軌道交通車體用鋁合金材料及其焊接技術(shù)

軌道交通車體用鋁合金材料及其焊接技術(shù)摘要：在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，人們對(duì)汽車的需求也在逐漸提升，倒逼軌道交通車體行業(yè)的快速進(jìn)步與發(fā)展。鋁合金是軌道交通車體輕量化發(fā)展的方向，已經(jīng)成為軌道交通車體行業(yè)中廣泛使用的材料之一，鋁合金的使用可以有效降低軌道交通車體的整體車身質(zhì)量、減少能源消耗，與我國(guó)節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)完全符合，并且合理利用焊接的新技術(shù)為汽車輕量化提供技術(shù)保障，對(duì)軌道交通車體行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文簡(jiǎn)要概述了鋁合金特點(diǎn)，分析了鋁合金在軌道交通車體輕量化中的應(yīng)用，并對(duì)鋁合金軌道交通車體焊接的新技術(shù)進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：軌道交通車體；鋁合金材料；焊接；技術(shù)引言為了減少能源消耗和提高運(yùn)行速度，輕量化車體一直以來(lái)都是軌道交通車輛技術(shù)研發(fā)的方向，為此選用合適的材料對(duì)車體輕量化至關(guān)重要。鋁合金材料因密度小、強(qiáng)度適中、易成形等優(yōu)點(diǎn)而成為新型軌道交通車輛車體用材料的首選。軌道交通車輛車體制造有焊接、鉚接、螺栓聯(lián)接等多種工藝，但應(yīng)用最廣泛的還是焊接工藝。焊接作為軌道車輛車體制造過(guò)程的特殊工序，對(duì)車體產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率及制造成本影響巨大。1鋁合金材料的應(yīng)用鋁可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、抗蝕性和導(dǎo)熱性，其產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于印刷業(yè)、汽車制造業(yè)、建筑業(yè)、電子通訊業(yè)、石油化工業(yè)、能源動(dòng)力、包裝容器、機(jī)械電器等行業(yè)。鋁及其合金材料的加工工藝有鑄造、沖壓、鍛造、擠壓以及深加工等。鋁的耐蝕性能很好，而且強(qiáng)度好。純鋁的抗拉強(qiáng)度是低碳鋼的五分之一，如果經(jīng)過(guò)熱處理強(qiáng)化和合金化強(qiáng)化，其強(qiáng)度會(huì)大大增加。另外，鋁的加工性能好、上色容易且由于本身很輕，安裝就輕便很多。鋁的熔點(diǎn)低，易于再生。所以，從節(jié)能、環(huán)保、安全要求的等多方面考慮，鋁及鋁合金材料是很有鍛造價(jià)值的金屬材料。基于趙云寶等對(duì)鋁合金焊接技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)研究分析，現(xiàn)全球鋁合金焊接技術(shù)已經(jīng)步入技術(shù)成熟期，當(dāng)前鋁合金焊接技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中于TIG焊接系統(tǒng)、激光焊接自動(dòng)控制、攪拌摩擦焊接系統(tǒng)、多種材料的復(fù)合焊技術(shù)等焊接技術(shù)。2軌道交通車體用鋁合金及焊接材料2.1鋁合金材料軌道交通車體目前常用的材料有碳素鋼、不銹鋼和鋁合金三種，無(wú)論是從使用量，還是從應(yīng)用產(chǎn)品的范圍來(lái)看，使用最廣的還是鋁合金材料。軌道交通車體用到的鋁合金以型材為主、板材為輔，少量部件使用了鍛件。目前，軌道交通車體主要應(yīng)用的鋁合金為5系、6系和7系，按照ISO15608—2017材料組別分別為22組、23.1組及23.2組。相對(duì)而言，鋁型材使用最多的是6系鋁合金，且多為6005A和6082鋁合金。板材使用較多的為5083和6082鋁合金。鋁合金優(yōu)良的擠壓性能為鋁型材的大量使用打下了良好的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)成熟穩(wěn)定的擠壓制造能力又助推了鋁型材的應(yīng)用。大型中空鋁型材的使用，簡(jiǎn)化了車體的制造工藝。2.2焊接材料焊材的質(zhì)量對(duì)鋁合金焊接質(zhì)量至關(guān)重要。目前，軌道交通鋁合金焊接材料多為進(jìn)口產(chǎn)品，特別是在高速度等級(jí)的動(dòng)車組上，焊絲全部采用進(jìn)口。國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)應(yīng)用的主要鋁合金焊絲進(jìn)口品牌有SAFRA、ESAB、MTL、MIG等品牌。近年來(lái)，隨著國(guó)產(chǎn)化焊絲制造技術(shù)的提高，國(guó)產(chǎn)鋁合金焊絲也表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和使用性能，并在地鐵車輛上開(kāi)始成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)軌道交通車輛制造企業(yè)為促進(jìn)國(guó)家焊接材料制造的發(fā)展，同時(shí)降低生產(chǎn)成本及進(jìn)口供貨風(fēng)險(xiǎn)，正在大力推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化鋁焊絲的工程化應(yīng)用。2.3激光焊激光在很多領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在鋁合金焊接領(lǐng)域中。GenchenPeng等對(duì)35mm厚的5A06鋁合金在不同環(huán)境壓力下進(jìn)行了一系列的圓盤激光焊接實(shí)驗(yàn)，得出了激光焊接過(guò)程中環(huán)境壓力應(yīng)限制在小于102Pa，使獲得高的焊接質(zhì)量。激光焊焊接鋁及其合金時(shí)，特別是在熱處理過(guò)程，必須考慮缺陷存在的可能性，Viscusi等研究并探討了克服這些缺陷的可能性。激光焊與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，具有很顯著的優(yōu)勢(shì)，如變形小、熱影響范圍小、生產(chǎn)效率高、接頭損傷輕、熱輸入低等。3軌道交通車體鋁合金焊接技術(shù)及設(shè)備3.1焊接新技術(shù)隨著焊接技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器人制造技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)的提升，鋁合金焊接技術(shù)朝著高效、綠色方向發(fā)展，機(jī)器人雙絲焊接、攪拌摩擦焊、激光及激光復(fù)合焊等新技術(shù)在軌道交通鋁合金上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。鋁合金車體雙絲雙弧焊接雙絲雙弧焊接與一般MIG焊類似，送絲機(jī)和焊槍都可用雙電源作雙絲共熔池雙弧焊或不共熔池的雙弧焊。兩個(gè)電弧可以并列、斜列和串列，并列和斜列能使電弧不正對(duì)接口，可減少焊接塌陷發(fā)生的可能性；串列能夠分散熱量，使狹長(zhǎng)溫度場(chǎng)和雙峰熱循環(huán)可調(diào)范圍更大，提高焊接接頭性能。如果采用單電源供電，兩個(gè)導(dǎo)電嘴間不必絕緣；如果用雙絲雙弧單焊槍送焊絲共熔池焊接，則兩個(gè)導(dǎo)電嘴間必須絕緣，需要采用有一定延遲的同步雙電流焊接。3.2攪拌摩擦焊接技術(shù)攪拌摩擦焊接技術(shù)是英國(guó)研發(fā)的，其工作原理，將具有特殊性質(zhì)的攪拌頭插進(jìn)工件之上，使高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件之間發(fā)生摩擦，并利用所產(chǎn)生的熱量對(duì)金屬進(jìn)行熱塑性的過(guò)程，另外，在進(jìn)行攪拌的過(guò)程中，前端受到壓力的作用從而向后端發(fā)生塑性流動(dòng)，進(jìn)而完成整個(gè)壓焊過(guò)程。使用攪拌摩擦焊接技術(shù)具有以下幾個(gè)有點(diǎn)：在進(jìn)行焊接的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生煙塵以及飛濺，并且整個(gè)操作中均不會(huì)出現(xiàn)有害光線，例如：紅外線、紫外線；焊接后不會(huì)發(fā)生變形，由于攪拌焊接的溫度較低，焊接以后的剩余應(yīng)力遠(yuǎn)小于熔化焊，加上在熱塑性的過(guò)程中也不會(huì)出現(xiàn)形變的過(guò)程，所以在焊接完成以后不會(huì)出現(xiàn)變形的情況；應(yīng)用的范圍相對(duì)較廣，可以進(jìn)行所有鋁合金材料的焊接，并且不受任何軸類部件的限制，可以進(jìn)行多種形式的接頭焊接。3.3CMT焊接技術(shù)CMT焊接作為一種添加劑制造方法，已在交通車工業(yè)、國(guó)防部門和發(fā)電廠得到應(yīng)用。CMT焊接技術(shù)具有熱輸人量小、電弧更穩(wěn)定、焊接變形小、焊縫均勻一致等優(yōu)點(diǎn)。但是因?yàn)闊彷斎氲?，厚板不容易焊透，從而?dǎo)致效率比較低。針對(duì)5083鋁合金中厚板拼板，研究如何運(yùn)用雙絲CMT焊接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，確定最佳過(guò)渡模式及工藝參數(shù)范圍。用CMT焊接方法進(jìn)行鋼鋁薄板的搭接實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了焊接參數(shù)對(duì)焊縫宏觀形貌、力學(xué)性能等的影響，結(jié)果表明利用二氧化碳保護(hù)可以有效促進(jìn)金屬間化合物的生成，使得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、塑性和硬度均有所提高。CMT焊在一定程度上優(yōu)異于MIG焊。結(jié)語(yǔ)鋁合金材料的焊接技術(shù)在一定程度上會(huì)影響最后成品的結(jié)構(gòu)、外觀甚至是其他關(guān)鍵性能，所以新興技術(shù)的出現(xiàn)使焊接質(zhì)量、焊接性能不斷提高，極大了改善了傳統(tǒng)焊接技術(shù)的諸多不足，促進(jìn)了鋁合金構(gòu)建的制造水平。另外，鋁合金材料已經(jīng)逐漸滲透于汽車行業(yè)中，其焊接質(zhì)量的高低將直接影響車身的整體水平，也將威脅著乘客們的生命安全，所以對(duì)鋁合金材料的焊接要求也越來(lái)越高，選擇適合的焊接工藝也尤為重要。近年來(lái)，鋁合金材料的焊接方法和技術(shù)逐漸走向成熟，在不久的將來(lái)會(huì)更加深入制造業(yè)。反之，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，制造業(yè)的需求不斷提高，也必將促使鋁合金材料的焊接方法和技術(shù)不斷完善和發(fā)展，從而使焊接方法逐步向高效率、低成本、低能耗等方向發(fā)展，焊接過(guò)程也會(huì)向自動(dòng)化、最優(yōu)化方向進(jìn)攻。不難預(yù)料，鋁及鋁合金工業(yè)的發(fā)展前景非?？捎^，而且現(xiàn)已經(jīng)影響了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平且?guī)?dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1]攻堅(jiān)克難技術(shù)創(chuàng)新技能傳承打造一流焊接技能