轨道车辆焊接制造工艺现状及发展趋势

祁 松 刘玉霞

中车长春轨道客车股份有限公司

1 铝合金车体焊接工艺

1.1 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。

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 不锈钢车体焊接工艺

2.1 等离子弧焊

等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法。气体被电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。更集中的电弧大大提高了能量的利用率，可一次性获得良好和稳定的焊缝。微束等离子弧(电流＜80A)焊接厚1mm以下的不锈钢薄板，应用于车顶波纹板和边梁、风机座等件的合成，能够有效地减小薄板焊接变形。熔入型等离子弧(80A＜电流＜300A)焊接厚3mm以下的不锈钢板，应用于原手工MAG焊接的部位，可收到TIG焊接的效果，能一次性获得完美外观的焊缝。小孔型等离子弧(300A＜电流＜500A)焊接厚8mm以下的钢板，应用于底架端部碳钢、不锈钢的焊接，可无需开坡口，一次焊透双面成形，节约30%以上的填充材料，提高生产效率，减小焊接飞溅和气孔。此外，等离子弧焊具有电极极性可变的锁孔技术，用于焊接圆周焊缝时，特殊气体控制系统可以完成圆周焊缝的无缺陷收尾焊接。

2.2 冷金属过渡焊

冷金属过渡焊接(CMT)技术是一种无焊渣、无飞溅的新型焊接工艺技术。在熔滴短路过渡时，数字式焊接控制系统可根据电弧生成的开始时间自动减小焊接电流，直到电弧熄灭，同时焊丝的回抽运动利于熔滴脱落。在熔滴从焊丝上滴落之后，数字式焊接控制系统再次提高焊接电流，进一步将焊丝向前送出。之后，重新生成焊接电弧，开始新一轮的焊接过程。这种“冷－热”交替变化大幅减小了焊接热输入。CMT工艺的焊接热输入小、焊接变形小、无飞溅；搭桥能力好、对装配间隙要求低；焊接速度高、焊缝外形均匀一致，为薄板的焊接提供了完美的解决方案。在进行不锈钢车体焊接时，采用CMT钎焊焊接厚0.6mm波纹顶板和车顶边梁、风机座等上面的大长焊缝，可最大程度地减小波纹板的变形，减小焊后清理的工作量。

3 轨道车辆焊接工艺的发展趋势

随着社会经济的不断发展，对于轨道交通的各方面要求会越来越高，因此对于轨道交通中的焊接工艺要求也会相应提高。针对传统轨道焊接工艺中存在的问题，激光焊是一种新型的焊接工艺，是通过高功率的聚焦激光束作为热源，通过偏光镜反射激光产生光束，进而通过聚焦装置将光束聚集起来产生高能量的光束，最后通过工件溶化产生的物理变化而完成焊接。激光焊接工艺的焊缝是连续线，能够有效保证车体结构的密封性，能够应用于现代高速列车的车体焊接生产。等离子弧焊同样是未来的一种新型焊接工艺，这种焊接工艺主要采用离子弧作为热源。等离子弧焊工作中，其它被电弧加热而出现分解，在高速通过水冷嘴是产生压缩，增加能量的密度与离解度，进而增加等离子弧。等离子弧焊的能够一次性获得良好的稳定焊缝，其微束等离子弧对于焊接厚度在1 mm以下的不锈钢薄板，能够有效的降低薄板焊接变形。

结语

现代焊接技术以高效、节能、优质及工艺过程数字化、自动化、智能化控制为特征。因此，无论是随着新的焊接材料和结构的不断出现，开发新的焊接工艺方法，还是改进常用的焊接工艺方法，提高焊接过程机械化、自动化水平，提高焊接质量和生产率，焊接技术的不断发展对轨道车辆制造水平的提升起着重要作用。

[1]罗春龙，王莉，王永刚，唐海鹰.轨道车辆大部件焊接夹具柔性制造系统拓展研究[J].金属加工(热加工)，2016(16)：9-10.