軌道交通制造焊接技術應用現狀及發展趨勢

尹光劍 姜立民 邱存寶 王文 賀永輝

中車四方車輛有限公司 山東青島 266000

1 焊接技術和材料在軌道交通車體中的應用概況

軌道交通能否順利開通運營很大程度上取決于軌道交通車輛，假如車輛質量不過關的話，其后果就會相當嚴重，因此必須要對軌道交通車體的制造給予高度的重視。通過焊接技術及焊接方法的改進和提升使車體強度更加安全可靠，從根本上確保軌道交通車輛的安全運行。軌道交通包含有城際動車組、高速動車組以及地鐵動車組等。鋁合金和不銹鋼材料是主要的車體材料，和傳統碳鋼相比，不銹鋼具有美觀大方、維修方便等優勢，使車體的耐用性更強，所以具有非常廣泛的應用范圍。鋁合金材料非常輕便，同時外表十分美觀，具有較強的腐蝕性，具有廣闊的發展環境。在實際制造軌道交通車體的過程當中，需要加強對高可靠性焊接技術的應用，并對其具體的方式根據具體的要求和應用場景進行合理選擇[1]。

2 常見的軌道交通車體焊接技術

2.1 熱焊

鋼軌鋁熱焊的焊接原理是鋁熱劑在坩堝中點燃，形成高溫鋁熱鋼水，注入焊接砂型和待焊鋼軌組成的空腔中。高溫鋼水通過專門設計的砂型澆注系統熔化待焊鋼軌端面，冷卻凝固后將待焊鋼軌連接成一個整體。鋼軌鋁熱焊有自己的熱源。因此，該設備簡單易行，快，少量人員可進行焊接作業。在鋁熱焊焊接中，鋼軌的幾何位置在焊接過程中幾乎沒有變化，其平順性取決于夾具。因此，焊接接頭的平整度優于氣壓焊。由于鋼軌在焊接過程中不移動，特別適用于跨區域無縫鋼軌的焊接。鋁熱焊實際是鑄造過程。在鑄造過程中，鋁熱焊焊縫金屬為鑄態組織。因此，界面的性質具有鑄造的特點，力學性能比閃光焊差。鋁熱焊的焊接缺陷主要是由于施工過程中預熱不足造成的。所以在生產中，鋼軌預熱過程是焊接過程中一個非常重要的過程。受人、機、料、法等諸多因素的制約，應因地制宜地采取保障措施。在低溫環境下，氧氣瓶、丙烷瓶和儀表應采取保溫措施，保證預熱火焰穩定、正常。鋁熱焊焊頭兩側鋼軌的母材為熱影響區。現行工藝標準未規定焊頭的正火處理。事實上，應積極開發鋁熱焊正火加熱器，應使鋁熱焊頭正火，提高焊接接頭的綜合強度指標。

2.2 鋁合金車體激光-MIG 復合焊接技術

高速動車組和大部分城軌車輛的車體均由鋁合金板材和型材組焊而成，鋁合金車體具有質量輕、密封性好、噪聲低等特點，在城軌、地鐵和高速列車上應用廣泛。在行駛過程中，車體長期承受著振動和沖擊載荷的作用，車體焊縫的質量和性能直接關乎車輛的安全性。目前，我國主要依靠的是MIG 焊接技術，其焊接工藝及自動化水平已較為成熟，但MIG 焊接鋁合金存在單道焊接熔深有限，焊接速度慢、焊接熱輸入大、焊縫熱影響區寬、接頭韌性低、熱影響區以及焊縫的強度大幅下降，焊接結構的變形大，以及需要焊后矯正等缺點，大大影響了鋁合金車體的生產效率和生產質量，難以滿足現代制造業的需求。鋁合金的激光-MIG 復合焊接工藝與傳統的MIG 焊相比，焊縫成形良好，不僅焊接效率提高，接頭的強度也有很大提高，并且接頭的應力、變形也會減小，這對于保障鋁合金車體整體的尺寸精度和安全可靠性是非常有利的，也減輕了后續車體調修的難度，且相較于攪拌摩擦焊，適用的焊縫形式更全面[2]。

2.3 部分熔透激光疊焊參數優化

不銹鋼薄板激光疊焊接頭質量的兩個重要評價標準是搭接接頭的剪切載荷和下板外表質量。而焊縫熔深和焊縫熔寬又是影響這兩個質量評價標準的重要參數。不銹鋼薄板激光疊焊焊縫尺寸主要是由激光功率和焊接速度決定的，因此，合理匹配激光功率和焊接速度是控制焊縫成形并保證搭接接頭剪切載荷和下板外表面質量的主要途徑。在一定的功率條件下，當焊接速度較小時，線能量較大，熔深較大，會影響下板的外表面質量；當焊接速度較大時，線能量較小，會造成熔深不足，使得剪切強度難以保證。通過工藝優化研究，認為焊接線能量控制在40J/mm 左右對保證剪切強度和下板外表面質量較為合適。綜合考慮焊接速度對焊縫成形的影響，最終選擇的焊接工藝參數為在光斑直徑為0.6mm 的前提下，激光功率為1200W，焊接速度為30mm/s。

2.4 多機器人協調控制技術

在焊接機器人實際應用過程中，因為焊接目標通常有較大的體積，所以大多數情況下需要使用多個焊接機器人共同作業。基于這一情況，應該使用多機器人的協調控制技術來協調多個機器人工作路徑和工作面。現階段工業生產中出現了越來越多的焊接目標大型化情況，為確保多焊接機器人安全、順利開展復雜焊接操作流程，十分有必要提前對控制機器人的工作路徑和動作進行協調[3]。

3 焊接技術的展望

首先，現代產業飛速發展，傳統的慢工出細活已經不能適應行業的飛速發展，只有在保證質量的前提下，提高生產的工作效率，才能不被社會淘汰，同時在制造過程中，還需要注意控制產品的成本，過高的成本也會影響產品的制造，只有優質、高效、低成本的產品才更有競爭力。其次，現代新興軌道交通車體焊接技術應克服困難，積極尋求適用于焊接的優質新興材料，解決材料之間的矛盾，為此，軌道交通車體焊接技術工作人員可與專業的材料工程師進行溝通，保證材料的高質量、低成本、高效率。最后，軌道交通車體的制造要求多種工業技術的精湛完美，焊接技術作為主要組成部分更是必不可少的一部分，必須改變傳統思維中認為焊接技術是薄弱環節的思維定式，全力改良產品的質量，提高軌道交通車體的整體質量。同時，以達到軌道交通車體焊接結束全智能化控制、零缺陷為終極目標。

4 結語

總之，現行的幾種軌道鋼的焊接放法優缺點各異，根據實際情況選擇合適的加工工藝，操作者根據實際的加工工藝認真細致的按規定要求完成，就一定能得到合格的產品。