钎焊技术在高速列车制造中的应用

2018-04-17龙伟民孙华为裴夤崟薛嘉琪

电焊机 2018年3期

龙伟民，孙华为，秦建，裴夤崟，薛嘉琪

（1.郑州机械研究所有限公司新型钎焊材料与技术国家重点实验室，河南郑州450001；2.北京曼斯特特种车辆有限公司，北京100024）

0 前言

高速列车是轨道交通装备的技术核心，是集机械、电子、材料、计算机控制等现代技术于一体的集中体现。近年来，在我国轨道交通装备以“高速”“重载”“便捷”“环保”为技术路线的推进下，高速列车作为我国高端装备“走出去”的重要代表得到快速发展，截至2017年底，我国铁路营业里程达12.7万km，其中高速铁路超过2.5万km，占世界高铁运营里程60%以上[1]。

高速列车的快速发展离不开产业基础能力的稳定支撑。焊接技术综合冶金、物理、传热及力学等多门学科，是现代制造技术的主要内容，也是高速列车制造过程中最主要和最基本的工艺方法之一。尤其近年来在高速列车不断提速和轻量化的发展态势下，列车各部件服役环境日趋恶化，对焊接技术提出了更高和更紧迫的要求[2]。

高速列车加工制造的主要焊接方法为熔化焊，但高速列车中某些特殊部件受限于焊接结构、材料种类以及使用环境等原因，熔化焊难以满足使用要求，需采用钎焊技术来完成。高速列车发展至今，钎焊技术已成为众多核心部件的关键技术，从某种程度上讲，钎焊技术的发展直接推动着高速列车制造行业的进步。

1 钎焊的基本原理及应用

1.1 钎焊基本原理

钎焊是采用熔点低于母材的钎料，在低于母材固相线、高于钎料液相线的操作温度下，通过熔化的钎料将母材连接在一起的焊接技术[3]。钎焊与熔化焊的最大区别在于：焊接时母材仍然处于固相状态，牢固的焊接接头依靠液态钎料在母材及焊缝间隙中润湿、铺展、填充来完成。

钎焊连接的基本过程为：①钎剂的熔化及填缝过程。预置的钎剂在熔化后与母材表面氧化物发生物理化学作用，以去除氧化膜、清洁母材表面，为钎料填充和润湿创造条件。②钎料的熔化及填满钎缝的过程。即随着加热温度的持续升高，钎料开始熔化并润湿、铺展，同时排除钎剂残渣。③钎料与母材的相互作用过程。即在熔化的钎料作用下，钎料与母材发生溶解、扩散以及一些复杂的化学反应。当钎料填满间隙并保温一定时间后，液态钎料开始冷却凝固形成钎焊接头[4]。

根据钎料液相线温度的不同，钎料一般分为软钎焊（钎料液相线温度低于450℃）和硬钎焊（钎料液相线温度高于450℃）。

1.2 钎焊特点

与熔化焊相比，钎焊具有以下优点：①钎焊加热温度较低，对母材组织和性能的影响较小；②钎焊接头平整光滑，外形美观；③焊接温度低，工件变形较小；④某些钎焊方法一次可焊成几十条或几百条钎缝，生产率高；⑤可以实现异种金属、金属与非金属之间等特殊材料之间的连接。

1.3 钎焊方法

钎焊的方法常根据热源或加热方式进行分类。常用钎焊方法有炉中钎焊、感应钎焊、浸沾钎焊、火焰钎焊和电阻钎焊。随着钎焊技术的发展，后期出现了一些其他钎焊方法，如电弧钎焊、激光钎焊、红外钎焊等，这些新型钎焊技术在工业中也得到应用。

1.4 钎焊的应用

相比熔化焊，钎焊接头的强度较低，耐热、耐腐蚀性能及疲劳性能较差，因此不适用于一般钢结构和重载、动载机件的焊接。钎焊主要用于制造精密仪表、电气零部件、异种金属构件以及复杂薄板结构，同时常用于各类导线与硬质合金刀具的焊接。

对于承受轻载荷的部件可采用钎焊进行连接，如硬质合金刀具、自行车车架等；不承受载荷但要求密封性好的焊件也可采用钎焊进行焊接，如容器、仪表元件等；由于接头外表美观整齐，钎焊还可应用于钻探钻头、换热器、导管及各类容器等。目前，钎焊在机械、电机、仪表、无线电等行业得到广泛应用，在微波波导、电子管和电子真空器件的制造中，钎焊甚至是唯一可能的连接方法[5]。在高速列车的部分部件加工制造过程中，同样离不开钎焊技术的可靠支撑。

2 钎焊在高速列车车体制造的应用

轻量化、低能耗、高效率是高速列车当前发展的主要趋势，减少车身自重对于降低列车运行能耗、提升运行速度、减轻对轨道的磨损、降低噪声等意义重大[6]。在整个高速列车部件中，车身质量占整车质量的50%，因此减小车身质量是降低整车质量的有效途径。铝及其合金密度小、比强度高、塑性好，可加工成各种型材，近年来是高速列车车体的主要材料，为满足轻量化、低能耗、高效率的要求，铝合金构件的结构与形式也在不断发展。铝蜂窝板就是近年来受到广泛关注的新型复合材料，由中间的蜂窝骨架结构和外侧两层蒙皮构成，如图1所示[7]。铝蜂窝板具有刚度高、密度低、平整度高的特点，同时由于铝蜂窝板中间层是空气层，其减震、隔音、隔热效果十分突出。

图1 铝合金蜂窝板

国外在高速列车的制造上很早就采用蜂窝板作为车内墙板和顶板，随后欧洲的众多车辆制造企业采用铝蜂窝板制造铁道车辆零部件。国内于20世纪末开始在国产动车组样车的门板和间壁采用铝蜂窝板制作，取得了良好效果。随后，铝蜂窝夹芯板被大量地应用在高速列车制造上。

蜂窝板制造的核心技术是蜂窝骨架结构中的蜂窝单元之间的连接技术。目前蜂窝骨架制造普遍采用有机胶体粘接工艺。由于粘接工艺属于物理结合，使得蜂窝芯的性能受制于胶粘剂，粘接结构的蜂窝板的连接强度、耐热性能、抗震性能、抗老化性能和疲劳性能均相对较差，在湿度过大、振动过激、温度过高或过低等恶劣工作环境下很容易出现因胶层开裂导致连接性能的下降甚至散架，严重制约铝蜂窝板优越性能的发挥和推广应用[8]。

随着铝蜂窝板在飞机、列车、船舶、建筑等领域的广泛应用，迫切需要大幅度提高铝蜂窝结构的连接强度，以满足重要结构和恶劣工作条件对其性能的高要求，仅依靠提高有机胶性能或改进胶粘来提高铝蜂窝板性能的作用十分有限，需要从根本上提高铝蜂窝板的性能。理论上讲，钎焊是制造铝蜂窝板更理想的制造工艺。首先，钎焊实现的是一种冶金连接，连接强度、抗热性能、抗老化性能等多方面都比粘接结构更加优越；其次，钎焊可以整体装配后一次完成多个蜂窝单元结构的整体焊接。蜂窝板的钎焊方法包括在真空中加热的真空钎焊法和涂敷非腐蚀性焊剂后在氮气气氛中加热的方法（nocolok技术），前者通常使用6xxx系、3xxx系材料，6xxx铝合金可通过加热后的热处理提高强度；后者因与Mg反应会发生焊剂消耗，所以只适用于不含Mg的3xxx系材料，强度也相对较低。日本早在20世纪90年代就利用真空钎焊技术实现了铝合金蜂窝板的制造[9-10]，国内铝蜂窝结构的生产方法主要来源于此。近年来，天津大学程方杰等人研究了铝合金蜂窝板的中温自反应精密钎焊制备技术，获得良好的使用效果，但试验数据仍处于实验室水平，能否在实际生产中推广应用还有待于进一步研究。

3 钎焊在高速列车管路系统的应用

管路系统是高速列车给水卫生系统、制动系统及空调制冷系统中必不可少的重要组成部分，为确保高速列车运行过程中的密封性，众多管路在装备过程中均采用焊接方式进行连接。管路连接是高速列车制造过程中的关键环节，焊接不良造成泄漏时，在给水卫生系统中会造成车体内积水，腐蚀车体底板，影响车体的整体寿命；在制动系统中会影响动车组的运行安全；在制冷系统中会造成制冷效果不良，影响客室的舒适度等[11]。有效解决这一质量问题的关键是采取有效合理的工艺措施，提高管路之间的焊缝质量。

纯铜及其合金因优异的导电性、导热性、延展性以及耐腐蚀性能等特点成为高速列车管路制造中的主要材质[12]。

纯铜及其合金的焊接可采用多种焊接方法，但因成本原因一般使用气焊、焊条电弧焊、TIG焊等。铜及其合金导热性能良好，易形成未焊透、较大焊接应力及变形等缺陷，带来安全隐患。钎焊技术可在较低温度进行焊接，有效降低焊接部位的残余应力，避免上述缺陷形成，成为高速列车管路焊接的主要技术手段[13]。限于车体内部管路结构的复杂性和焊接位置的特殊性，钎焊方法常采用火焰钎焊或感应钎焊，为确保焊接质量，钎焊材料常采用与铜合金润湿性良好的银基钎料[14]。

4 钎焊在高速列车牵引系统的应用

牵引系统是高速列车运行的心脏，是列车运行的主动力来源。高速动车组的9项关键技术涵盖了牵引力产生过程中的各项相关功能部件，其中，牵引变流器、牵引变压器、牵引电动机均属于9项关键技术，而这些部件在制造过程中离不开钎焊技术的支持，由于这些部件材料、结构的特殊性，钎焊甚至是这些部件唯一的焊接方法。

4.1 牵引电机的钎焊

交流永磁同步牵引电机相比交流异步电机具有单位质量功率高、输出转矩大等优点，可使牵引电机在自身体积较小的情况下实现更高的效率。国外一些正式运营的高速动车组均采用永磁同步牵引电机，国内量产的永磁同步牵引电机已经配备在新的高速动车组上。永磁同步牵引电机结构见图2。

电机转子由前、后压圈，转子冲片，多根导条，端环组成。转子导条嵌入端环钎焊槽内，形成T型钎焊接头，端环材料采用CuCr1Zr铜合金制作，导条采用纯铜。电动机转子工作时，导条与端环之间的连接会受到电磁力、离心力、振动疲劳等多重作用的影响，所以要求焊缝具有高导电性、高强度和抗疲劳能力[15]。导条与端环之间常采用火焰钎焊连接，也有少数厂家采取中频整体感应钎焊方法，可一次性完成电机转子一端端环与导条的全部焊接，焊接效率显著提升，同时保证各钎缝性能一致，减缓转子局部应力集中。为保证钎缝具有良好的性能，钎料常选用韧性强、流动性较好的银基钎料。

图2 永磁同步牵引电机结构

牵引电机换向器和电枢导线之间的连接除具有稳定良好的导电性能外，在运行过程中还应具有足够的机械强度。同时为保证换向片间以及电枢导线的绝缘并确保换向器工作表面硬度的下降，焊接过程应尽量降低热影响程度，钎焊技术很好地解决了该问题。早期该部位的焊接常采用浸锡钎焊，但随着高速列车的快速发展，部件运行温度逐渐升高，使用条件愈加苛刻，采用锡铅焊常发生脱焊及甩锡等问题，无法满足运行要求。为解决上述问题，近年来国内开始采用电阻钎焊进行焊接，钎料选择含银的铜基中温钎料[16]。

除上述部件外，牵引电机中定子回路环与引出线的焊接、定子引线并头焊等均采用钎焊进行连接，钎焊方法常采用电阻钎焊[17-18]。

4.2 牵引变压器的钎焊

牵引变压器是交流电力机车上的重要部件，用来将接触网上取得的高压电转换为列车部件可用的电压。牵引变压器和高压设备箱中的真空断路器之间需要连接，材料通常选用硬铜线，该铜线承受25 kV电压，其可靠性直接关系到整个动车组的安全可靠运行[19]。高压设备箱内部的硬铜连接线一端连接真空断路器，一端连接牵引变压器的端子。虽然高压设备箱与牵引变压器均固定在车体骨架上，理论上不存在位移，但在动车组运行过程中两者均在各自振动，导致它们之间的硬铜连接线不断受到不同方向的作用力，若此时连接线存在缺陷，则很容易发生断裂。为确保接头具有稳定的连接，通常采用银基钎料进行连接。

4.3 高速列车散热器的钎焊

高速动车组散热器主要用于冷却牵引变压器和牵引变流器。每列动车组至少需要6台或12台冷却装置，每台冷却装置配1台或2台散热器[20]。国内外高速动车组均采用铝制板翅式结构散热器，如图3所示，在相邻两隔板间放置翅片，翅片两侧放置与翅片等高度的封条，组成一通道。根据流体的不同流动形式，对各个通道进行不同的迭集和排列组成芯体，芯体再与液体腔、法兰等连接组成完整的板翅式散热器。芯体的制造技术是散热器制造过程中的关键工艺，芯体制造材料规格较薄且连接位置较多，常规的熔化焊无法满足制造要求，采用钎焊可有效解决这些问题。钎焊时两层翅片之间的隔板采用双金属复合板，即在母体金属表面覆盖一层铝硅钎料合金层，铝硅钎料合金层熔化，使翅片和隔板焊接在一起。一般采用真空钎焊方法，也有采用气体保护钎焊方法，但其外观质量、清洁度等达不到真空钎焊的效果[21]。

图3 板翅式换热器结构

5 高速列车制造中常用的钎焊材料及选用原则

在高速列车制造中常用的钎料主要分为银钎料和铝钎料两大类。

5.1 银钎料

银钎料来源于AgCu合金，以Ag、Cu为主要元素再添加其他元素组分构成钎焊材料。银钎料具有温度适中、工艺性好的特点，同时钎焊接头的强度、韧性、导电性、导热性和耐腐蚀性良好，是应用极广的硬钎料，在高速列车制造中常用来进行铜及其合金部件的钎焊。常用的银钎料组分及其使用性能如表1所示。

随着钎料绿色、环保、高效焊接的发展趋势，郑州机械研究所有限公司相继开发了药皮银钎料、药芯银钎料等绿色复合钎料产品。复合钎料与传统的实心钎料相比具有以下优点：自带钎剂，钎焊时减少添加钎剂的工序，焊接效率高；成分调节灵活、节能节材、焊剂用量少、成本低、污染小、焊缝成形美观，且可直接连续施焊。采用预制形状的复合钎料还可实现钎剂和钎料定位、快捷、定量、高效的预加入，获得性能优异的钎焊接头。药皮钎料环在分液器上的应用如图4所示，采用药皮钎料环与实心钎焊焊条用量对比如表2所示，采用预制复合钎料可明显降低钎料用量[22-23]。复合型银钎料已在空调、冰箱等行业的生产制造中获得良好的使用效果，但在高速列车制造行业的市场应用上还有待推广。

表1 常用银钎料组分及使用性能

5.2 铝钎料

铝合金是高速列车制造过程中使用最多的材料，钎焊材料常选择铝钎料。由于铝是极活泼的元素，在铝钎料的选择上除了要考虑钎料的润湿性、流动性、热稳定性、钎缝强度、钎料热加工性外，还要关注钎料合金中元素与相匹配焊点的电化学腐蚀作用[4]。常用的铝合金钎料组分及使用性能如表3所示。

表2 药皮钎料环与实心钎焊焊条用量对比

图4 药皮钎料环在分液器上的应用

表3 常用铝基钎料组分及使用性能

5.3 钎焊材料的选用原则

选择钎料前必须了解和评估钎料的3个基本特性：物理性能、熔化过程和可采用形式。钎料的物理性能基于其冶金组成，这些组分决定了钎料是否能与被连接的金属匹配，即能够湿润母材且不生成有害的冶金组分。另外也要考虑生产制造过程中要求的一些特殊性能。例如，真空钎焊要求钎料没有任何易挥发元素，电子元件要求钎料具有较高的纯度，抗腐蚀接头需要钎料既要抗腐蚀又要与被连接的母材形成良好的冶金结合。

钎焊应用中，钎料的液相线温度非常重要，应低于两种母材的固相线温度。在一些特殊复杂的钎焊过程中，还需特殊考虑液相线温度，例如分步钎焊一个组件时，第二次钎焊操作不能破坏第一次的接头，需选择另一种钎料进行焊接。

选用钎料时主要考虑母材的特点和对接头性能的要求，一般应综合考虑以下因素：

（1）钎料的熔化温度范围合适，至少应比母材的熔化温度范围低几十摄氏度。

（2）钎料在钎焊温度下应具有良好的润湿性，以确保能够充分填满钎缝间隙。

（3）钎料与母材应有扩散作用，以使其形成牢固的结合。

（4）钎料成分应稳定和均匀，尽量削减钎焊过程中合金元素的烧损。

（5）钎焊接头应符合产品的技术要求，满足力学性能、使用性能等方面的要求。

（6）钎料的经济适用性好。尽量选择含有少量或不含稀有金属或贵重金属的钎料，还应保证钎焊的高生产率。

（7）钎料应具有加工变形能力，以便制成各种形状。

正确选用钎料是获得优质钎焊接头的关键，应从钎料与母材的相互匹配、钎焊件的使用工况要求、现有设备条件以及经济性等方面综合考虑：

（1）钎料与母材的匹配。针对确定的母材，选用熔点合适的钎料，对母材有良好的润湿性和填缝能力。能够与母材合理地相互作用，避免形成脆性金属间化合物。

（2）钎料与钎焊方法的匹配。不同的钎焊方法对钎料性能的要求各不相同。采用火焰钎焊时，钎料的熔点应与母材的熔点相差较大，避免母材局部过热、过烧或熔化现象；采用电阻钎焊时，钎料的电阻率应大于母材的电阻率，以提高加热效率；炉中钎焊时钎料中易挥发元素的含量应较少，保证在钎焊过程中不会因合金元素的挥发而影响接头性能。

（3）保证钎焊接头满足使用要求。不同的工作环境和使用条件对钎焊接头性能的要求也不相同，如导电性、导热性、工作温度、力学性能、密封性、抗氧化性、耐腐蚀性等，选择钎料时应着重考虑其主要使用要求。最常见的钎焊接头使用要求是强度、抗氧化性和耐腐蚀性，这些性能可通过焊后试验进行测定。

（4）钎焊结构要求。鉴于某些焊接结构的复杂性，需要将钎料预先加工成形，如制成环状、垫圈、垫片、箔材和粉末等，放置在待焊部位。选用钎料时应充分考虑其加工性能能否制成所需要的形式。

（5）生产成本。包括钎料的成本、成形加工成本和钎焊方法及设备投资等方面的成本。生产批量小时，优先考虑产品的性能和质量；大批量生产时，降低钎料成本具有重要的经济意义。

6 高速列车制造中的钎焊技术问题

虽然钎焊技术已在高速列车制造中成熟应用，但在钎焊结构、钎料选择以及钎缝质量的控制方面仍存在较多问题，不仅为列车的安全运行埋下隐患，也限制高速列车向更高水平装备的升级。

在列车车体用铝合金蜂窝板的钎焊方面，钎缝质量控制是制造过程中的难点，目前在铝合金蜂窝板的钎焊方面国内仅少数企业能实现批量生产，但在使用过程中仍存在面板与芯体脱离状况，整体钎缝强度的稳定性与均匀性控制程度不够，相比国外企业技术落后较大。另一方面，国内目前生产的铝合金蜂窝板面板材质大多为3xxx系铝合金，强度相对较低，因此在车体制造中常用来制作车体的地板用材，为进一步推进车体轻量化，选用6xxx系铝合金是蜂窝板未来发展的主要方向，但其钎焊性能较差，国内仍需在钎焊材料的选用及钎焊技术的开发上做出更多努力。

良好的钎缝强度和致密程度是板翅式换热器安全运行的关键。板翅式换热器在制造过程中常出现局部泄漏、成品率较低的问题。一方面所选用的钎焊工艺不合理所致，如焊前清洗程度不够、钎焊夹具造成的部件温度不均匀、钎焊温度过高造成熔蚀现象等；另一方面与钎焊材质的自身焊接性有关。焊后的清洗程度对设备的稳定运行至关重要，清理不足会导致在运行过程中钎剂、钎缝残渣脱落，造成芯体阻塞。

管路和线体是高速列车的重要组成部分，管路及线体钎焊接头的有效连接是列车内各部件稳定运行的保证。在焊接管体及线路时，除选择合适的钎料和钎焊工艺外，还应优化接头结构，避免局部应力较大。

7 对高速列车制造中钎焊技术发展的建议

中国高速列车生产技术经过引进消化阶段，已逐步具备独立的自主研发和创新能力，钎焊技术在高速列车的制造应用中日臻完善。为进一步提高国内产业基础能力以及为高速列车向高端装备升级提供有力支撑，结合国内高速列车生产制造企业的现状和钎焊技术的研究进展，高速列车制造中钎焊技术应在标准化、自动化、绿色化、优质化、经济化5个方面开展相关工作。

标准化是高速列车稳定运行的基础前提。我国自引进高铁制造技术以来，经过消化吸收已逐步形成自有的质量标准评价体系，在熔化焊制造标准方面已足够完备，但在钎焊技术的标准检验方面还捉襟见肘，生产制造企业应与科研院所加强合作交流，结合各自优势，加快高速列车钎焊技术标准的制定和完善。

自动化是“中国制造2025”的基本理念和重要工程，高速列车行业的人力成本日趋高涨，甚至威胁到行业发展，自动化是钎焊行业的共同需求。批量较大的产品都在向自动化钎焊发展。自动化不仅可以减少人工成本，还能够稳定焊接过程变量，减少人工因素干扰，形成性能更为均匀一致的焊缝。

绿色化的内涵包括减少排放、节省材料、提高能效和降低能耗。高速列车制造中熔化焊在减材、节能方面发展迅速，但在钎焊技术制造方面发展相对缓慢，如部分构件仍采用含镉钎料，在药芯钎料和减少钎剂用量等绿色钎焊技术方面重视程度不够。

优质化要求钎焊接头具有更长的疲劳寿命，而钎缝中的缺欠是影响疲劳寿命的主要因素，因此随着列车服役寿命的增加和使用环境的愈加苛刻，要求不断减少钎缝中的缺欠，提升钎焊接头质量。在钎焊材料与工艺适当的情况下，钎料洁净度是影响缺欠形成的重要因素。

经济性是制造业的永久需求，在高速列车制造中为安全起见，钎焊材料仍采用含银量较多的高成本钎料，低银钎料、铜基钎料、复合钎料和预制钎料是节省钎料成本的主要方向；高效钎焊工艺和高可靠钎焊技术是降低钎焊成本的另一途径。

参考文献：

[1]国家制造强国建设战略咨询委员会.中国制造2025蓝皮书[M].北京：电子工业出版社，2016.

[2]国家制造强国建设战略咨询委员会.《中国制造2025》重点领域技术创新绿皮书——技术路线图[M].北京：电子工业出版社，2016.

[3]中国机械工程学会焊接学会.《焊接手册》焊接方法及设备[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]张启运，庄鸿寿.钎焊手册[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5]苏晓丽，沈锦飞.基于DSP控制的手持式高频感应钎焊电源的研究[J].工业加热，2014，43（5）：46-48，56.

[6]樊卓志.铝合金蜂窝板的隔热性能及热力耦合数值模拟研究[D].云南：昆明理工大学，2013.