軌道車輛焊接制造工藝現(xiàn)狀及發(fā)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(chǎn)中應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)，日本是最早的國家之一。1998年，日本在生產(chǎn)單壁結(jié)構(gòu)車體的過程中，對(duì)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(jìn)行了拼接。不再需要開坡口，采用攪拌摩擦焊就可以直接對(duì)單壁型材進(jìn)行焊接。攪拌頭的壓力有可能在焊接過程中導(dǎo)致變形，為此加裝桐墊板在焊縫下面，可以改善接頭質(zhì)量，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。但是在雙壁型型材焊接的時(shí)候，就不易施加銅墊板防止變形，這時(shí)用搭接接頭來替換原來使用在熔化極氬弧焊的對(duì)接接頭，可以減少施加墊板的工序，同時(shí)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(zhuǎn)，在機(jī)械摩擦的作用下，材料的轉(zhuǎn)移過度量與摩擦作用在動(dòng)態(tài)上達(dá)到平衡。在這個(gè)過程中，焊接的溫度并沒有達(dá)到材料的熔點(diǎn)，焊接材料不會(huì)融化，屬于固相連接的范疇。技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生的熱量作用下產(chǎn)生熱塑性形變，而材料會(huì)在塑性變性能綜合摩擦熱的作用下實(shí)現(xiàn)流動(dòng)，擴(kuò)散到焊接點(diǎn)周圍實(shí)現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生高能量，高能量發(fā)熱融化工件，工件結(jié)合發(fā)生物理變化，焊縫形成。結(jié)合是線結(jié)合的方式，沒有斷點(diǎn)是激光焊焊縫的特點(diǎn)，而間斷焊接的點(diǎn)焊方法用在電阻點(diǎn)焊的重疊構(gòu)件上，不能保證車體有效的達(dá)到高密閉性。激光焊接的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是可以處理出深寬比較大的焊縫、被高溫影響的母材區(qū)域窄、可以迅速完成焊接、使母材變形量減小。但是它的缺點(diǎn)也是明顯的，對(duì)裝配精度苛刻的要求以及焊接中出現(xiàn)的裂紋、咬邊和出現(xiàn)氣孔的缺陷經(jīng)常出現(xiàn)。在鋁合金焊接的領(lǐng)域中，激光焊也以其顯著的優(yōu)點(diǎn)大量應(yīng)用。但是在現(xiàn)階段我國還沒有大規(guī)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(shè)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(shí)候才會(huì)使用。該技術(shù)的應(yīng)用解決了復(fù)合鋁合金板：1個(gè)非金屬夾層被2個(gè)薄鋁板夾住的焊接難題，相信在不久的將來必定被我國動(dòng)車組鋁合金車體焊接中應(yīng)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(chǎn)生離解，在高速通過水冷噴嘴時(shí)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(wěn)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(yīng)用于車頂波紋板和邊梁、風(fēng)機(jī)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(yīng)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(yīng)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(jié)約30%以上的填充材料，提高生產(chǎn)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(shù)，用于焊接圓周焊縫時(shí)，特殊氣體控制系統(tǒng)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(shù)是一種無焊渣、無飛濺的新型焊接工藝技術(shù)。在熔滴短路過渡時(shí)，數(shù)字式焊接控制系統(tǒng)可根據(jù)電弧生成的開始時(shí)間自動(dòng)減小焊接電流，直到電弧熄滅，同時(shí)焊絲的回抽運(yùn)動(dòng)利于熔滴脫落。在熔滴從焊絲上滴落之后，數(shù)字式焊接控制系統(tǒng)再次提高焊接電流，進(jìn)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(duì)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(jìn)行不銹鋼車體焊接時(shí)，采用CMT釬焊焊接厚0.6mm波紋頂板和車頂邊梁、風(fēng)機(jī)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(fā)展趨勢

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于軌道交通的各方面要求會(huì)越來越高，因此對(duì)于軌道交通中的焊接工藝要求也會(huì)相應(yīng)提高。針對(duì)傳統(tǒng)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(chǎn)生光束，進(jìn)而通過聚焦裝置將光束聚集起來產(chǎn)生高能量的光束，最后通過工件溶化產(chǎn)生的物理變化而完成焊接。激光焊接工藝的焊縫是連續(xù)線，能夠有效保證車體結(jié)構(gòu)的密封性，能夠應(yīng)用于現(xiàn)代高速列車的車體焊接生產(chǎn)。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(xiàn)分解，在高速通過水冷嘴是產(chǎn)生壓縮，增加能量的密度與離解度，進(jìn)而增加等離子弧。等離子弧焊的能夠一次性獲得良好的穩(wěn)定焊縫，其微束等離子弧對(duì)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(jié)語

現(xiàn)代焊接技術(shù)以高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)及工藝過程數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化控制為特征。因此，無論是隨著新的焊接材料和結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，開發(fā)新的焊接工藝方法，還是改進(jìn)常用的焊接工藝方法，提高焊接過程機(jī)械化、自動(dòng)化水平，提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率，焊接技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)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(tǒng)拓展研究[J].金屬加工(熱加工)，2016(16)：9-10.