焊接技术在机车制造及检修上的应用和研究

贾泽平

摘 要：焊接是设备制造和检修中最重要的工业技术之一，在现代工业经济建设中发挥着不可替代的重要作用。在机车制造和检修作业中，焊接与切割的劳动量占到35%左右，焊接质量直接影响着机车设备质量和行车运输安全。文中介绍了焊接技术的基本情况，对比分析了国外和我国在焊机技术工艺方面存在的差异，指出我国当前焊接方面存在的问题，并提出了未来机车制造检修行业焊接技术的发展趋势。

关键词：焊接技术 机车制造和检修 应用 现状 发展

中图分类号：F407.472 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（a）-0056-03

焊接技术在制造业、建筑业、运输业等多种行业中的应用非常广泛，随着科学技术的不断发展，对焊接产品的经济性、质量和可靠性的要求也越来越高。所以，现代制造企业都在不断的提高自己的焊接工艺和装备水平，从单一手工焊接转变为自动化焊接，进而使产品的精确性和工艺性得到很大提高，在我国的机车制造和检修企业中，焊接技术、焊接工艺和焊接设备都有了长足的发展，但在先进焊接技术和自动化焊接装备方面与国外发达国家仍有很大差距。

1 焊接的原理和种类

1.1 焊接的原理

焊接的原理就是利用加热、加压的方式，使两个不同的工件间发生原子间结合的变化，达到把两个工件连接起来的目的。常用焊接一般是金属焊接，非金属也可以实现焊接。

1.2 焊接的发展

焊接方法的使用历史悠久，我国古代的青铜器兵器制造过程中就运用了焊接技术，古代的焊接方法主要是铸焊和锻焊，采用火炉使青铜工件熔化后浇铸在沙模里，然后再利用高温锻造成兵器。国外先进的焊接技术开始于英国，19世纪初戴维斯发明了电焊和氧焊；进入20世纪后，电弧焊和气焊得到进一步推广使用；之后，焊接技术得到了长足的发展，美国人诺布尔利发明了自动电弧焊机；进入50年代后，相继出现了二氧化碳保护焊，等离子电弧焊；发展到60年代后，又发明了激光焊接，从此焊接技术进入了全新的发展时期。焊接技术的不断提高，大大推动了制造检修业和建筑运输等行业的发展，许多看似无法连接和结合的材料能够焊接在一起，成为新的产品。

1.3 焊接的方法

通常来讲，按照焊接工件的不同状态，焊接方法可以分为熔焊、压焊和钎焊三种。

熔焊是利用热源将焊接工件接触部分熔化后，不需要其它外力，使焊件连接在一起。金属在加热时，提高了内部原子的活跃性，两个焊接工件接触面间原子相互扩散、熔化结合，冷却后接头部分变成固态，从而把两个工件连接在一起。

压焊是利用施加外力使焊接工件接触面间连接在一起。这类焊接方法可以先把焊件接头加热熔化，再施加压力，使焊接工件连接在一起，也可以不加热，只是施加压力，使焊接工件接触面变形，原子间相互渗透结合后连接在一起。

钎焊是利用比焊件熔点低的辅助材料与焊件接头共同加热，加热时钎料先熔化，钎料内部原子与焊接材料间发生原子相互渗透扩散、紧密结合完成焊件。

2 焊接技术在机车制造和检修方面的应用

2.1 国外机车的焊接应用

随着铁路高新技术的迅猛发展，机车制造和检修水平也不断提高，机车焊接技术工艺水平也取得了长足的发展，国外机车制造业大规模采用了机器人和自动化焊接机进行作业，国外焊接的自动化水平较高，特别是应用微机实现了焊接过程的自动控制、自动检测和自动诊断。焊接技术自动化的实现，大大降低了手工焊接的人为不确定性因素，保证了焊接质量。

2.1.1 焊接工艺水平较高

气体保护焊、摩擦焊、接触焊以及特种焊等先进工艺在国外机车制造和检修中得到广泛应用。

气体保护焊也是一种电弧焊，在焊接的过程中利用保护气体来隔绝焊接区的空气。常见的保护气体主要有惰性气体、还原性气体和氧化性气体。惰性气体保护焊在国外机车的制造和检修业中已经逐步推广，氩弧保护焊基本取代了二氧化碳保护焊，氩弧焊具有电弧稳定、热量集中和温度高的特点，焊接质量高、焊缝工艺好，而且氩弧焊不需要熔剂和涂药，便于控制，所以自动化氩弧焊机在机车制造业中大量使用，新型的脉冲融化极氩弧焊机也已经开始应用于机车制造和检修作业中。

摩擦焊是利用焊接工件接触面间相互摩擦发热，内部原子变得活跃后，再施加压力使工件连接在一起。常见于钢、铜、铝等材料的焊接。摩擦焊接是一种比较先进的焊接技术，对焊接过程中的控制准确性要求高，所以利用微机控制的摩擦焊机应用非常广泛。在机车制造和检修中，关键零部件的焊接已经采用了摩擦焊工艺，效果良好，如内燃机车柴油机、增压器、活塞缸以及机车转向架和车轴等关键零部件的制造和检修。

接触焊是利用通过电流使焊件接触面发热，熔化后施加外力把焊件连接在一起。接触焊具有自动化程度高，焊接效率高、焊缝小、易操作等特点，常用于比较薄的板材、管材等的焊接。在国外机车制造公司，常用的点焊机械手、龙门焊缝机等都采用的是接触焊，特别适合不锈钢和铝合金车体的焊接。

随着铁路技术的不断发展，机车产品质量标准和要求也在不断提高，特种焊接技术已经开始得到应用，如等离子焊、激光焊和真空钎焊等先进技术已经在日本新干线、法国TGV、德国ICE、意大利ETR等高速列车的制造过程中得到了应用。等离子焊主要用于薄板对接和轴类零件焊接，电子束焊用于重要轴类焊接，激光焊用于焊接变形要求特别小的工件，真空钎焊用于不锈钢和铝合金散热器的焊接。

2.1.2 焊接材料种类丰富

国外的焊接材料比较丰富，能够满足绝大多数金属工件的焊接需要，具有品种规格多、质量性能好的特点，在高速机车制造中，车体构件就大量使用了铝合金和不锈钢焊接材料。

2.1.3 焊接设备实现自动化

国外机车的焊接设备比较先进，尤其是重载铁路运输机车的制造业中，随着自动控制技术和微机技术在机车制造业中的推广使用，自动化焊接装备已经开始在机车制造公司广泛使用，先进的自动化焊接设备不但保证了机车部件的焊接质量，而且也提高了机车产品的工艺性。自动化设备焊接优势十分明显，现代机车制造厂一般都采用了机器人焊接，主要优势体现在：一是不受劳动工时的限制；二是焊接精度高，焊缝美观；三是焊缝承载力强，产品构件轻量化；四是作業条件要求低，辅助投入少。由此可见，机器人焊接不但能提高劳动生产效率，更重要的是能够保证机车的焊接质量，法国TGV、德国ICE、意大利ETR等公司，在机车制造和检修生产中，从零件下料——组装——施焊以及后期检测处理等都大量采用了自动化装备。

2.2 我国机车的焊接应用

近年来，为了扩大内需，助推经济发展，国家对铁路系统的投入不断加大，我国机车制造业水平也得到了迅猛发展，机车检修工装水平也大大提高，南北车主机厂都对焊接装备和技术进行了革新，从国外引进的自动化焊接设备，在新造机车特别是动车组的制造中，得到了很好的应用，但与国外大型机车厂比较，我们还有很多不足，自主开发的焊接设备性能还不稳定，自动化焊接设备较少，焊接工艺和焊接质量还有待进一步提高，这与高速重载机车发展的要求还有很大差距。

2.2.1 焊接设备相对落后

南车集团株机公司是我国电力机车制造业的龙头老大，生产的HXD系列机车在全国铁路主干网上都投入了运用。但是与国外先进机车制造水平相比，株机公司在焊接技术和工艺水平上还存在很多不足。株机公司在机车部件焊接方面目前以富氩混合气体保护焊为主，约占总量的75%，主要依靠手工焊接，自动焊占焊缝总量不足20%，而国外大厂已达到70%以上。落后的焊接工艺和设备，直接导致机车焊接质量不稳定，有些新造机车在投入运用一年多就出现了焊缝开裂的焊接缺陷。总体来讲，国内机车新造厂普遍存在焊接设备相对落后，设备结构不合理，高性能设备较少，自动化焊接程度较低的问题。

2.2.2 焊接工艺亟待加强

主机制造厂在焊接车体、转向架、车顶以及关键构架等主要受力部件时仍以混合气体保护焊为主，自动化焊接设备应用较少，机车部件的焊接质量不高，焊缝工艺也达不到要求，为新造机车投入运用后埋下了安全质量隐患。同样，国产内燃机车柴油机气阀、钢套、增压器转轴等关键部件也存在同样的问题，所以内燃机车柴油机、增压器等关键部件的惯性质量问题一直也没有得到有效的解决。“走行部没小事”，转向架技术直接影响着高速、重载机车的发展水平。目前，新型机车大部分采用的是焊接转向架，各主机厂在转向架焊接装备方面投入的力度都很大，多数工厂都采用了新材料、新设备，但主要采用的还是二氧化碳保护焊，焊接工艺的不配套，导致机车焊缝存在质量隐患，新造机车在投入运用后运行中焊缝开裂的险情时有发生。还有一部分新造厂引进了国外的先进焊接设备，但是由于引进自动化焊接设备时存在盲目性，对设备的后续开发没有跟上，造成焊接设备不能充分发挥作用；而且国内的配套设备不全，焊件钢结构精度不足也会影响到机车部件的焊接质量。

2.2.3 焊接材料种类不全

在HX新型机车以及CRH动车组车体的焊接上，各新造厂已经开始大量的使用新型铝材和不锈钢等材料，并对这些新型材料对应的焊接材料也进行研发，相继开发了特种钢焊丝、铝焊条等，基本能满足一般焊接用材的需要，但是对一些特殊的焊接材料还得靠进口，比如有色金属。目前，我国的焊接材料还存在很多不足，规模品种都很单一，质量方面也存在差距。尤其是针对保护气体焊，没有研发专门的焊丝，除进口材料外，一般的制造厂采用二氧化碳焊丝来代替。

3 机车焊接技术的发展趋势

焊接技术作为现代制造业中必要的组成部分，正随着高新技术的发展不断革新。机车焊接技术正朝着焊接自动化和过程控制智能化的方向发展，无论是特殊材料和还是特种焊接技术都是发展的重点，模拟焊接技术也会逐步得到发展和应用，材料学和工程技术领域也会对焊接技术产生影响。随着重载机车和高速机车的不断发展，微机控制技术应用将更加广泛，焊接机械化和自动化程度也将越来越高。

3.1 焊接构件精确化

焊接构件精确化是保证焊接质量的重要指标，随着保护气体焊、激光焊等焊接技术自动化和智能化的不断发展，对焊接构件的精确化要求也越来越高，焊接产品的质量和工艺水平越来越好。

3.2 焊接生产智能化

随着工业社会对焊接产品质量要求的不断提高，焊接生产自动化和智能化水平也在不断提高，自动控制技术、精密电子技术以及微机软件控制技术得到了越来越广泛的应用，这将会大大提高焊接生产效率和自动化程度，这也是焊接技术的发展趋势。

3.3 微机控制普遍化

随着微机技术在焊接生产中的广泛应用。微机辅助产品设计与制造、焊接过程控制以及焊接质量检测都将得到大力的发展，利用微机分析焊接数据，模拟优化焊接过程，开发焊接自检系统，建立机车焊接大数据库，同时将微机技术应用于焊接电源控制，全面实现焊接过程自动化跟踪和调整，从而满足焊接自动化的发展需要。

3.4 特种材料多样化

特种焊接材料将不断开发，由传统的钢结构，转向高强度有机复合材料。焊接材料的多样化也是焊接技术不断发展的一个重要组成部分。

3.5 焊缝检测自动化

焊缝质量直接决定着机车产品的运用稳定性和安全性。机车重要承力部件焊缝必须要采用一定的处理工艺，通常对焊缝采用的方法有热处理和应力消除，必要时还要对焊缝采取打磨处理或者是氩弧焊重熔等工艺。制定受力焊缝的应力状态检测标准，开发自动检测焊缝质量的自检系统，及时检测构件焊接质量是否达到设计要求，推广使用X射线成像技术、超声检测数字成像技术等系统，自动检测零部件内部缺陷及装配偏差，提高检测灵敏度，降低人为失误，实现焊缝检测处理工装设备自动化，做到防患于未然，确保焊接产品质量达标。

4 结语

随着世界焊接技术的不断发展，通过引进、吸收再创新的方式，我国焊接技术也会与时俱进，不断创新和发展，机车焊接水平也会得到长足的发展，我们要尽快消化掌握引进的焊接设备和切割设备，提高机车焊接精度和组装水平，不但在焊接过程中能够精准控制，而且要不断完善管理评价系统，使工艺评定和工艺管理规范化，最终达到焊接技术管理科学化、工艺装备标准化的水平。通过不懈的努力，我国机车工业制造水平必然会缩短与国外发达国家的差距，早日进入机车制造强国之林。

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