焊接知識(shí)課堂：軌道客車連接技術(shù)
作者：小編 時(shí)間：2024/10/17 10:06:58
軌道客車主要包括高速動(dòng)車組、城際動(dòng)車組、干線鐵路客車、城軌地鐵及有軌電車等車輛形式。以車輛材料屬性進(jìn)行劃分，主要采用鋁合金、不銹鋼、碳鋼三種金屬材料。不同材料車輛呈現(xiàn)不同的技術(shù)特點(diǎn)：碳鋼車體制造成本低，工藝性、維護(hù)性好，被大量應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及時(shí)速120~200km之間的普通客車車體；時(shí)速120km以下的城軌地鐵車體更多選用耐蝕性、輕量化更有優(yōu)勢(shì)的高強(qiáng)不銹鋼作為主要材料；針對(duì)更高速度等級(jí)的動(dòng)車組及部分城軌地鐵，則選擇輕量化效果最好，氣密性最優(yōu)的鋁合金材料。我國(guó)軌道交通線路條件多變、運(yùn)營(yíng)環(huán)境復(fù)雜，產(chǎn)品譜系多樣，因而三種材料的車輛均得到了大規(guī)模應(yīng)用。
1.1 鋁合金車體
鋁合金是當(dāng)前時(shí)速300km以上速度等級(jí)高速列車長(zhǎng)大車體的最佳且最成熟的選擇形式。從5000系鋁合金板梁結(jié)構(gòu)到6000系鋁合金雙面擠壓型材結(jié)構(gòu)，鋁合金車輛發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)階段。目前，國(guó)內(nèi)的和諧號(hào)、復(fù)興號(hào)，日本的新干線、德國(guó)的ICE3以及絕大部分的地鐵產(chǎn)品基本以四代雙面型材結(jié)構(gòu)為主。高速動(dòng)車組鋁合金車身主要采用通長(zhǎng)中空薄壁型材的輕量化插接結(jié)構(gòu)，車體沿通長(zhǎng)方向呈現(xiàn)一致的斷面結(jié)構(gòu)，具有工藝過程簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接的技術(shù)特點(diǎn)。
電弧焊是鋁合金車輛當(dāng)前主流的連接方法，具有作業(yè)方式靈活、工程適應(yīng)性強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn)，可平焊，也可立焊、橫焊，甚至仰焊，可單層熔透、也可多層填充。車體長(zhǎng)大型材通常采用自動(dòng)MIG焊接，空間位置受限時(shí)，輔以半自動(dòng)MIG焊。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，動(dòng)車組鋁合金車體電弧焊占80%以上，從當(dāng)前乃至未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間來看，電弧焊仍將是軌道交通裝備制造領(lǐng)域不可或缺的焊接方式，且仍將占據(jù)主流地位。
目前鋁合金車體電弧焊技術(shù)已相對(duì)成熟，在保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，通過自動(dòng)焊接機(jī)器人的深入應(yīng)用，提高了焊接效率。然而，隨著車輛速度等級(jí)的不斷提升，對(duì)車體強(qiáng)度、輕量化以及耐蝕性等方面提出了更高的要求，傳統(tǒng)的電弧焊技術(shù)也暴露出許多問題：第一，鋁合金熱導(dǎo)率高、膨脹系數(shù)大，電弧焊變形較大，且容易產(chǎn)生未熔、氣孔、咬邊等焊接缺陷
第二，高速動(dòng)車組側(cè)墻、車頂、地板等部件通常采用長(zhǎng)度20 m以上的長(zhǎng)大鋁型材，這些型材在加工和裝配精度上的限制，加上焊接過程中熱量、應(yīng)力和應(yīng)變的累積，易導(dǎo)致焊接狀態(tài)前后不統(tǒng)一，影響連續(xù)焊接的穩(wěn)定性。此外，焊后需進(jìn)行調(diào)修矯形及打磨整形，增加了大量的輔助工作降低了生產(chǎn)效率；第三，電弧焊飛濺較多，影響表面質(zhì)量，并且對(duì)于厚板焊接也增加了層間清理的工作量；第四，電弧焊接過程產(chǎn)生的弧光、煙塵、噪音和粉塵污染，對(duì)勞動(dòng)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，勞動(dòng)環(huán)境亟需改善。
基于這些問題，鋁合金車體焊接技術(shù)的改進(jìn)應(yīng)聚焦于控制焊接變形、殘余應(yīng)力、焊接缺陷等。通過引入高能電弧及復(fù)合電源、綠色攪拌摩擦焊技術(shù)，推廣自動(dòng)焊接技術(shù)，優(yōu)化組裝、定位、清理、打磨等配套技術(shù)，結(jié)合數(shù)字化產(chǎn)線的建設(shè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性，控制焊接變形，提升焊接效率，同時(shí)面向極端工況開展工程適應(yīng)性拓展，面向極端服役條件深化性能評(píng)估評(píng)價(jià)技術(shù)研究。
1.2 不銹鋼車體
不銹鋼車輛具有無涂裝、免維護(hù)、耐蝕性好、安全性高、污染小的技術(shù)特點(diǎn)，但同時(shí)存在氣密性差、變形控制難度大，工裝、模具數(shù)量多的不足。目前，不銹鋼車輛主要用于時(shí)速120km以下的城軌地鐵領(lǐng)域，如北京地鐵、青島地鐵、芝加哥地鐵等。軌道客車用不銹鋼材料主要包括SUS 301L、EN 1.4318超低碳、高強(qiáng)冷作硬化不銹鋼薄板，少量采用SUS 304材料，這些均為奧氏體不銹鋼，常用厚度為0.6~5.0mm。根據(jù)軋制程度不同，僅SUS 301L一種材質(zhì)的鋼板就可形成五種不同強(qiáng)度級(jí)別的材料，抗拉強(qiáng)度550MPa至1000MPa不等，這一特性也是高強(qiáng)冷作硬化不銹鋼板的技術(shù)特點(diǎn)和工程優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)不同部位的承載需求，選用相同材質(zhì)、不同強(qiáng)度級(jí)別的鋼板進(jìn)行使用。不銹鋼車體主要采用板梁組合、整體承載的高強(qiáng)冷作硬化不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)，目前以電阻焊工藝為主，輔以電弧焊等多種焊接方法的工藝模式。
電阻焊具有變形小、成本低、自動(dòng)化程度高、污染小的工程特點(diǎn)，是不銹鋼車體應(yīng)用最廣的焊接形式，每輛車焊點(diǎn)約2萬~3萬個(gè)。當(dāng)前，電阻焊在不銹鋼車輛中的應(yīng)用形式有點(diǎn)焊和縫焊兩種，其中縫焊用于車輛蒙皮的拼接，而點(diǎn)焊多用于骨架梁以及骨架梁與蒙皮之間的連接。盡管電阻焊技術(shù)相對(duì)成熟，但仍需深入研究。首先，面向無涂裝的不銹鋼車輛，如何在保障點(diǎn)焊連接強(qiáng)度的同時(shí)減輕焊點(diǎn)壓痕，提升車輛商品化質(zhì)量是電阻焊長(zhǎng)期面臨的技術(shù)難題。其次，電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)不連續(xù)導(dǎo)致氣密性較差，也是目前不銹鋼車輛難以達(dá)到時(shí)速200km以上的最主要的原因之一。而現(xiàn)在的密封點(diǎn)焊的密封性能不及弧焊，也無法做到與車輛等壽命，而且電阻焊缺乏成熟可靠的無損檢測(cè)手段和完善的服役評(píng)價(jià)體系，無論在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)，還是在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系中，其疲勞極限及強(qiáng)度計(jì)算數(shù)據(jù)都不及電弧焊成熟，這也從某種角度限制了電阻焊的工程應(yīng)用。電阻點(diǎn)焊的搭接接頭形式也易造成間隙腐蝕、電偶腐蝕等工程問題，也需要從結(jié)構(gòu)和工藝的角度去預(yù)防、控制?？偟膩碚f，電阻焊技術(shù)需在電源形式、質(zhì)量?jī)?yōu)化、壓痕減輕、過程監(jiān)控、服役評(píng)價(jià)、腐蝕防護(hù)等方面進(jìn)行深入研究。近年來，軌道車輛電阻焊通過集成磁控技術(shù)、過程編程及干涉分析、自動(dòng)檢驗(yàn)及智能監(jiān)控等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化升級(jí)，過程更高效，質(zhì)量更可靠，尺寸更精確，監(jiān)控更及時(shí)。
電弧焊以其位置可達(dá)性好、作業(yè)靈活、材料適應(yīng)性強(qiáng)、成本較低等特點(diǎn)，在不銹鋼車體中也得到了廣泛應(yīng)用。但是它面臨的問題與鋁合金電弧焊相似，主要包括：對(duì)于冷作硬化不銹鋼材料，焊接會(huì)導(dǎo)致較為明顯的強(qiáng)度損失，如高強(qiáng)不銹鋼焊后強(qiáng)度損失約40%~50%；焊接變形大、飛濺嚴(yán)重，焊縫余高明顯等，這些問題對(duì)于無涂裝的不銹鋼產(chǎn)品影響更加顯著。針對(duì)不銹鋼電弧焊的這些特點(diǎn)和問題，一方面可以考慮引入其他熱輸入小，外觀質(zhì)量佳的焊接方法，如TIG-SPOT、CMT、激光焊等；另一方面，需針對(duì)焊前清理、裝配、焊接工藝、反變形控制等方面開展研究，避免調(diào)修、減少打磨，提升焊縫外觀。
1.3 碳鋼車體及構(gòu)架
碳鋼的焊接性及冷成形性優(yōu)良，且成本效益好，是軌道客車不可或缺的材料形式。碳鋼車體及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要采用低合金結(jié)構(gòu)鋼和耐候鋼等碳鋼材料，典型產(chǎn)品如時(shí)速160km集中動(dòng)力車體和中老瀾滄號(hào)車體，以及動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架等，如圖7和圖8所示。碳鋼的焊接工藝性優(yōu)于不銹鋼和鋁合金，其電弧焊接接頭的效率能實(shí)現(xiàn)與母材等強(qiáng)。在鋁合金、不銹鋼和碳鋼三種金屬材料中，相同結(jié)構(gòu)形式的碳鋼構(gòu)件焊接變形最小，經(jīng)過多次焊接或者火焰調(diào)修矯形后，其強(qiáng)度損失較小。碳鋼的焊接冶金特性良好、合金體系相對(duì)簡(jiǎn)單，焊接缺陷形成的概率及元素?zé)龘p造成的性能下降等在三類金屬材料中也是最小的，車輛即使發(fā)生裂紋故障，也不像鋁合金材料那樣敏感，可維護(hù)性良好，質(zhì)量控制難度相對(duì)較小，對(duì)操作人員要求也相對(duì)較低，這些優(yōu)點(diǎn)保障了其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。然而，碳鋼作為一種傳統(tǒng)材料也存在明顯的缺點(diǎn)。例如，與鋁合金相比，碳鋼的輕量化優(yōu)勢(shì)不明顯，也無法制成中空型材，這與車輛不斷提升的速度等級(jí)引發(fā)的輕量化需求趨勢(shì)相矛盾；碳鋼的強(qiáng)度低于高強(qiáng)冷作硬化不銹鋼，因而選材厚度大于不銹鋼，且耐蝕能力較弱，需要增加厚涂層和重防腐措施來保證其長(zhǎng)期服役性能，這同樣不適應(yīng)車輛高強(qiáng)、輕量的發(fā)展趨勢(shì)以及綠色、環(huán)保的制造需求。
目前軌道客車碳鋼車體及構(gòu)架幾乎全部采用MAG電弧焊，焊接效果良好，但多層多道的連續(xù)焊接效率較低，層道間質(zhì)量問題也時(shí)有發(fā)生，因此圍繞質(zhì)量控制和焊接效率兩方面也需重點(diǎn)提升。綜合考慮碳鋼構(gòu)件的成本效益，可通過引入雙絲弧焊實(shí)現(xiàn)大熔深、高效焊接。針對(duì)2.5~3.0mm耐候鋼薄板電弧焊變形嚴(yán)重的問題，低熱輸入的電阻點(diǎn)焊、激光焊也具備良好的應(yīng)用前景。針對(duì)碳鋼構(gòu)架中厚板，可通過激光-電弧復(fù)合焊實(shí)現(xiàn)大熔深、小變形、高效率焊接。
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