沒有留有足夠的空隙時，那么就會造成焊接變形。在長時間的實踐過程中，已經總結了很多抑制這些缺陷的方法，譬如對于較厚夾板的焊接，為了能夠保證焊接的質量要使焊縫從分均勻地融合，而且使焊縫中的氣體順暢溢出，采用較慢的環節速度和較大的電流配合焊接；與之相反，如果板材較薄，如果焊接的時候焊槍的停留時間稍長，那么鋁材過熱就會很容易產生氣體，造成氣孔的產生，所以一般以小電流快速焊接。

2 軌道車輛焊接新技術

當前，軌道車輛正朝著環保低碳、節省能源、質量輕、高質量、安全性及多樣化方向發展，并且我國對軌道車輛，尤其是以鋁合金車體為主的動車組需求量較大，因此，鋁合金車體的制造需要一種新的焊接技術，才能使得鋁合金車體焊接在傳統的材料連接方法基礎上向先進的“無污染、高質量、低消耗能源焊接制造”的方向發展。在本文中主要引入攪拌摩擦焊、激光焊接、激光電弧混合焊接。

2.1 攪拌摩擦焊

在軌道車輛生產中應用攪拌摩擦焊技術，日本是最早的國家之一。1998年，日本在生產單壁結構車體的過程中，對單壁6000系列的鋁合金型材率先利用攪拌摩擦焊取代了熔化極氬弧焊進行了拼接。不再需要開坡口，采用攪拌摩擦焊就可以直接對單壁型材進行焊接。攪拌頭的壓力有可能在焊接過程中導致變形，為此加裝桐墊板在焊縫下面，可以改善接頭質量，同時提高生產效率。但是在雙壁型型材焊接的時候，就不易施加銅墊板防止變形，這時用搭接接頭來替換原來使用在熔化極氬弧焊的對接接頭，可以減少施加墊板的工序，同時接頭的剛性也得到了增加。攪拌摩擦焊在焊接的過程中，攪拌頭高速旋轉，在機械摩擦的作用下，材料的轉移過度量與摩擦作用在動態上達到平衡。在這個過程中，焊接的溫度并沒有達到材料的熔點，焊接材料不會融化，屬于固相連接的范疇。技術實現上，攪拌針的深入量和軸肩的壓入量都有工藝要求。在滿足工藝上的要求以后，粉碎、擠壓后的焊接材料在摩擦產生的熱量作用下產生熱塑性形變，而材料會在塑性變性能綜合摩擦熱的作用下實現流動，擴散到焊接點周圍實現連接。正因為攪拌摩擦焊的這種特點，母材不會發生諸如接頭變形，出現凝固裂紋，大面積受熱影響材料特性等問題，從而在鋁合金焊接中大量應用。

2.2 激光焊接

激光焊的熱源是通過聚焦高功率能量得到的激光束，激光通過偏光鏡反射，在聚焦裝置中得到聚焦就會產生高能量，高能量發熱融化工件，工件結合發生物理變化，焊縫形成。結合是線結合的方式，沒有斷點是激光焊焊縫的特點，而間斷焊接的點焊方法用在電阻點焊的重疊構件上，不能保證車體有效的達到高密閉性。激光焊接的技術優點是可以處理出深寬比較大的焊縫、被高溫影響的母材區域窄、可以迅速完成焊接、使母材變形量減小。但是它的缺點也是明顯的，對裝配精度苛刻的要求以及焊接中出現的裂紋、咬邊和出現氣孔的缺陷經常出現。

在鋁合金焊接的領域中，激光焊也以其顯著的優點大量應用。但是在現階段我國還沒有大規模的在鋁合金車體焊接中采用這種焊接方法，主要是限制于激光焊接設備高昂的成本和苛刻的使用要求。這些限制使得即使在國外，激光焊接也是在其他焊接方法無法完成焊接要求的時候才會使用。該技術的應用解決了復合鋁合金板：1個非金屬夾層被2個薄鋁板夾住的焊接難題，相信在不久的將來必定被我國動車組鋁合金車體焊接中應用。

2.3 激光-電弧復合焊

激光復合焊接是對TIG或者MIG電弧焊與激光焊接復合焊接的通稱。在傳統的TIG焊接中，由于焊接過程中在大電流通過是鎢極融化的問題，使得這種焊接方法大多焊接3 mm以下的鋁合金車體薄板，另外一方面，動車組50%以上的部件采用MIG焊接，但焊接過程復雜且要求苛刻。激光電弧復合焊接主要是結合電弧焊與激光焊接的長處來處理工程上的問題。比如說，在激光焊接中，能量使用率比較低，產生這種現象的原因是激光在到達焊接材料之前就會被焊接過程中的出現的等離子體云散射和吸收，這種吸收作用與正負離子體密度的乘積成正比；如果有電弧存在在激光束附近，正負離子會被電弧吸引和抵消，這樣等離子體云的密度就會被稀釋，激光的效率得到提高。激光還有一個特性是物體表面的溫度升高以后，吸收激光能量的效率會進一步提高，這樣，利用電弧對焊接材料先行加熱，再施加激光焊接，激光的吸收效率再次提高。另外，電弧會接受激光的引導和聚焦作用，電弧得到穩定，電弧焊接的效率也更高。這樣，焊接熔深進一步增加。這種效果尤其對于激光反射率高、導熱系數高的材料例如鋁合金上更加顯著。

動車組的車體中，有很多大部件焊接，如邊梁的焊接、底架的焊接等，這些都是焊接過程中的耗費工時的技術難點，在已進行的實驗中，激光電弧復合焊接何以有效的提高這些焊接件的焊接效率，縮短組裝周期。因此，無論是從焊接質量、焊接生產效率、焊接技術需求方面考慮，還是從降低焊接生產成本方面來考慮，激光-電弧復合熱源焊接技術在軌道車輛轉向架構架的焊接上都具有推廣應用潛力和良好的發展前景。

3 結論

本文針對鋁合金車體主要對軌道車輛的焊接現狀現狀進行簡單的回顧，然后著重介紹了三種先進的焊接方法，摩擦攪拌焊接、激光焊接和激光復合焊接。通過介紹可以看到這三種焊接擁有這傳統焊接不可比擬的優越性能，隨著這些焊接技術的不斷成熟，焊接成本的下降，以及對于軌道車輛性能的不斷提高，這些焊接方法必將得到巨大的發展，在提高焊接過程機械化、自動化水平，提高焊接質量和生產率上起到重要的作用。

參考文獻

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