轨道交通车体用铝合金材料及其焊接技术

轨道交通车体用铝合金材料及其焊接技术摘要：在经济快速发展的背景下，人们对汽车的需求也在逐渐提升，倒逼轨道交通车体行业的快速进步与发展。铝合金是轨道交通车体轻量化发展的方向，已经成为轨道交通车体行业中广泛使用的材料之一，铝合金的使用可以有效降低轨道交通车体的整体车身质量、减少能源消耗，与我国节能、环保的发展目标完全符合，并且合理利用焊接的新技术为汽车轻量化提供技术保障，对轨道交通车体行业的可持续发展具有重要意义。本文简要概述了铝合金特点，分析了铝合金在轨道交通车体轻量化中的应用，并对铝合金轨道交通车体焊接的新技术进行了研究。关键词：轨道交通车体；铝合金材料；焊接；技术引言为了减少能源消耗和提高运行速度，轻量化车体一直以来都是轨道交通车辆技术研发的方向，为此选用合适的材料对车体轻量化至关重要。铝合金材料因密度小、强度适中、易成形等优点而成为新型轨道交通车辆车体用材料的首选。轨道交通车辆车体制造有焊接、铆接、螺栓联接等多种工艺，但应用最广泛的还是焊接工艺。焊接作为轨道车辆车体制造过程的特殊工序，对车体产品的质量、生产效率及制造成本影响巨大。1铝合金材料的应用铝可加工成各种型材，具有优良的导电性、抗蚀性和导热性，其产品已广泛应用于印刷业、汽车制造业、建筑业、电子通讯业、石油化工业、能源动力、包装容器、机械电器等行业。铝及其合金材料的加工工艺有铸造、冲压、锻造、挤压以及深加工等。铝的耐蚀性能很好，而且强度好。纯铝的抗拉强度是低碳钢的五分之一，如果经过热处理强化和合金化强化，其强度会大大增加。另外，铝的加工性能好、上色容易且由于本身很轻，安装就轻便很多。铝的熔点低，易于再生。所以，从节能、环保、安全要求的等多方面考虑，铝及铝合金材料是很有锻造价值的金属材料。基于赵云宝等对铝合金焊接技术的竞争形势研究分析，现全球铝合金焊接技术已经步入技术成熟期，当前铝合金焊接技术的研究热点集中于TIG焊接系统、激光焊接自动控制、搅拌摩擦焊接系统、多种材料的复合焊技术等焊接技术。2轨道交通车体用铝合金及焊接材料2.1铝合金材料轨道交通车体目前常用的材料有碳素钢、不锈钢和铝合金三种，无论是从使用量，还是从应用产品的范围来看，使用最广的还是铝合金材料。轨道交通车体用到的铝合金以型材为主、板材为辅，少量部件使用了锻件。目前，轨道交通车体主要应用的铝合金为5系、6系和7系，按照ISO15608—2017材料组别分别为22组、23.1组及23.2组。相对而言，铝型材使用最多的是6系铝合金，且多为6005A和6082铝合金。板材使用较多的为5083和6082铝合金。铝合金优良的挤压性能为铝型材的大量使用打下了良好的基础，国内成熟稳定的挤压制造能力又助推了铝型材的应用。大型中空铝型材的使用，简化了车体的制造工艺。2.2焊接材料焊材的质量对铝合金焊接质量至关重要。目前，轨道交通铝合金焊接材料多为进口产品，特别是在高速度等级的动车组上，焊丝全部采用进口。国内轨道交通行业应用的主要铝合金焊丝进口品牌有SAFRA、ESAB、MTL、MIG等品牌。近年来，随着国产化焊丝制造技术的提高，国产铝合金焊丝也表现出良好的力学性能和使用性能，并在地铁车辆上开始成功应用。国内轨道交通车辆制造企业为促进国家焊接材料制造的发展，同时降低生产成本及进口供货风险，正在大力推进国产化铝焊丝的工程化应用。2.3激光焊激光在很多领域得到了非常广泛的应用，尤其是在铝合金焊接领域中。GenchenPeng等对35mm厚的5A06铝合金在不同环境压力下进行了一系列的圆盘激光焊接实验，得出了激光焊接过程中环境压力应限制在小于102Pa，使获得高的焊接质量。激光焊焊接铝及其合金时，特别是在热处理过程，必须考虑缺陷存在的可能性，Viscusi等研究并探讨了克服这些缺陷的可能性。激光焊与传统焊接技术相比，具有很显著的优势，如变形小、热影响范围小、生产效率高、接头损伤轻、热输入低等。3轨道交通车体铝合金焊接技术及设备3.1焊接新技术随着焊接技术的发展和机器人制造技术及自动化技术的提升，铝合金焊接技术朝着高效、绿色方向发展，机器人双丝焊接、搅拌摩擦焊、激光及激光复合焊等新技术在轨道交通铝合金上的应用越来越广泛。铝合金车体双丝双弧焊接双丝双弧焊接与一般MIG焊类似，送丝机和焊枪都可用双电源作双丝共熔池双弧焊或不共熔池的双弧焊。两个电弧可以并列、斜列和串列，并列和斜列能使电弧不正对接口，可减少焊接塌陷发生的可能性；串列能够分散热量，使狭长温度场和双峰热循环可调范围更大，提高焊接接头性能。如果采用单电源供电，两个导电嘴间不必绝缘；如果用双丝双弧单焊枪送焊丝共熔池焊接，则两个导电嘴间必须绝缘，需要采用有一定延迟的同步双电流焊接。3.2搅拌摩擦焊接技术搅拌摩擦焊接技术是英国研发的，其工作原理，将具有特殊性质的搅拌头插进工件之上，使高速旋转的搅拌头与工件之间发生摩擦，并利用所产生的热量对金属进行热塑性的过程，另外，在进行搅拌的过程中，前端受到压力的作用从而向后端发生塑性流动，进而完成整个压焊过程。使用搅拌摩擦焊接技术具有以下几个有点：在进行焊接的过程中不会产生烟尘以及飞溅，并且整个操作中均不会出现有害光线，例如：红外线、紫外线；焊接后不会发生变形，由于搅拌焊接的温度较低，焊接以后的剩余应力远小于熔化焊，加上在热塑性的过程中也不会出现形变的过程，所以在焊接完成以后不会出现变形的情况；应用的范围相对较广，可以进行所有铝合金材料的焊接，并且不受任何轴类部件的限制，可以进行多种形式的接头焊接。3.3CMT焊接技术CMT焊接作为一种添加剂制造方法，已在交通车工业、国防部门和发电厂得到应用。CMT焊接技术具有热输人量小、电弧更稳定、焊接变形小、焊缝均匀一致等优点。但是因为热输入低，厚板不容易焊透，从而导致效率比较低。针对5083铝合金中厚板拼板，研究如何运用双丝CMT焊接技术来实现单面焊双面成形，确定最佳过渡模式及工艺参数范围。用CMT焊接方法进行钢铝薄板的搭接实验，重点研究了焊接参数对焊缝宏观形貌、力学性能等的影响，结果表明利用二氧化碳保护可以有效促进金属间化合物的生成，使得焊接接头的抗拉强度、塑性和硬度均有所提高。CMT焊在一定程度上优异于MIG焊。结语铝合金材料的焊接技术在一定程度上会影响最后成品的结构、外观甚至是其他关键性能，所以新兴技术的出现使焊接质量、焊接性能不断提高，极大了改善了传统焊接技术的诸多不足，促进了铝合金构建的制造水平。另外，铝合金材料已经逐渐渗透于汽车行业中，其焊接质量的高低将直接影响车身的整体水平，也将威胁着乘客们的生命安全，所以对铝合金材料的焊接要求也越来越高，选择适合的焊接工艺也尤为重要。近年来，铝合金材料的焊接方法和技术逐渐走向成熟，在不久的将来会更加深入制造业。反之，随着科学技术的不断革新，制造业的需求不断提高，也必将促使铝合金材料的焊接方法和技术不断完善和发展，从而使焊接方法逐步向高效率、低成本、低能耗等方向发展，焊接过程也会向自动化、最优化方向进攻。不难预料，铝及铝合金工业的发展前景非常可观，而且现已经影响了我国的经济水平且带动了我国经济的发展。参考文献[1]攻坚克难技术创新技能传承打造一流焊接技能