軌道車輛用鋁合金及焊接技術的發(fā)展

0鋁合金動車組是鐵路運輸?shù)闹匾獦酥境鞘薪煌ㄊ鞘澜绻步煌ǖ陌l(fā)展方向。它具有運輸能力大、速度快、安全效率高、環(huán)境保護節(jié)能、成本相對平坦等特點。它已深受世界各國的喜愛。隨著對軌道車輛的要求越來越高,輕量、高速已成為現(xiàn)代化軌道車輛運輸?shù)闹匾獦酥尽Ｒ龅捷p量、高速,就必須減輕車體自重,采用鋁合金等輕質材料是減輕車體自重的有效措施。為適應軌道車輛的發(fā)展,世界各國均在大力開發(fā)、制造鋁合金車體。因此,生產(chǎn)制造鋁合金車體是鐵路運輸事業(yè)和城市軌道車輛發(fā)展的必然趨勢。在此結合日本軌道車輛的發(fā)展,就鋁合金的應用狀況及相應的焊接技術進行分析,并探討了其發(fā)展前景,以便為我國鋁制軌道車輛發(fā)展提供借鑒。1鋁合金長期使用在生產(chǎn)中的作用根據(jù)鋁合金車輛不同部位的使用要求、綜合強度、制造工藝、耐腐蝕等方面的要求,選擇不同的鋁合金材料。在鐵道車輛上,一般選用5000、6000和7000系鋁合金作為車輛結構用材,其他鋁合金因強度、焊接性等原因很少使用。由于鋁合金具有輕質、清潔、防腐、減振和易回收等性能等優(yōu)點,相對于鋼制車體,鋁合金車體具有以下特點:(1)耗能低。在保證相同剛度的前提下,鋁合金車體自重一般是鋼制車體的三分之二,可降低牽引動能消耗。(2)鋁合金車體中大量型材的使用不僅提高了整車剛度,保證了車體的安全性,隔音、隔熱效果良好,并且型材結構還便于實現(xiàn)自動化焊接,能夠提高生產(chǎn)效率。(3)鋁合金表面氧化膜的存在使車體耐腐蝕性高于鋼制車體,維護、保養(yǎng)成本低。(4)材料回收利用率高。鋁合金車體達到使用壽命后,材料一般可以回收利用,損耗較低,且無環(huán)境污染。2鋁合金動車組結構特點日本軌道車輛鋁合金化已經(jīng)50多年了,隨著時間的推移其生產(chǎn)量也越來越大。日本生產(chǎn)的鋁合金軌道車輛輛數(shù)變化如圖1所示。至2004年,日本生產(chǎn)鋁合金軌道車輛已達14000輛。據(jù)日本鋁業(yè)協(xié)會(JapanAluminiumAssociation,JAA)公布的統(tǒng)計資料稱,日本2005財政年度(2005年4月至2006年3月)的鋁合金軌道車輛產(chǎn)量為644輛;而2009財年生產(chǎn)量已達926輛,比上年增加172輛,增幅為22.8%。其中,用于新干線的鋁合金車輛為408輛,占該年日本鋁合金車輛總產(chǎn)量的44.1%。鋁合金車體經(jīng)歷了板梁結構鋁合金車體、板梁和型材混合結構鋁合金車體、完全閉式型材結構鋁合金車體三個發(fā)展過程。根據(jù)車輛構造和所用材料,日本生產(chǎn)鋁合金軌道車輛分為四代。1962年研制的最初鋁合金制軌道車輛稱為第一代,典型代表是山陽電鐵2000系車輛。由于當時并沒有軌道車輛專用的鋁合金,所用鋁合金主要是船舶用A5083和A6061。車體焊裝時采用的連接技術是鋼制車輛生產(chǎn)用的鉚接和電弧焊。鉚接的使用不僅影響生產(chǎn)效率,而且輔材的使用增加了車體的自重。為進一步減輕車體自重,從第二代車輛開始鋁合金車輛采取了全焊接結構。作為第二代車輛典型代表的近鐵8000系車輛是由焊條電弧焊焊裝而成,所用鋁合金是專門研發(fā)的7N01擠壓型材和A5083合金擠壓型、板材。從結構上看,第二代與第一代鋁合金車體都屬于板梁結構鋁合金車體。由于焊接變形大,必須通過增加板厚來獲得剛度,減重效果不明顯,車體平整度不理想,因此在鋁合金車體的發(fā)展過程中,純板梁結構鋁合金車體的數(shù)量并不多。為了減輕車體自重,開發(fā)了板梁和型材混合結構車體。在新干線中,最先采用板梁和型材混合結構鋁合金車體的是新干線100系,這被視為第2.5代,主要代表車型有舊國鐵200系新干線車輛。所用鋁合金主要有7N01合金擠壓型材、7003合金擠壓型材、A5083合金擠壓型材與板材。在這種結構車體中,板梁部分采用電阻焊工藝,型材連接采用熔化極氬弧焊(MIG:Metal-InertGasWelding)工藝,大大節(jié)約了型材開模費,降低車體制造成本,但此工藝相對繁瑣,且車體剛度較差。隨著擠壓成型性、焊接性良好的6N01合金開發(fā),薄壁、寬幅、長尺度型材的制作成為可能。以該型材為主要結構材料研發(fā)了第三代鋁合金車體,代表車型有舊營團地鐵01系和新干線300系。在這種結構里,薄壁、寬幅、長尺度(25m)6N01合金型材的采用不僅強化了車體,減輕車體自重,而且還使焊接自動化成為可能。這種結構在日本又稱為單壁結構(SingleSkin)。以雙壁型材取代單壁型材,開發(fā)了第四代完全閉式型材結構鋁合金內(nèi)車體,在日本又稱為雙壁結構(DoubleSkin)。與單壁結構車體相比,這種雙壁結構車體具有剛性大、隔熱、隔音效果好等優(yōu)點,并且所用零件數(shù)量也大幅減少,提高了生產(chǎn)效率。結構中所用鋁合金除個別承重梁為高強度的7N01合金擠壓型材,大部分為環(huán)保鋁合金6N01。代表車型有圖2所示的新干線700系和圖3所示的東京地鐵05系車輛,在這一代車體焊裝中大多采用攪拌摩擦焊技術。第四代車體所采用的閉式型材結構是目前世界上采用最多的結構,其制造工藝簡單,車體平整度、剛度均較好。3高速列車東北部的攪拌焊焊接在軌道車輛生產(chǎn)中所采用的連接技術由最初的鉚接和焊條電弧焊,到電阻焊和熔化極氬弧焊,再發(fā)展到現(xiàn)在廣泛采用的攪拌摩擦焊共經(jīng)歷了三個階段。攪拌摩擦焊技術(FrictionStirWelding,簡稱FSW)是由英國焊接研究所1991年發(fā)明的一項新型連接方法。該技術自發(fā)明以來,迅速在全球工業(yè)制造領域得到推廣應用,在20年時間里,該技術已應用到包括輕軌、地鐵、快速列車和高速列車等軌道交通行業(yè)在內(nèi)的眾多領域。在軌道車輛制造領域,日本的日立和川崎重工已經(jīng)將攪拌摩擦焊應用于包括新干線列車在內(nèi)的新型高速列車車體的制造。攪拌摩擦焊依靠攪拌頭的機械摩擦作用實現(xiàn)接頭的連接,攪拌頭的旋轉摩擦作用與材料的轉移過渡形成動態(tài)平衡,焊接溫度低于材料的熔點,所以攪拌摩擦焊接過程中不存在金屬熔化,屬于一種固相連接方法。如圖4所示,焊接過程中攪拌針高速旋轉,攪拌針深入到工件內(nèi)部,軸肩緊壓在工件表面(保持一定的壓入量)。高速旋轉的攪拌頭與工件之間摩擦產(chǎn)生了大量的摩擦熱,由于摩擦熱的作用以及攪拌頭的粉碎、擠壓作用,攪拌頭周圍金屬在焊接過程中將發(fā)生熱塑性變形,從而釋放大量的塑性變形能。在摩擦熱及塑性變形能的綜合作用下,接頭金屬實現(xiàn)塑性流動并擴散連接。攪拌摩擦焊熱輸入少,溫度低,母材不發(fā)生熔化,接頭變形小、熱影響區(qū)窄、無凝固裂紋、氣孔,質量高,適用于鋁合金的焊接。日本是最早將攪拌摩擦焊技術運用到軌道車輛生產(chǎn)的國家。1998年,率先利用攪拌摩擦焊取代熔化極氬弧焊對單壁6000系合金型材進行拼接,生產(chǎn)單壁結構車體。如圖5所示,采用攪拌摩擦焊對單壁型材進行對接,不需要開坡口,直接焊接。為防止焊接過程中由攪拌頭壓力產(chǎn)生的變形,僅在焊縫下面施加銅墊板。這不僅提高了生產(chǎn)效率,還改善了接頭質量。在焊接雙壁型材時,由于防變形銅墊板不易施加,而將原熔化極氬弧焊的對接接頭改為搭接接頭,如圖6所示。這樣既增加了接頭的剛性,又減少墊板的施加工序,進一步改善了接頭、提高了生產(chǎn)效率。因此,攪拌摩擦焊是現(xiàn)在日本軌道車輛生產(chǎn)用的最主要的連接技術。4軌道車輛的發(fā)展方向高速、節(jié)能、安全、舒適、環(huán)保是現(xiàn)代化交通運輸所面臨的重要課題,而大型扁寬薄壁鋁合金型材是實現(xiàn)軌道車輛特別是地鐵列車、高速列車、雙層列車和輕軌列車高速化和輕量化的主要途徑和關鍵材料。大型扁寬薄壁鋁合金型材的使用既能改善車輛整體性能,還能減少拼接數(shù)量,提高生產(chǎn)效率。因此,對其相關的工藝裝備、設備、工藝技術進行研究能夠推進軌道車輛的發(fā)展。從環(huán)保方面來講,由于Zn不利于合金回收再利用,含Zn高的7N01合金使用量將逐漸減少,主要采用低Zn或無Zn的5000系、6000系合金,只是在一些主要承重部位采用高強度的7N01l鋁合金。就車體焊裝而言,由于攪拌摩擦焊具有優(yōu)越性,使其成為鋁合金車體生產(chǎn)的主要焊接技術。作為高能密度焊接技術的激光焊也是一種低熱輸入的焊接方法,隨著高質量、大功率激光發(fā)生器的研發(fā)以及遠程焊接技術的發(fā)展,激光焊應用于軌道車輛生產(chǎn)中也是值得期待的。5鋁合金城市輕軌車需求增長迅速由于鋁合金車體的低能耗、低維護費用和高舒適性,它已成為軌道車輛發(fā)展的必然趨勢。鋁合金軌道車輛質量一般不超過8.5t/輛。當前,世界上凡是速度大于250km/h的高速軌道車輛幾乎全是鋁合金車輛,除了日本的新干線高速客