軌道車輛焊接制造工藝現狀及發展趨勢

祁 松 劉玉霞

中車長春軌道客車股份有限公司

1 鋁合金車體焊接工藝

1.1 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。

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 不銹鋼車體焊接工藝

2.1 等離子弧焊

等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源的焊接方法。氣體被電弧加熱產生離解，在高速通過水冷噴嘴時受到壓縮，增大能量密度和離解度，形成等離子弧。更集中的電弧大大提高了能量的利用率，可一次性獲得良好和穩定的焊縫。微束等離子弧(電流＜80A)焊接厚1mm以下的不銹鋼薄板，應用于車頂波紋板和邊梁、風機座等件的合成，能夠有效地減小薄板焊接變形。熔入型等離子弧(80A＜電流＜300A)焊接厚3mm以下的不銹鋼板，應用于原手工MAG焊接的部位，可收到TIG焊接的效果，能一次性獲得完美外觀的焊縫。小孔型等離子弧(300A＜電流＜500A)焊接厚8mm以下的鋼板，應用于底架端部碳鋼、不銹鋼的焊接，可無需開坡口，一次焊透雙面成形，節約30%以上的填充材料，提高生產效率，減小焊接飛濺和氣孔。此外，等離子弧焊具有電極極性可變的鎖孔技術，用于焊接圓周焊縫時，特殊氣體控制系統可以完成圓周焊縫的無缺陷收尾焊接。

2.2 冷金屬過渡焊

冷金屬過渡焊接(CMT)技術是一種無焊渣、無飛濺的新型焊接工藝技術。在熔滴短路過渡時，數字式焊接控制系統可根據電弧生成的開始時間自動減小焊接電流，直到電弧熄滅，同時焊絲的回抽運動利于熔滴脫落。在熔滴從焊絲上滴落之后，數字式焊接控制系統再次提高焊接電流，進一步將焊絲向前送出。之后，重新生成焊接電弧，開始新一輪的焊接過程。這種“冷－熱”交替變化大幅減小了焊接熱輸入。CMT工藝的焊接熱輸入小、焊接變形小、無飛濺；搭橋能力好、對裝配間隙要求低；焊接速度高、焊縫外形均勻一致，為薄板的焊接提供了完美的解決方案。在進行不銹鋼車體焊接時，采用CMT釬焊焊接厚0.6mm波紋頂板和車頂邊梁、風機座等上面的大長焊縫，可最大程度地減小波紋板的變形，減小焊后清理的工作量。

3 軌道車輛焊接工藝的發展趨勢

隨著社會經濟的不斷發展，對于軌道交通的各方面要求會越來越高，因此對于軌道交通中的焊接工藝要求也會相應提高。針對傳統軌道焊接工藝中存在的問題，激光焊是一種新型的焊接工藝，是通過高功率的聚焦激光束作為熱源，通過偏光鏡反射激光產生光束，進而通過聚焦裝置將光束聚集起來產生高能量的光束，最后通過工件溶化產生的物理變化而完成焊接。激光焊接工藝的焊縫是連續線，能夠有效保證車體結構的密封性，能夠應用于現代高速列車的車體焊接生產。等離子弧焊同樣是未來的一種新型焊接工藝，這種焊接工藝主要采用離子弧作為熱源。等離子弧焊工作中，其它被電弧加熱而出現分解，在高速通過水冷嘴是產生壓縮，增加能量的密度與離解度，進而增加等離子弧。等離子弧焊的能夠一次性獲得良好的穩定焊縫，其微束等離子弧對于焊接厚度在1 mm以下的不銹鋼薄板，能夠有效的降低薄板焊接變形。

結語

現代焊接技術以高效、節能、優質及工藝過程數字化、自動化、智能化控制為特征。因此，無論是隨著新的焊接材料和結構的不斷出現，開發新的焊接工藝方法，還是改進常用的焊接工藝方法，提高焊接過程機械化、自動化水平，提高焊接質量和生產率，焊接技術的不斷發展對軌道車輛制造水平的提升起著重要作用。

[1]羅春龍，王莉，王永剛，唐海鷹.軌道車輛大部件焊接夾具柔性制造系統拓展研究[J].金屬加工(熱加工)，2016(16)：9-10.