軌道列車碳鋼焊接研究現狀

范東宇，劉春寧，茍國慶

（1.中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035；2.西南交通大學材料科學工程學院，四川 成都 610030）

0 前言

軌道列車作為國家重要基礎設施、國家經濟大動脈和大眾出行的重要交通工具，在建設創新型國家和實現社會經濟又好又快發展過程中，肩負著舉足輕重的責任和歷史任務[1]。近年來，隨著生產技術不斷革新和社會不斷進步，軌道列車制造業得到快速發展，列車運行安全性和輕量化給車體制造材料提出了新的要求。碳鋼材料具有良好的焊接性和可成形性，價格低廉、便于后期維修，一直以來都作為主要的結構材料應用于軌道列車制造業[2]。為進一步適應高速列車迅猛發展，提高碳鋼材料性能和改善焊接工藝一直以來都是研究的重點和熱點，其中材料和焊接方法是影響碳鋼材料在軌道列車制造中核心因素。

1 軌道列車用碳鋼材料現狀

以美國為代表的運輸大國，軌道碳鋼列車一般采用強度不低于345 MPa級的高強鋼作為主要承載結構件，高強鋼生產制造符合ASTM A242及A606技術要求，其力學性能如表1所示。但受鋁合金和不銹鋼車體制造技術快速發展的影響，近年來美國碳鋼列車發展較為緩慢，而俄羅斯軌道列車發展迅速，自2002年俄羅斯開始針對軌道列車試用400～500 MPa高強耐候鋼，該類型鋼材主要機械性能如表2所示。

表1 美國軌道列車用高強合金鋼機械性能

表2 俄羅斯軌道列車用高強耐候鋼機械性能

我國早期仿制國外技術產品A3鋼用于制造軌道碳鋼列車。隨著技術的發展，碳素鋼Q235逐步取代A3應用于我國軌道碳鋼列車制造中。使用過全性對車體材料及焊接方法提出更高要求。在保證強度與剛度的前提下，進一步減小碳鋼板材厚度，配合新的焊接工藝方法（如激光焊接）來改變接頭形式與結構，實現薄板及大厚板的可靠性連接，對于適應高速列車輕量化發展形勢、滿足高速列車安全性運行要求具有重要意義。韓國某公司在新型軌程中發現，Q235碳素鋼耐腐蝕性能差，服役過程中受大氣強烈腐蝕常發生漆面脫落情況。為改善列車車體耐蝕性能和提高板材力學性能，Q310和Q345耐候鋼又逐步替代碳素鋼和低合金鋼應用于車身制造。隨著列車運行速度提高和承載能力提升，對列車制造材料提出了更高要求，軌道列車碳鋼材料與焊接接頭需要具有良好的力學性能、剛度以及較強的耐腐蝕性能。目前，應用至貨車碳鋼材料Q450NQR1、160集中動力車Q460E以及25G等列車側墻結構的05CuPCrNi和09CuPCrNi鋼的主要成分和力學性能如表3、表4所示。

表3 軌道列車用碳鋼的化學成分%

表4 列車碳鋼材料的力學性能

隨著高速列車車輛運行速度不斷提升，車輛安道碳鋼車體研制過程中試用Domex高強鋼制造車體側墻結構，有效減小側墻骨架梁厚度，降低了整車質量。另外，汽車用高強鋼為碳鋼在高速列車中繼續發展提供了新思路：目前應用于汽車輕量化高強鋼主要是雙相鋼（DP）和相變誘導鋼（TRIP）[3-5]，兩種鋼材具有較高的屈服強度（500～860 MPa）和抗拉強度（610～1 080 MPa），未來有望作為結構材料應用到輕量化高速軌道列車的制造和生產中。有所不同的是，DP鋼中的馬氏體受熱易轉化為殘余奧氏體并發生粗化，使接頭出現軟化行為，降低接頭力學性能；而TRIP鋼由鐵素體、貝氏體與殘余奧氏體組成，焊后接頭不存在軟化現象，但TRIP鋼在應力作用下不會表現出連續屈服現象。Furusako[6]等人采用激光連續焊制造TRIP汽車前側梁并對其進行軸向壓扁試驗，經撞擊后，由激光連續焊制備的工件未發生分離現象，說明TRIP激光焊接頭具有較高的機械力學性能。

2 軌道碳鋼列車焊接材料研究現狀

我國關于軌道列車低合金鋼及耐候鋼焊接使用的焊絲材料已積累了一定研究基礎。鐵道部科學研究院金化所郭希烈[7]等人對比09MnCuPTi和日本SAP鋼，并對所用焊條和焊絲進行研制，設計的耐候鋼用焊條和焊絲經驗證均滿足軌道車輛制造要求，性能良好，與進口的日本CT-16焊條及美國Cor-Ten焊絲基本相同。齊齊哈爾車輛工廠史維義[8]等人對軌道列車用Q345的4種耐候鋼焊接用焊條進行研究，J502WCu及J506WCu具有電弧穩定、再起弧容易、焊渣流動性好、能適應于大電流快速焊接、焊渣自動脫落、焊縫美觀、無咬邊、氣孔及壓痕等優點。李德明[9]開展了對Q460高強鋼實心焊絲工藝試驗，對比目前市場3家品牌的ER50-G焊絲，指出ER50-G焊絲均滿足Q460材料焊接性要求。對照低碳鋼、高強鋼和低溫鋼用焊絲新標準[10]發現，焊絲ER55-G更為適用于Q460E高強鋼焊接。山東電力研究所杜寶帥[11]等人選用ER55-G焊絲對Q460鋼進行氣體保護焊，并研究接頭組織和性能。目前用于軌道碳鋼列車焊接材料主要有E4303、J506WCu、ER50-6、ER50-G及ER55-G等。

就焊接材料使用情況和熔敷金屬效果來看，焊材中合金元素及保護氣體成分對接頭組織和性能起重要作用。惠淵博[12]對比富Ar氣保護氣體和純CO2保護氣體對耐候鋼用ER50-6焊絲熔敷金屬化學成分，發現在焊接過程中Si和Mn燒損率及脫碳率有所降低。金燕[13]針對不同保護氣體對耐候鋼用ER50-6焊絲熔敷金屬的性能影響進行研究，發現熔敷金屬屈服強度、抗拉強度、伸長率等影響不大，但可以顯著提高接頭的低溫沖擊熱性。在焊接過程中，Ti、Nb等常作為微合金元素添加到焊絲中，如耐候鋼用ER50-G及ER55-G，在金屬熔敷過程中起細晶強化作用，從而改善熔敷金屬力學性能。杜寶帥[11]研究發現Q460耐候鋼用ER55-G焊絲，Ti元素的添加有利于熔敷金屬獲得針狀鐵素體組織，在較小的焊接線能量下，熱影響區不會出現軟化現象。陳濤[14]等人對耐候鋼用ER50-G焊絲中Ti元素在焊接過程中行為進行分析，發現TiN析出量要高于理論生成值，為使Ti元素更好地發揮細晶強化作用，應嚴格控制 w（Ti）=0.15%～0.22%的 ER50-G 生產與使用。

我國耐候鋼在20世紀末得到快速發展，使得碳鋼焊材研發及制造企業近年來蓬勃發展。目前全國的保護氣體實心焊絲生產企業有150多家，已從德國、瑞典、加拿大等國家引進各種生產設備50余套，國內自行研制的設備生產線100余條，年生產能力可達20余萬t。軌道碳鋼車輛國產ER50-6、ER50-G及ER55-G焊絲主要使用大西洋、林肯、天津金橋及天津大橋等廠家產品，而進口G0焊絲主要涉及德國博樂和瑞典伊薩等廠商的產品。從碳鋼列車使用情況來看，由于涉及焊縫位置較多、接頭形式多樣，存在復雜結構接頭位置，焊接過程易出現不穩定問題。主要表現在：焊接過程飛濺顯著，熔滴過渡過程不穩定，在小電流時過渡穩定性有待進一步提高。多道焊時會出現氣孔、夾雜等現象，在角焊縫、塞焊等位置會出現咬邊等缺陷，需進行二次補焊，引起應力集中，造成焊后變形嚴重，降低工件平整度。

另外，我國地域跨度較大，少數地區的自然環境惡劣，如青藏線，氣壓低、輻射強、環境溫度低，冬季最低氣溫可達-45℃，這給鐵路安全運行提出更為苛刻的要求，軌道列車材料與焊材除具備較好的耐腐蝕性能和疲勞性能，還應具有較好的低溫沖擊韌性。Q345E高強低合金鋼是近年來為滿足軌道列車在惡劣環境安全運行而設計的材料，其-40℃低溫沖擊功不小于27 J。母材更替的同時焊接材料也發生了相應變化，戚墅堰機車車輛的李玉生[15]對高強鋼Q345E焊接材料進行研究，對比了ER50-6焊絲與韓國某公司的SM-70焊絲，結果顯示進口焊絲SM-70獲得的焊接接頭具有更優異的低溫沖擊韌性，且焊后經去應力退火后，接頭的低溫韌性進一步得到提升。隨著我國軌道列車事業逐步走向國際，新研發的高速洲際軌道列車將會面臨更廣的地域跨度和更大的溫差變化，軌道列車材料及焊材應在原有基礎上繼續前行，開發更高性能的產品以適應和滿足嚴酷氣候條件的使用。

3 軌道碳鋼列車焊接技術研究現狀

熔化焊是應用在軌道列車制造中最主要的焊接方法，氣體保護焊是熔化焊的重要分支，在工業生產中占有主導地位，其應用范圍和使用程度代表了國家焊接技術的先進水平。據統計，截止2009年，我國氣體保護電弧焊（GMAW）完成的焊接工作量占焊接總量的40%以上，而美國、俄羅斯、英國和德國等先進工業國家的GMAW應用已達60%左右，日本達到70%以上[16]。我國的焊接材料產量達到438萬t，占世界焊接材料產量的50%以上，這些都極大推動了我國軌道制造行業的迅速發展。

由于碳鋼材料自身的特點，在選擇熔化焊方法時優先選擇具有氧化性的GMAW以保證焊接過程中的電弧穩定性。在軌道列車發展初期，主要使用焊條電弧焊配合J506WCu、J502WCu等焊條對耐候鋼Q345產品進行焊接。隨著焊接設備的發展和升級，為滿足高效率的生產要求，自動焊接替代手工焊接應用至軌道列車制造行業，目前碳鋼列車制造主要使用MAG焊。如前所述，相對于CO2保護氣體，選用富 Ar氣[φ（Ar）80%+φ（CO2）20%]作為保護氣體，熔滴過渡形式為短路過渡或穩定射流過渡，電弧弧長較短，焊道的熔深較淺，指狀熔深特點不明顯，焊縫成形良好，接頭具有良好的抗拉強度、屈服強度、延伸率及低溫沖擊韌性。短路過渡的出現使得在焊接薄板時不僅可以平焊、立焊還能全位置焊接。純Ar氣體保護焊焊接碳鋼材料時，電弧不穩而使保護效果變差，焊縫金屬韌性降低。

一直以來，對于軌道列車碳鋼材料焊接技術的研究主要是MAG焊，焊后板材有一定量的熱變形，特別是在薄板焊接過程中，顯著影響了軌道列車外觀平整度要求，限制了碳鋼材料在高速軌道列車中的應用。近年來，國內外學者針對這一問題嘗試采用較低熱輸入量的焊接方法，如電阻點焊和激光焊接。李貴中[17]等人對碳素鋼Q235進行了電阻點焊研究，深入分析熔核的大小及形態。唐山機車車輛有限公司[18-19]對3 mm厚09CuPCrNi耐候鋼、2.5 mm厚05CuPCrNi進行電阻點焊，分析焊后接頭組織結構、硬度及熔透率。侯振國[20]等人對2 mm和2.5 mm厚05CuPCrNi電阻點焊接頭進行疲勞性能測試，結果表明疲勞斷裂試件均啟裂于熔合區，啟裂區無缺陷，熔合區應力集中大是斷裂的主要原因，擴展區存在疲勞輝紋，終斷區呈剪切韌窩+解理形態。郭麗娟[21]等人開展了關于碳鋼材料T型接頭激光填絲焊的相關研究，對Q310和Q345耐候鋼的T型激光焊接頭進行組織觀察與性能測試，并分析斷口形貌。碳鋼激光焊接技術在德國西門子ICE4車上已大規模使用，但因技術敏感性，尚未見公開報道。而我國關于碳鋼激光焊接技術研究還處于起始階段，與國外激光焊接關鍵技術有一定差距。

4 軌道列車碳鋼材料焊接技術未來發展方向

軌道列車碳鋼材料由低合金鋼、耐候鋼發展到第四代碳鋼材料高強鋼并日趨成熟，其焊接技術也被國內主機廠廣泛使用，其產品已形成標準化、系列化、參數化的發展模式。但碳鋼產品集中應用于時速160 km軌道列車中，僅在高速動車組轉向架中有一定的應用。盡管價格低廉和便于維修的材料優勢使碳鋼在軌道列車行業中占有重要地位，但輕量化、高可靠性的高速列車快速發展給碳鋼材料的應用帶來了機遇與挑戰。開發新型碳鋼材料和探究配套焊接工藝是碳鋼材料在軌道列車行業發展的必有之路，可以預見焊接材料與技術的突破會使碳鋼材料引領高速列車制造技術更快發展。

4.1 新材料的研制

輕量化發展已然成為現在高速列車行業主旋律。目前的低合金鋼及耐候鋼難以在保證構件剛性及強度的前提下，進一步減小板材厚度，降低列車質量。輕量化汽車用高強鋼的成功開發與應用為這一問題的解決提供了新思路，但高強鋼在焊接過程中暴露的問題使其難以在高可靠性的高速列車中廣泛應用。所以應根據高速列車服役的特殊要求，研制碳鋼材料，從而獲得更高強度及剛性的碳鋼型材，這必將推動高速列車快速全面發展。

4.2 新焊接技術的開發

高速列車運行的穩定性與安全性對車體表面平整度和接頭質量提出嚴格要求，小熱輸入焊接方法的應用會大大改善由熱變形引起的平整度問題，同時會縮小焊接熱影響區范圍，改善接頭組織，提高焊接接頭質量。由此可以推斷激光技術的廣泛應用會帶來高速列車制造技術的革新。

4.3 數字模擬技術的引入

由于列車的高速運行過程在實際中難以復制和模擬，這給初期材料的研制與技術開發帶來難題。近年來，隨著計算機不斷升級與算法不斷改進，數字模擬不斷發展并成熟，模擬結果越來越可靠。可利用數字模擬技術再現材料和焊接工件在不同運行工況下工作情況，用于指導材料研制與焊接技術開發。

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