智能化的焊接技術(shù)在高速鋁合金車輛上的應(yīng)用

金昌海 何曉龍

一、國(guó)內(nèi)軌道交通鋁合金車輛現(xiàn)狀

南、北車集團(tuán)通過(guò)引進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年努力趕上世界鐵路客車生產(chǎn)的高技術(shù)，已陸續(xù)制造出高質(zhì)量的鋁合金客車。特別是CRH380A車的研制成功，極大地鼓舞了國(guó)人的士氣，且將產(chǎn)品多樣化，取得了很好的成績(jī)。

車輛設(shè)計(jì)材料一般選用碳鋼、不銹鋼及鋁合金。碳鋼車輛由于耐蝕性、平整度、隔音效果差等原因，故基本不用于高速列車制造。不銹鋼車輛基本以點(diǎn)焊工藝為主，由于密封性差，因此基本用于地鐵、輕軌車輛的制造。鋁合金材料制造的車輛具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕強(qiáng)、材料可以再生利用和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，由此受到國(guó)際上的很多軌道車輛制造廠商的歡迎。特別是國(guó)內(nèi)鋁合金長(zhǎng)大空心型材的成功研發(fā)，給鋁合金車輛的自動(dòng)化、智能化焊接提供了條件。目前國(guó)內(nèi)高速鐵路市場(chǎng)上鋁合金車輛占據(jù)100%的市場(chǎng)份額，準(zhǔn)高速鐵路市場(chǎng)上鋁合金車輛也占據(jù)接近100%的市場(chǎng)份額，這足以說(shuō)明未來(lái)鋁合金車輛的發(fā)展趨勢(shì)。

二、智能化焊接在鋁合金車輛上的應(yīng)用

下面通過(guò)對(duì)高速列車的結(jié)構(gòu)、工藝流程、焊接方法、焊接設(shè)備的介紹，來(lái)說(shuō)明智能化焊接在高速鋁合金車輛上的應(yīng)用。

1.高速鋁合金車輛結(jié)構(gòu)

高速鋁合金車輛可分為兩種形式，即帶司機(jī)室的車輛和不帶司機(jī)室的中間車輛。兩端帶司機(jī)室的車輛（見(jiàn)圖1）結(jié)構(gòu)相同，各中間車輛結(jié)構(gòu)也大同小異，都采用長(zhǎng)大中空鋁合金擠壓型材焊接而成（見(jiàn)圖2），其中底架、側(cè)墻、車頂、端墻組成為總組成。根據(jù)不同的車型，每列車的編組也不同，有的車型一列車8輛編組，有的車型一列車16輛編組。車輛大部件，包括底架、側(cè)墻、車頂及端墻多采用空心擠壓型材，除了端墻之外的大部件以長(zhǎng)大鋁合金型材（見(jiàn)圖3）為主，＞20m的長(zhǎng)焊縫多以外，具備了一定的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接條件。

圖1 正在起吊的帶司機(jī)室的車體總組成

據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，CRH380A一輛車輛焊縫總長(zhǎng)度達(dá)2.5km左右，那么一列車若8輛車輛編組，焊縫總長(zhǎng)度高達(dá)20km；若16輛的長(zhǎng)大編組，其焊縫總長(zhǎng)度高達(dá)40km，焊接量之大實(shí)屬罕見(jiàn)。這么長(zhǎng)的焊縫不能采用傳統(tǒng)的焊接方法，必須得采用既能保證焊接質(zhì)量又能提高效率的智能化的焊接工藝。

2.智能化焊接在鋁合金車輛上的應(yīng)用

以側(cè)墻、車頂、車輛總組成、端墻的焊接為例，說(shuō)明智能化焊接在鋁合金車輛上的應(yīng)用。

（1）側(cè)墻、車頂、地板的焊接 側(cè)墻、車頂?shù)染捎谬堥T(mén)式機(jī)械手自動(dòng)焊和雙焊槍焊接，以提高效率。在焊縫的跟蹤上采用激光跟蹤器，可使焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊接質(zhì)量好，如圖4～圖6所示。

（2）車輛總組成的焊接 車輛總組成的焊接較特殊。車頂與側(cè)墻的連接焊縫也是采用龍門(mén)式機(jī)械手雙焊槍自動(dòng)焊，但底架與側(cè)墻間連接的橫焊縫是側(cè)面懸掛式智能焊機(jī)來(lái)完成，如圖7所示。

基于上述可知，不是對(duì)所有的長(zhǎng)焊縫千篇一律采用機(jī)械手，需根據(jù)焊接位置不同采用不同的焊接設(shè)備。

（3）端墻的焊接 采用電阻點(diǎn)焊和手動(dòng)MIG焊相結(jié)合的方法，如圖8所示。

電阻點(diǎn)焊在高速鋁合金車輛的焊接上也發(fā)揮出自己獨(dú)特的特點(diǎn)。它配合與之相配套的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，充分發(fā)揮智能點(diǎn)焊機(jī)的特點(diǎn)，按著編好的系統(tǒng)程序，自動(dòng)焊接各個(gè)不同的焊接點(diǎn)，效率很高，如圖9所示。

（4）龍門(mén)IGM機(jī)器人設(shè)備的智能開(kāi)發(fā) 企業(yè)引進(jìn)自動(dòng)化、智能化設(shè)備的主要目的就是提高質(zhì)量和效率。早期的龍門(mén)IGM機(jī)器人只帶一個(gè)焊槍，后來(lái)的龍門(mén)IGM機(jī)器人帶兩個(gè)焊槍，也就是雙焊槍，提高了雙倍的效率。在此基礎(chǔ)上覺(jué)得還是滿足不了新技術(shù)、新工藝要求，又陸續(xù)開(kāi)發(fā)了多種輔助的功能。龍門(mén)IGM機(jī)器人的輔助功能多樣化，顯著提高了生產(chǎn)效率。

具體功能如下：

首先，壓緊功能的開(kāi)發(fā)。以往組對(duì)大部件的時(shí)候，由于型材超長(zhǎng)，也帶一定的焊接變形，長(zhǎng)度方向的搭接焊縫有時(shí)候間隙大，組對(duì)困難。由此，龍門(mén)IGM機(jī)器人上設(shè)置專門(mén)壓緊型材的液壓系統(tǒng)，很好地解決了此難題。

圖2 完成焊接后的車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 長(zhǎng)大鋁合金型材

圖4 龍門(mén)式IGM機(jī)械手的雙焊槍同時(shí)焊接側(cè)墻內(nèi)側(cè)焊縫

圖5 龍門(mén)式IGM機(jī)械手的雙焊槍同時(shí)焊接車頂外側(cè)焊縫

圖6 龍門(mén)式IGM機(jī)械手焊接完的底架地板

圖7 左右兩側(cè)可以同時(shí)焊接兩道橫焊縫

圖8 電阻點(diǎn)焊端墻的骨架與外板

圖9 已焊好的端墻

其次，既能壓緊又能打磨氧化膜的功能開(kāi)發(fā)。打磨氧化膜是鋁合金焊接之前必須要做的作業(yè)內(nèi)容。板梁型材組成的底架地板焊接時(shí)，由于型材超長(zhǎng)，長(zhǎng)度方向也帶一定的波浪變形，故給機(jī)械手焊接帶來(lái)一定困難。自公司龍門(mén)IGM機(jī)器人上設(shè)置了既能壓緊又能打磨氧化膜的專用設(shè)備之后，徹底改變了以往的鋁合金焊接前人工打磨氧化膜，然后機(jī)械手開(kāi)始施焊的傳統(tǒng)工藝。

（5）焊接方法 到目前為止，鋁合金車輛制造上采用的焊接方法主要有熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）和電阻點(diǎn)焊。特別是側(cè)墻、車頂、底架等長(zhǎng)大大部件的熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）的自動(dòng)化程度高。鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）主要適用于小件薄板的焊接；電阻點(diǎn)焊的自動(dòng)焊程度也較高，主要適用于薄板的焊接，比如端墻的外板和骨架的焊接。

（6）焊接材料 MIG、TIG焊接主要采用A5000系列焊絲，保護(hù)氣采用純度99.999%以上的氬氣。

目前，世界上還沒(méi)有發(fā)明能達(dá)到鋁合金焊接接頭跟母材等強(qiáng)度的鋁合金焊絲，高速列車上使用的鋁合金焊絲均是進(jìn)口的。國(guó)內(nèi)焊絲制造工藝不比國(guó)外差，主要還是冶金技術(shù)跟國(guó)外比有一定差距，某種意義上講，嚴(yán)重影響鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展。國(guó)家應(yīng)專門(mén)成立研究機(jī)構(gòu)，盡快解決這一難題，這樣實(shí)現(xiàn)鋁合金焊絲的國(guó)產(chǎn)化指日可待。

（7）焊接設(shè)備 采用進(jìn)口焊接設(shè)備。比如，MIG焊接采用芬蘭的肯比、德國(guó)的EWM、奧地利的福尼斯等品牌焊機(jī)。這些焊機(jī)均屬于智能焊機(jī)，特別是奧地利的福尼斯焊機(jī)是IGM龍門(mén)式自動(dòng)焊專機(jī)的主要焊接電源，性能可靠，安全系數(shù)高，很受客戶歡迎。

肯比焊機(jī)能對(duì)操作人員進(jìn)行全面深度的管理。它具備對(duì)電焊機(jī)的所有數(shù)據(jù)實(shí)施全程記錄和管控并傳輸?shù)墓δ埽瑢?duì)焊接過(guò)程的追朔性有一定的實(shí)際意義。

三、智能化鋁合金焊接技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，鋁合金焊接方法出現(xiàn)了攪拌摩擦焊、激光MIG復(fù)合焊、等離子MIG復(fù)合焊等多種焊接方法，但在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有批量應(yīng)用到高速列車上，僅僅是在試驗(yàn)室或局部部件上得到應(yīng)用。攪拌摩擦焊的特點(diǎn)是熱輸入低，焊接頭抗拉強(qiáng)度能顯著提高，且焊縫里的焊接缺陷極少，跟傳統(tǒng)的MIG焊相比較具有無(wú)法比擬的優(yōu)越性，設(shè)備簡(jiǎn)單，應(yīng)該是今后鋁合金焊接的最主要手段之一。但所對(duì)應(yīng)的輔助設(shè)備要求高，真正應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)流水線尚需解決很多問(wèn)題，這里不再一一敘述。激光MIG復(fù)合焊、等離子MIG復(fù)合焊等新型焊接方法也不少專家研究當(dāng)中，但真正投入到產(chǎn)業(yè)化，則需要設(shè)備的簡(jiǎn)單化、智能化，才能有發(fā)展生存空間。

若M I G焊接能滿足設(shè)計(jì)要求，那么小型智能化的機(jī)器人焊接系統(tǒng)和變位機(jī)以及控制系統(tǒng)的完美結(jié)合將是未來(lái)二三十年的智能化鋁合金焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。這就需要更高層次的同步的模擬化、可靠性為基礎(chǔ)的智能焊接系統(tǒng)，目前只有汽車行業(yè)里的機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)能做到這一點(diǎn)。

相信鋁合金焊接技術(shù)在我國(guó)將會(huì)有更美好的發(fā)展前景!20140706