铝合金在轨道交通车体中的应用

刘德涛 栾兴隆

摘要：随着我国轨道交通产业的不断发展，轨道车辆已成为人们日常出行的主要交通乘坐工具。车体部件是轨道交通车辆最重要的部件之一，主要由底架、左右侧墙、前后端墙、顶棚六个模块组成。铝合金车体零件吸收轻量化设计理念，采用薄壁空心铝合金型材的设计方案，结合整体焊接工艺，更好地考虑强度与刚度之间的关系。同时介绍了铝合金在轨道交通行业中的优势，论述了铝合金与车辆轻量化相结合在机车车辆中的具体应用，分析了我国轨道交通行业铝合金应用的发展方向。

关键词：铝合金;轨道交通;应用

一、引言

目前，我国轨道交通产业正处于着高速客车、地铁客车、轻轨车辆和高速重载卡车的高速发展时期。列车的轻量化是提高列车速度的最重要手段。铝合金具有重量轻、耐腐蚀、外观平整度好、易于制造复杂曲面、比强度高等优点，因此受到世界各国轨道交通行业的广泛关注。目前，中国已成功为广州2号线、深圳1号线、上海明珠、重庆单轨、武汉、南京和四川青城山等生产铝合金地铁车体。同时由我国完全自主研发的“复兴号”标准动车组最高运营速度达350km/h，是当前世界上商业运营时速最高的动车组列车。

二、使用铝合金的优点

对于轨道交通车辆，铝具有以下优点：

（1）车辆的自重可以大大降低。在强度和刚度满足安全要求的同时，采用铝合金可以大大减轻机车车辆的自重。

（2）铝合金具有优异的耐火性和耐电弧性。虽然铝（660℃）的熔点远低于钢（1530℃）的熔点，但车体的耐火性和耐电弧性不仅与材料的熔点有关，还与材料的导热性有关。与钢相比，铝合金具有优异的导热性和比钢更好的散热性。

（3）耐腐蚀性。铝合金表面易形成致密的氧化膜，在大气中具有良好的抗氧化性。因此，铝合金具有比钢车体更好的耐腐蚀性，特别是在车体不易涂漆的部位，如箱体结构件和一些内部梁柱，铝构件表现出明显的优势。

（4）便于加工、制造和维护。随着大型空心复杂型材的开发和应用，铝焊接技术不断完善，铝合金车辆制造技术日趋成熟。铝合金零件易于更换，无需除锈。适用于各种表面处理，易于维护和回收。

三、铝合金在机车车辆上的应用

3.1在车体结构中的应用

铝合金材料和大型挤压型材的发展为铁路车辆的结构现代化和轻量化铺平了道路。同时，也为铝材料的开发和应用提出了新的课题，增加了动力。近年来，由于铁路车辆对高速、轻量化、简化施工和维护的要求，大型整体式薄板和空心复杂薄壁型材的研制取得了成功。日本已开发出6N01合金生产的多孔复杂薄壁空心型材，6N01合金具有较好的挤压性能、焊接性能和耐腐蚀性能，广泛替代7N01和7003型材作为车身的地板、侧板和车顶结构。在欧洲，6005A（Al-Mg-Si）合金挤压型材主要用于铝合金车身，主要原因是6005A合金挤压性能好，生产工艺简单，避免了7000系列（Al-Zn-Mg）合金的应力腐蚀问题。

3.2车辆部件的应用

对于车辆轻量化，显然只考虑车身是不够的。由于车体质量仅占20%左右，大部分质量集中在转向架上，转向架的质量主要取决于牵引电机、轮对、车架和制动系统。目前，适合铝合金制造的转向架部件包括车架、轴箱、变速箱、弹簧支架等，其他如铝基复合制动盘、铝合金轮心复合车轮、电磁制动部件、磁浮列车超导线路、氦液化制冷机等具有良好的发展前景。

四、铝合金在轨道交通业中的需求

随着城市经济快速运转，人员流动日益频繁，城际高速铁路将成为未来区域发展的重要推动力，我国已经进入了高铁建设的高峰期。尽管近年来我国铝及铝材在此方面的运用也获得了长足的发展，但与欧美日等发达工业国家相比，还存在着一定的差距，这也意味着我国轨道交通用铝材还有一定的发展空间，蓄势待发的中国高铁前途光明。

我国铝合金车身的发展起步较晚。1989年，长春客车厂参照日本车型研制出第一辆铝合金地铁车体。由于车体设计采用板梁结构，制造工艺繁琐，平整度差，成本高，因此在市场上尚未大规模推广使用。1996年铁道部组织人力物力开发ICE2结构铝合金车体。采用德国进口材料、简单的自动焊接设备和自制的车窗加工设备，成功制造了我国第一辆混合结构铝合金车体。中国中车长春客车厂于2001年建成了国内第一条铝合金车体自动焊接生产线，研制生产了国内第一列磁悬浮列车，铝合金车体动车组、高速试验列车、武汉地铁、广州地铁二号线地铁车体、深圳地铁和上海地铁车体均采用国产材料。南京浦镇车辆厂、株洲电力机车厂、唐山车辆厂也相继建成生产线，开始生产铝合金车体。为了实现铁路运输的跨越式发展，引进国外先进技术，铁道部开始在中国运营高速铁路。该项目的运营，将需要1000多辆高速车体。这个巨大的市场将推动铝合金车身制造技术的发展。

结束语：

由于铝合金焊接比钢焊接难度大得多，任何不合理的位置补焊都会对质量产生致命隐患。因此，有必要充分考慮焊接技术和焊接后的应力变形，开发新的焊接技术和焊接设备，制定严格的焊接检验标准。除了传统的MIG焊接外，许多国家还采用了搅拌摩擦焊接。这一过程在国外铁路行业还没有发展到8A以上，但发展速度非常快。从最初的底架地板、车顶板和侧壁板的焊接，它几乎可以焊接车身的所有焊缝，甚至车身总成的焊缝。

原来的小型固定设备已发展成为具有多个焊接头的大型龙门式工作站。在中国，许多公司准备尝试搅拌摩擦焊接工艺，但该工艺在设计坡口时与MIG焊接工艺不兼容。根据搅拌摩擦焊接工艺设计的坡口不适用于MIG焊接，根据MIG焊接工艺设计的坡口不能进行搅拌摩擦焊，因此限制了该技术的推广。同时，中国的基础材料行业，如大型铝型材的侧弯公差，远远不能满足搅拌摩擦焊的工艺条件。因此，搅拌摩擦焊未能在长大铝合金型材中焊接中广泛运用，但技术发展的趋势是不可避免的，搅拌摩擦焊以其独特的工艺特点将在铁路行业推广中应用。

参考文献

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