铝复合材料板在城轨车体制造中应用

李本广 彭章祝

摘 要：针对有效降低车体重量的铝复合材料板的应用进行了详细分析，并对其车体结构设计和相应制造工艺给出了建议。

关键词：城轨车辆；铝合金车体；铝复合材料板；制造工艺

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.24.093

0 引言

城轨车辆制造行业竞争激烈，节能减排是行业未来发展的方向，轻量化设计是必然趋势，高强度、低密度材料的应用一直是车辆设计、制造探索的热点。其中，铝复合材料板是一种较新型的车体制造材料，其三明治结构由铝面板、心材、铝面板，并用结构胶粘剂胶压接而成。我公司试制的某科研项目，其顶盖部分采用了铝复合材料板后，重量即从1095 kg降低到965 kg，减重幅度达到12%，减重效果明显。但是，相对复杂的结构、大面积的表面铝薄板等原因，无法实施常规MIG焊接，而一般采用激光焊接或铆接等方式完成车体的装配、密封等。

本文主要介绍铝复合材料板在某科研项目铝合金车体顶盖制造中的应用及其注意事项。

1 铝复合材料板结构组成

铝复合材料板是由上蒙皮、下蒙皮、心材及封边型材组成的“三明治”结构，通过真空热压粘接成型。其中，根据车体不同部件位置的不同，四周封边型材可而做相应调整，中间的心材也可设计成不同的厚度。

采用铝复合材料板的铝合金车体结构一般为：由车体铝型材、折弯件等组成的框架，然后与已安装复合材料的铝复合材料板铆接或激光焊接成车体。其中，顶盖大部件中铝复合材料板的结构如图1所示。经验证，仅顶盖部分采用铝复合材料板，顶盖重量即从1095kg降低到965kg，顶盖减重幅度达到12%，减重效果十分明显。

2 车体顶盖组成

该铝合金车体顶盖由两侧两根边梁组焊、中间四件空调隔墙梁组焊组成、两端各一件端墙组焊等八小部件组成。顶盖的组装以两侧两根边梁组焊为基本框架，然后安装中间和两端的空调隔墙组焊、端墙组焊等。

3 制造工艺

全焊接结构的车体，焊缝外表面平滑，而采用铆接结构的车体，由于在铆接位置采用搭接结构，外观上局部有台阶，铆接点上有铆钉凸起，影响整车美观。所以，外侧搭接结构设计时，可对铝型材进行折边，并采用沉头防水铆钉，铆接后进行补漆等，不仅能保证外侧轮廓的整体性，还能改进铆钉的防水性能。

3.1 大部件组装工艺

顶盖宽度方向上曲面、折边等应力集中的位置，容易产生焊接变形。框架铆接结构设计时，可采用铝复合材料板外侧搭接在铝合金挤压型材上，如下图所示，而内侧搭接在单独配装、焊接的折弯铝板上。此结构配合相应工装，可有效降低整体尺寸的控制难度，降低车体制造成本。

制造过程中，可根据装配、焊接收缩情况等对局部部件工艺放量。实际生产中，可增加必要的轮廓度检测模板、仿形模具等，以保证焊后框架的整体平整度，降低后续装配、钻孔、铆接难度。

由于传统的MIG焊接工艺较大的热输入，焊后铝薄板变形较大，且火焰、机械等常见调修方法效果并不明显。同时，焊接过程中，胶层温度超过结构胶所能承受的最高温度，即胶层会遭到破坏。所以，铝复合材料板一般采用激光焊接或铆接。鉴于激光焊技术的高昂投入，我公司在某科研项目中采用综合制造成本较低铆接工艺。

3.2 铆接结构

铆接工艺就是较容易实现的工件连接工艺方法，操作简单，没有热输入，工件不会产生变形。但是，铆接对结构焊接尺寸、预装配、钻孔到最终铆接的技术精度要求较高，如采用全手工钻孔、铆接操作，劳动强度大。我公司采用复合材料板组装的顶盖生产工艺流程如图2所示。

实际生产过程中，由于铝复合材料板一般自带面漆，为防止后续钻孔过程中带胶的铝屑四处飞溅，难以清理等问题，可对铝复合材料板内外表面粘贴保护膜等方式进行防护。

3.3 密封性能

由于铆接结构在铆接点之间存在一定间隙，一般通过铆接接触面打胶、铆接完成后四周填胶封边等方式密封，可充分保证铆接结构的防水密封性能等，如下图所示。所以，结构设计时，铆接结构内部填充液态胶层厚度在控制在2～4mm，打胶厚度太薄容易造成密封不到位的问题。但是，胶层的存在降低了钻孔效率，加速了钻头损耗，且挤压出来的胶容易与铝屑粘连在一起，附着在铝复合材料板上，不易清理。

铆接完成后，仍需要对外侧铆接区域，进行补腻子、油漆等，可保证外观，又能进一步提高铆接位置的防水性能，保证车体的使用年限。

经试板吹气、车体淋雨试验等密封性验证后，复合材料板的铆接工艺密封性能满足设计制造要求。

3.4 制造工艺结论

铆接结构设计时，需要设计定位孔，底孔现场配钻。钻底孔时，可先打定位孔，再扩孔，可保证铆接质量，提高钻孔效率，如孔径在6mm左右铆钉可直接钻孔，不需要打底孔。铆接结构对车体工装、工具等要求较高，由于鉚接时一般先钻孔，而手工钻孔精度又难以保证。经验证，如果两个铆接部件铆接孔误差超过0.5mm，就会出现无法拉铆或拉铆后铆钉松动等问题。实际生产时，可四周进行打数个定位孔，保证铆接结构的稳定性，以防铆接过程中错边、无法拉铆等问题。

试装、定位后，胶可以打在框架以及铝复合材料板与车体框架的接触面，以保证铝复合材料板与车体框架充分接触、密封。由于胶层有一定的活化期，需要在活化期内完成所有的钻孔、铆接作业。铆接完成后，铆接结构四周需补胶，进一步保证密封性能。

如批量较小可采用手工铆接工艺，可有效降低制造成本。但由于铆钉孔数量大，手工作业容易疲劳等，如生产批量较大，则可上一条机械手生产线，辅助装卡、钻孔或铆接等，可有效降低劳动强度，提高生产效率，保证产品质量等。

4 结论

铝复合材料板的应用可有效降低城轨车辆车体自重，为铝合金车体轻量化材料提供了新的选择。

焊接-铆接-粘接工艺结合制造的车体，对框架的装配精度、焊接变形控制等提出了更高的要求。

铝合金车体喷砂、底漆、面漆等涂装作业应在铝复合材料板安装前完成。过高的温度，容易导致铝复合材料板自身、密封胶等的老化，甚至失效，缩短车体寿命等。

铝复合材料板与框架之间的密封胶可有效保证铆接的防水性能。考虑到车体寿命等因素，可优先选择进口胶。

铆接工艺能满足铝复合材料板的铝合金车体制造要求。小批量生产，可采用人工操作，如大批量项目，自动化钻孔、铆接生产线可有效降低作业强度，提高生产效率，保证产品质量。

参考文献

[1]陈后友，陈军兰.地铁车辆铝合金车体的铆接工艺[J].电力机车与城轨车辆，2007.

[2]王俊玖.铝复合材料的铝合金车体制造工艺分析[J].城市轨道交通研究，2008，11（5）：43-45.