轨道车辆焊接技术与发展趋势

摘 要：本文将就铝合金相应的焊接技术展开分析，浅析新技术的发展和前景，希望能为铝制轨道车辆在我国的发展有所借鉴。

关键词：轨道车辆 焊接技术 铝合金

中图分类号：U270.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0073-01

1 焊接工艺现状分析

铝合金的密度低，同时却具有较高的机械强度，不易腐蚀，不会磁化，在低温环境中也不易脆化，因此被广泛用于高速动车的车体材料当中。使用铝合金作为车体的主体框架，可以使车体重量减少50%以上（相比较于钢结构）。但是由于铝合金熔点低、导热系数及热膨胀系数较大，因此，在焊接时容易产生裂纹、融合不良、气孔等缺陷。铝合金的焊接方法有多种，包括惰性气体的保护焊（MIG）、钨极惰性气体的保护焊（TIG）两种焊接方法。在焊接过程中，主要会出气孔、裂纹、焊接变形等问题。气孔的形成主要是由于氢气造成的，焊接的过程当中，吸附在母材表面的水膜会在电弧的作用下分解成气体，气体没有及时排除，就形成了气泡；当铝合金受热时，其膨胀系数是一般钢材料的两倍，当焊接是没有留有足够的空隙时，那么就会造成焊接变形。在长时间的实践过程中，已经总结了很多抑制这些缺陷的方法，譬如对于较厚夹板的焊接，为了能够保证焊接的质量要使焊缝从分均匀地融合，而且使焊缝中的气体顺畅溢出，采用较慢的环节速度和较大的电流配合焊接；与之相反，如果板材较薄，如果焊接的时候焊枪的停留时间稍长，那么铝材过热就会很容易产生气体，造成气孔的产生，所以一般以小电流快速焊接。

2 轨道车辆焊接新技术

当前，轨道车辆正朝着环保低碳、节省能源、质量轻、高质量、安全性及多样化方向发展，并且我国对轨道车辆，尤其是以铝合金车体为主的动车组需求量较大，因此，铝合金车体的制造需要一种新的焊接技术，才能使得铝合金车体焊接在传统的材料连接方法基础上向先进的“无污染、高质量、低消耗能源焊接制造”的方向发展。在本文中主要引入搅拌摩擦焊、激光焊接、激光电弧混合焊接。

2.1 搅拌摩擦焊

在轨道车辆生产中应用搅拌摩擦焊技术，日本是最早的国家之一。1998年，日本在生产单壁结构车体的过程中，对单壁6000系列的铝合金型材率先利用搅拌摩擦焊取代了熔化极氩弧焊进行了拼接。不再需要开坡口，采用搅拌摩擦焊就可以直接对单壁型材进行焊接。搅拌头的压力有可能在焊接过程中导致变形，为此加装桐垫板在焊缝下面，可以改善接头质量，同时提高生产效率。但是在双壁型型材焊接的时候，就不易施加铜垫板防止变形，这时用搭接接头来替换原来使用在熔化极氩弧焊的对接接头，可以减少施加垫板的工序，同时接头的刚性也得到了增加。搅拌摩擦焊在焊接的过程中，搅拌头高速旋转，在机械摩擦的作用下，材料的转移过度量与摩擦作用在动态上达到平衡。在这个过程中，焊接的温度并没有达到材料的熔点，焊接材料不会融化，属于固相连接的范畴。技术实现上，搅拌针的深入量和轴肩的压入量都有工艺要求。在满足工艺上的要求以后，粉碎、挤压后的焊接材料在摩擦产生的热量作用下产生热塑性形变，而材料会在塑性变性能综合摩擦热的作用下实现流动，扩散到焊接点周围实现连接。正因为搅拌摩擦焊的这种特点，母材不会发生诸如接头变形，出现凝固裂纹，大面积受热影响材料特性等问题，从而在铝合金焊接中大量应用。

2.2 激光焊接

激光焊的热源是通过聚焦高功率能量得到的激光束，激光通过偏光镜反射，在聚焦装置中得到聚焦就会产生高能量，高能量发热融化工件，工件结合发生物理变化，焊缝形成。结合是线结合的方式，没有断点是激光焊焊缝的特点，而间断焊接的点焊方法用在电阻点焊的重叠构件上，不能保证车体有效的达到高密闭性。激光焊接的技术优点是可以处理出深宽比较大的焊缝、被高温影响的母材区域窄、可以迅速完成焊接、使母材变形量减小。但是它的缺点也是明显的，对装配精度苛刻的要求以及焊接中出现的裂纹、咬边和出现气孔的缺陷经常出现。

在铝合金焊接的领域中，激光焊也以其显著的优点大量应用。但是在现阶段我国还没有大规模的在铝合金车体焊接中采用这种焊接方法，主要是限制于激光焊接设备高昂的成本和苛刻的使用要求。这些限制使得即使在国外，激光焊接也是在其他焊接方法无法完成焊接要求的时候才会使用。该技术的应用解决了复合铝合金板：1个非金属夹层被2个薄铝板夹住的焊接难题，相信在不久的将来必定被我国动车组铝合金车体焊接中应用。

2.3 激光-电弧复合焊

激光复合焊接是对TIG或者MIG电弧焊与激光焊接复合焊接的通称。在传统的TIG焊接中，由于焊接过程中在大电流通过是钨极融化的问题，使得这种焊接方法大多焊接3 mm以下的铝合金车体薄板，另外一方面，动车组50%以上的部件采用MIG焊接，但焊接过程复杂且要求苛刻。激光电弧复合焊接主要是结合电弧焊与激光焊接的长处来处理工程上的问题。比如说，在激光焊接中，能量使用率比较低，产生这种现象的原因是激光在到达焊接材料之前就会被焊接过程中的出现的等离子体云散射和吸收，这种吸收作用与正负离子体密度的乘积成正比；如果有电弧存在在激光束附近，正负离子会被电弧吸引和抵消，这样等离子体云的密度就会被稀释，激光的效率得到提高。激光还有一个特性是物体表面的温度升高以后，吸收激光能量的效率会进一步提高，这样，利用电弧对焊接材料先行加热，再施加激光焊接，激光的吸收效率再次提高。另外，电弧会接受激光的引导和聚焦作用，电弧得到稳定，电弧焊接的效率也更高。这样，焊接熔深进一步增加。这种效果尤其对于激光反射率高、导热系数高的材料例如铝合金上更加显著。

动车组的车体中，有很多大部件焊接，如边梁的焊接、底架的焊接等，这些都是焊接过程中的耗费工时的技术难点，在已进行的实验中，激光电弧复合焊接何以有效的提高这些焊接件的焊接效率，缩短组装周期。因此，无论是从焊接质量、焊接生产效率、焊接技术需求方面考虑，还是从降低焊接生产成本方面来考虑，激光-电弧复合热源焊接技术在轨道车辆转向架构架的焊接上都具有推广应用潜力和良好的发展前景。

3 结论

本文针对铝合金车体主要对轨道车辆的焊接现状现状进行简单的回顾，然后着重介绍了三种先进的焊接方法，摩擦搅拌焊接、激光焊接和激光复合焊接。通过介绍可以看到这三种焊接拥有这传统焊接不可比拟的优越性能，随着这些焊接技术的不断成熟，焊接成本的下降，以及对于轨道车辆性能的不断提高，这些焊接方法必将得到巨大的发展，在提高焊接过程机械化、自动化水平，提高焊接质量和生产率上起到重要的作用。

参考文献

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