軌道交通車體用鋁合金材料及其焊接技術(shù)

軌道交通車體用鋁合金材料及其焊接技術(shù)摘要：在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，人們對汽車的需求也在逐漸提升，倒逼軌道交通車體行業(yè)的快速進(jìn)步與發(fā)展。鋁合金是軌道交通車體輕量化發(fā)展的方向，已經(jīng)成為軌道交通車體行業(yè)中廣泛使用的材料之一，鋁合金的使用可以有效降低軌道交通車體的整體車身質(zhì)量、減少能源消耗，與我國節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)完全符合，并且合理利用焊接的新技術(shù)為汽車輕量化提供技術(shù)保障，對軌道交通車體行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文簡要概述了鋁合金特點，分析了鋁合金在軌道交通車體輕量化中的應(yīng)用，并對鋁合金軌道交通車體焊接的新技術(shù)進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：軌道交通車體；鋁合金材料；焊接；技術(shù)引言為了減少能源消耗和提高運行速度，輕量化車體一直以來都是軌道交通車輛技術(shù)研發(fā)的方向，為此選用合適的材料對車體輕量化至關(guān)重要。鋁合金材料因密度小、強度適中、易成形等優(yōu)點而成為新型軌道交通車輛車體用材料的首選。軌道交通車輛車體制造有焊接、鉚接、螺栓聯(lián)接等多種工藝，但應(yīng)用最廣泛的還是焊接工藝。焊接作為軌道車輛車體制造過程的特殊工序，對車體產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率及制造成本影響巨大。1鋁合金材料的應(yīng)用鋁可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、抗蝕性和導(dǎo)熱性，其產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于印刷業(yè)、汽車制造業(yè)、建筑業(yè)、電子通訊業(yè)、石油化工業(yè)、能源動力、包裝容器、機械電器等行業(yè)。鋁及其合金材料的加工工藝有鑄造、沖壓、鍛造、擠壓以及深加工等。鋁的耐蝕性能很好，而且強度好。純鋁的抗拉強度是低碳鋼的五分之一，如果經(jīng)過熱處理強化和合金化強化，其強度會大大增加。另外，鋁的加工性能好、上色容易且由于本身很輕，安裝就輕便很多。鋁的熔點低，易于再生。所以，從節(jié)能、環(huán)保、安全要求的等多方面考慮，鋁及鋁合金材料是很有鍛造價值的金屬材料。基于趙云寶等對鋁合金焊接技術(shù)的競爭形勢研究分析，現(xiàn)全球鋁合金焊接技術(shù)已經(jīng)步入技術(shù)成熟期，當(dāng)前鋁合金焊接技術(shù)的研究熱點集中于TIG焊接系統(tǒng)、激光焊接自動控制、攪拌摩擦焊接系統(tǒng)、多種材料的復(fù)合焊技術(shù)等焊接技術(shù)。2軌道交通車體用鋁合金及焊接材料2.1鋁合金材料軌道交通車體目前常用的材料有碳素鋼、不銹鋼和鋁合金三種，無論是從使用量，還是從應(yīng)用產(chǎn)品的范圍來看，使用最廣的還是鋁合金材料。軌道交通車體用到的鋁合金以型材為主、板材為輔，少量部件使用了鍛件。目前，軌道交通車體主要應(yīng)用的鋁合金為5系、6系和7系，按照ISO15608—2017材料組別分別為22組、23.1組及23.2組。相對而言，鋁型材使用最多的是6系鋁合金，且多為6005A和6082鋁合金。板材使用較多的為5083和6082鋁合金。鋁合金優(yōu)良的擠壓性能為鋁型材的大量使用打下了良好的基礎(chǔ)，國內(nèi)成熟穩(wěn)定的擠壓制造能力又助推了鋁型材的應(yīng)用。大型中空鋁型材的使用，簡化了車體的制造工藝。2.2焊接材料焊材的質(zhì)量對鋁合金焊接質(zhì)量至關(guān)重要。目前，軌道交通鋁合金焊接材料多為進(jìn)口產(chǎn)品，特別是在高速度等級的動車組上，焊絲全部采用進(jìn)口。國內(nèi)軌道交通行業(yè)應(yīng)用的主要鋁合金焊絲進(jìn)口品牌有SAFRA、ESAB、MTL、MIG等品牌。近年來，隨著國產(chǎn)化焊絲制造技術(shù)的提高，國產(chǎn)鋁合金焊絲也表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和使用性能，并在地鐵車輛上開始成功應(yīng)用。國內(nèi)軌道交通車輛制造企業(yè)為促進(jìn)國家焊接材料制造的發(fā)展，同時降低生產(chǎn)成本及進(jìn)口供貨風(fēng)險，正在大力推進(jìn)國產(chǎn)化鋁焊絲的工程化應(yīng)用。2.3激光焊激光在很多領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在鋁合金焊接領(lǐng)域中。GenchenPeng等對35mm厚的5A06鋁合金在不同環(huán)境壓力下進(jìn)行了一系列的圓盤激光焊接實驗，得出了激光焊接過程中環(huán)境壓力應(yīng)限制在小于102Pa，使獲得高的焊接質(zhì)量。激光焊焊接鋁及其合金時，特別是在熱處理過程，必須考慮缺陷存在的可能性，Viscusi等研究并探討了克服這些缺陷的可能性。激光焊與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，具有很顯著的優(yōu)勢，如變形小、熱影響范圍小、生產(chǎn)效率高、接頭損傷輕、熱輸入低等。3軌道交通車體鋁合金焊接技術(shù)及設(shè)備3.1焊接新技術(shù)隨著焊接技術(shù)的發(fā)展和機器人制造技術(shù)及自動化技術(shù)的提升，鋁合金焊接技術(shù)朝著高效、綠色方向發(fā)展，機器人雙絲焊接、攪拌摩擦焊、激光及激光復(fù)合焊等新技術(shù)在軌道交通鋁合金上的應(yīng)用越來越廣泛。鋁合金車體雙絲雙弧焊接雙絲雙弧焊接與一般MIG焊類似，送絲機和焊槍都可用雙電源作雙絲共熔池雙弧焊或不共熔池的雙弧焊。兩個電弧可以并列、斜列和串列，并列和斜列能使電弧不正對接口，可減少焊接塌陷發(fā)生的可能性；串列能夠分散熱量，使狹長溫度場和雙峰熱循環(huán)可調(diào)范圍更大，提高焊接接頭性能。如果采用單電源供電，兩個導(dǎo)電嘴間不必絕緣；如果用雙絲雙弧單焊槍送焊絲共熔池焊接，則兩個導(dǎo)電嘴間必須絕緣，需要采用有一定延遲的同步雙電流焊接。3.2攪拌摩擦焊接技術(shù)攪拌摩擦焊接技術(shù)是英國研發(fā)的，其工作原理，將具有特殊性質(zhì)的攪拌頭插進(jìn)工件之上，使高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件之間發(fā)生摩擦，并利用所產(chǎn)生的熱量對金屬進(jìn)行熱塑性的過程，另外，在進(jìn)行攪拌的過程中，前端受到壓力的作用從而向后端發(fā)生塑性流動，進(jìn)而完成整個壓焊過程。使用攪拌摩擦焊接技術(shù)具有以下幾個有點：在進(jìn)行焊接的過程中不會產(chǎn)生煙塵以及飛濺，并且整個操作中均不會出現(xiàn)有害光線，例如：紅外線、紫外線；焊接后不會發(fā)生變形，由于攪拌焊接的溫度較低，焊接以后的剩余應(yīng)力遠(yuǎn)小于熔化焊，加上在熱塑性的過程中也不會出現(xiàn)形變的過程，所以在焊接完成以后不會出現(xiàn)變形的情況；應(yīng)用的范圍相對較廣，可以進(jìn)行所有鋁合金材料的焊接，并且不受任何軸類部件的限制，可以進(jìn)行多種形式的接頭焊接。3.3CMT焊接技術(shù)CMT焊接作為一種添加劑制造方法，已在交通車工業(yè)、國防部門和發(fā)電廠得到應(yīng)用。CMT焊接技術(shù)具有熱輸人量小、電弧更穩(wěn)定、焊接變形小、焊縫均勻一致等優(yōu)點。但是因為熱輸入低，厚板不容易焊透，從而導(dǎo)致效率比較低。針對5083鋁合金中厚板拼板，研究如何運用雙絲CMT焊接技術(shù)來實現(xiàn)單面焊雙面成形，確定最佳過渡模式及工藝參數(shù)范圍。用CMT焊接方法進(jìn)行鋼鋁薄板的搭接實驗，重點研究了焊接參數(shù)對焊縫宏觀形貌、力學(xué)性能等的影響，結(jié)果表明利用二氧化碳保護(hù)可以有效促進(jìn)金屬間化合物的生成，使得焊接接頭的抗拉強度、塑性和硬度均有所提高。CMT焊在一定程度上優(yōu)異于MIG焊。結(jié)語鋁合金材料的焊接技術(shù)在一定程度上會影響最后成品的結(jié)構(gòu)、外觀甚至是其他關(guān)鍵性能，所以新興技術(shù)的出現(xiàn)使焊接質(zhì)量、焊接性能不斷提高，極大了改善了傳統(tǒng)焊接技術(shù)的諸多不足，促進(jìn)了鋁合金構(gòu)建的制造水平。另外，鋁合金材料已經(jīng)逐漸滲透于汽車行業(yè)中，其焊接質(zhì)量的高低將直接影響車身的整體水平，也將威脅著乘客們的生命安全，所以對鋁合金材料的焊接要求也越來越高，選擇適合的焊接工藝也尤為重要。近年來，鋁合金材料的焊接方法和技術(shù)逐漸走向成熟，在不久的將來會更加深入制造業(yè)。反之，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，制造業(yè)的需求不斷提高，也必將促使鋁合金材料的焊接方法和技術(shù)不斷完善和發(fā)展，從而使焊接方法逐步向高效率、低成本、低能耗等方向發(fā)展，焊接過程也會向自動化、最優(yōu)化方向進(jìn)攻。不難預(yù)料，鋁及鋁合金工業(yè)的發(fā)展前景非?？捎^，而且現(xiàn)已經(jīng)影響了我國的經(jīng)濟(jì)水平且?guī)恿宋覈?jīng)濟(jì)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1]攻堅克難技術(shù)創(chuàng)新技能傳承打造一流焊接技能