钢铝复合轨拼配与焊接技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 27 日 作者简介：付先武（1991），汉族，陕西安康人，大学本科，工程师，研究方向为生产制造。-91-钢铝复合轨拼配与焊接技术研究 付先武 中铁建电气化局集团科技有限公司，河北 保定 074000 摘要：摘要：钢铝复合轨道作为现代轨道交通领域的重要创新，能够提升轨道系统的性能，并带来环境和经济效益的提升。本文综合研究了钢铝复合轨拼配与焊接技术，重点关注了钢铝复合轨的概念、结构特性、及其材料特性。并深入探讨了摩擦搅拌焊和爆炸焊接两种焊接技术的差异以及他们在钢铝复合材料中的应用。希望本文能够为理解钢铝复合轨的制造过程提供了全面的视角。关键词：关键词：钢铝复合轨拼配；爆炸焊接；摩擦搅拌焊 中图分类号：中图分类号：U213.2 0 引言 钢铝复合轨道作为现代轨道交通领域的重要创新，能够提升轨道系统的性能。这种中采用的复合材料融合了钢的高强度和耐久性以及铝的轻质和导电性，使得轨道系统更加高效和可靠1。然而，钢铝复合轨的制造涉及多种复杂的技术挑战，特别是在焊接技术的应用方面。因此，深入了解不同焊接技术及其在钢铝复合材料中的应用，对于推动这一领域的技术进步具有重要意义。1 钢铝复合轨的概念与特性 1.1 钢铝复合轨的定义和结构特征 钢铝复合轨是一种创新型轨道材料，由钢和铝两种金属复合而成，充分结合了这两种材料的优异特性。它的结构通常包含一个坚固的钢核心和外层的铝合金，钢核心提供必要的强度和耐久性，能够承受重载和长期的使用磨损，而外层的铝合金则拥有较轻的重量和良好的导电性，有助于减轻整体重量并提高能效。这种复合结构提升了轨道的整体性能，使载荷能力更强，耐腐蚀性也更好，此外，热膨胀特性也得到了一定的优化，使轨道在不同温度下都能保持稳定的性能2。钢铝复合轨相比传统铁轨，还能有效降低噪音和振动，改善乘坐舒适度和减少对周围环境的影响，综合来看，钢铝复合轨被视为现代轨道交通领域的一项重要技术创新，具有广泛的应用潜力。1.2 材料特性 钢铝复合轨道结合了钢和铝这两种材料的独特物理和化学特性，形成了一种高性能的轨道材料。钢，作为复合材料的主要成分之一，以卓越的强度和韧性而闻名，能够承受高负载和持续的磨损，同时具有良好的耐腐蚀性和耐热性。另一方面，铝以其轻质、高导电性和良好的抗氧化特性著称，这些特性使得铝合金在减轻轨道重量、提高能效方面发挥着关键作用。铝的热膨胀系数高于钢，这在复合材料中通过适当的设计可以用来平衡和调节热应力，从而提高轨道在不同温度下的稳定性。综合这些特点，钢铝复合轨道不仅实现了重量轻、强度高的优势，而且具备了优异的耐久性和适应性，适用于各种恶劣的环境和复杂的应用场景3。因此，钢铝复合轨道是现代轨道交通领域的一项重要技术突破，为提高轨道系统的性能和效率提供了新的可能性。1.3 钢铝复合轨的优势 1.3.1 重量轻 钢铝复合轨的一个显著优势是其轻量化特性，由于铝合金的密度远低于传统的钢铁材料，复合轨道在保持必要的机械强度和耐久性的同时，大大减轻了重量。这种重量的减轻对于提高轨道交通的能效尤为重要，因为它直接减少了运行中的能源消耗和动力需求。轻量化的轨道不仅使得列车加速和减速更为高效，还有助于降低基础设施的承载要求，从而减少对桥梁和隧道等结构的压力4。此外，轻质轨道的运输和安装也更为方便，能够在建设和维护过程中降低成本和时间消耗。1.3.2 强度高 钢铝复合轨的另一个优点是其出色的强度，钢材的引入提供了极高的强度和韧性，使轨道能够承受持中国科技期刊数据库 工业 A-92-续的重载和高速运行带来的压力。这种高强度保证了轨道的长期稳定性和耐久性，特别是在面对恶劣天气条件和地理环境时。此外，钢铝复合材料的结构设计还能有效分散载荷和压力，进一步提升轨道的整体性能和可靠性。由于这些特性，钢铝复合轨在高速铁路、城市轻轨等多种交通系统中展现出了卓越的适用性和耐久性，从而成为现代轨道工程的理想选择。1.3.3 耐腐蚀性 耐腐蚀性是钢铝复合轨的另一大优势。由于铝合金具有良好的抗氧化特性，它能有效抵抗潮湿和盐分等环境因素导致的腐蚀。这一特性使得钢铝复合轨道尤其适用于海边或其他高腐蚀环境中，极大地提高了轨道的使用寿命以及稳定性。同时，铝合金的这一特性还减少了维护的频率和成本，因为不需要频繁涂刷防腐材料或更换受损部分。此外，铝合金在抵御化学侵蚀方面的表现也优于传统的钢铁材料，进一步增强了复合轨道的适用性和经济效益。因此，钢铝复合轨道不仅提高了铁路系统的性能，也为轨道维护和长期运营提供了便利。2 焊接技术概述 2.1 焊接技术的基本原理 焊接技术是一种通过局部加热或塑性变形来连接金属或其他热塑性材料的工艺。基本原理涉及将材料加热至其熔点或接近熔点的温度，从而使接触的金属边缘熔化并融合在一起。在某些焊接方法中，还可能加入额外的填充材料，以增强焊缝的强度和稳定性。焊接过程中，热量可以通过多种方式产生，例如电弧、气体火焰、激光、电子束或摩擦。随着材料冷却和固化，焊缝形成，从而实现了坚固的连接。焊接技术的关键在于精确控制加热和冷却过程，以确保焊缝的品质和材料的完整性。不同的焊接技术，如电弧焊、气体焊、激光焊等，各有其特点和适用领域，但它们共同构成了现代制造和建筑行业不可或缺的组成部分。2.2 不同焊接方法的比较 2.2.1 摩擦搅拌焊 摩擦搅拌焊（Friction Stir Welding,FSW）是一种相对较新的焊接技术，主要用于铝合金和其他非铁金属的焊接。这种技术的核心在于使用非消耗性的旋转工具来加热材料。工具的旋转和压力产生摩擦热，使材料软化但不至于达到熔点5。随后，工具沿着焊缝路径移动，通过搅拌和挤压使材料混合并凝固，形成坚固的接头。摩擦搅拌焊具有多种优势，如低热输入、高生产效率、良好的焊缝性能和环境友好性。它特别适用于高强度铝合金的焊接，因为这些材料在传统熔化焊接过程中容易产生缺陷。此外，FSW 还减少了变形和残余应力，提高了焊缝的整体品质以及耐久性。2.2.2 爆炸焊接 另一种独特的焊接方法是爆炸焊接，这是一种利用控制爆炸产生的高速撞击能量来焊接材料的技术。在这个过程中，将一层薄金属板放置在要焊接的基材之上，然后使用爆炸物在其上方引爆。爆炸产生的高压和速度使得薄板高速撞击基材，从而在两种材料之间形成了强固的冶金键。爆炸焊接技术特别适用于不同金属之间的焊接，尤其是那些因为熔点或化学性质差异而难以通过传统焊接方法连接的材料。这种技术可以实现高标准的焊接，而且焊接过程中产生的热影响区较小，因此不会对材料的原有性能造成太大影响。然而，由于其复杂性和对性能控制的高要求，爆炸焊接通常只在特殊的应用场景中使用，如图 1 所示。2.2.3 MIG 焊接 金属惰性气体焊接（Metal Inert Gas Welding,MIG），也称为气体金属电弧焊（Gas Metal Arc Welding,GMAW），是一种高效且广泛应用的焊接技术，它主要是利用连续送进的焊丝和惰性气体（如氩气）来保护焊缝免受大气污染。MIG 焊接的主要特点是其操作的便捷性和高效率，特别适合于长时间的连续焊接作业，还能够提供出色的焊缝质量和较低的热输入，减少了材料变形和残余应力，特别适用于薄板材料的焊接。它在自动化和半自动化生产线中的应用尤为广泛，能够在保持高生产效率的同时具有较好的焊缝的均匀性和强度。MIG 焊接在钢铁、铝以及其他非铁金属的焊接中都表现出色，特别是在需要快速生产和精确控制焊接质量的场合，如汽车制造、船舶建造和结构钢工程。此外，MIG 焊接的灵活性也使其能够适应各种复杂的焊接位置和角度，进一步扩展了其应用范围。2.3 焊接技术在钢铝复合材料中的应用 钢铝复合材料具有独特的物理和化学特性，因此焊接过程中需要进行精确的控制，选择适宜的技术。钢和铝的熔点不同，钢的熔点高于铝，这在焊接过程中可能会导致铝过热而钢未能充分熔化。此外，两种中国科技期刊数据库 工业 A-93-材料的热膨胀系数和电化学性质的差异也可能导致焊缝区域的应力集中和腐蚀问题。图 1 MIG 焊接示意图 MIG 焊接（金属惰性气体焊接）作为一种常用的焊接方法，在钢铝复合材料的焊接中展现了独特的优势。MIG 焊接是一种电弧焊接技术，它使用一个连续的可熔化的电极和惰性或半惰性的气体来保护焊接区域免受大气污染，在钢铝复合材料的焊接中，MIG 焊接可以通过调节焊接参数来适应不同材料的特性，如调整电流强度、电弧长度、焊接速度和保护气体的流量。为了解决钢铝焊接中的亲和性问题，MIG 焊接通常采用特殊的填充材料，如添加硅、镁或其他元素的合金焊丝，从而能够改善铝与钢的结合。这种填充材料有助于减少焊缝区域的脆性，并提高焊接接头的机械性能。除此之外，为了避免过度热量造成的材料变形或弱化，焊接过程中也应控制好热输入。MIG 焊接在钢铝复合材料的连接方面也展现了一些优势，例如，在地铁或轻轨车辆等现代轨道交通车辆的制造中，钢铝复合材料被广泛用于车体结构中，能够实现重量轻和强度高的目标。在这些应用中，MIG焊接提供了一种高效率、可靠性高的焊接解决方案，通过精确的焊接技术和适当的焊接材料选择，可以在保证结构强度的同时最大限度地减少材料的损耗和变形。总之，MIG 焊接在钢铝复合材料中的应用展现出了它独特的技术优势，随着焊接技术的不断进步和材料科学的发展，未来 MIG 焊接在钢铝复合材料领域的应用前景将更加广阔。3 钢铝复合轨的拼配与焊接过程 3.1 拼配过程的技术要求 钢铝复合轨的拼配过程是一个精确且技术要求高的工序，涉及到多个关键参数以确保最终产品的品质和性能。首先，在选择钢和铝材料时，必须考虑两者的兼容性。钢核心通常选用高强度、耐磨损的钢材，而外层铝合金则需具有良好的抗腐蚀性和较低的密度。这样的材料组合既能提供所需的机械强度，又能保持轨道的轻量化特性。在实际拼配过程中，对接触面的处理尤为关键。接触面必须清洁、无油污且粗糙度适中，以增强焊接时的金属间结合力。此外，对材料的预处理也很重要，例如预热或应力消除处理，以降低焊接过程中的热应力和变形。钢和铝的热膨胀系数差异较大，因此在拼配时需精确计算并调整预热温度和时间，以确保焊接过程中材料的兼容性和稳定性。焊接参数的设置也至关重要。例如，在摩擦搅拌焊（FSW）中，工具的旋转速度、进给速度和下压力都需要根据材料的特性精确控制。过高的旋转速度可能导致材料烧损，而过低则可能导致焊缝不充分。进给速度和下压力的适当调整有助于实现均匀、无缺陷的焊缝。在整个焊接过程中，实时监控焊接温度和压力是保证焊缝达标的关键，因为这直接影响到焊缝的形成和金属的晶粒结构。最后，焊后的冷却过程也不可忽视。由于钢和铝的热导率不同，它们在冷却时的收缩率也不同，因此需要精心控制冷却速度，以防止焊缝产生裂纹或应力集中。整体而言，钢铝复合轨的拼配过程涉及到一系列复杂的技术要求和精确的参数控制，这些都是确保最终产品达到预期性能和品质标准的关键因素。3.2 焊接工艺流程 钢铝复合轨的拼配焊接工艺是一个多步骤的精密过程，涉及从材料准备到焊接完成的一系列环节，如图 2 所示。首先是材料准备阶段，在这一阶段中，会确定好具体的钢和铝材料，并对其实施必要的预处理，首先要情节好材料表面，随后进行研磨和预热处理，使焊接状态保持最佳。在此过程中需要重点关注的是预热处理，良好的预热处理可以减少焊接过程中产生的热应力，从而避免出现材料变形。中国科技期刊数据库 工业 A-94-接下来是焊接准备阶段，在这一阶段，钢和铝材料被精确地放置在焊接设备中，并进行最终的对接。根据材料特性和所需的焊接目标来调整温度、压力、焊接速度等焊接参数，此外也要对焊接设备进行校准，以确保焊接过程的准确性和重复性。第三步是进行焊接，根据钢铝复合材料的特点通常会采用摩擦搅拌焊（FSW）或其他适合的焊接技术，在焊接过程中，应持续监控焊接参数和焊缝的品质，要确保焊接均匀性良好并无缺陷。焊接完成后，需要对焊缝处进行冷却处理，目的是减少焊接应力和潜在的变形。焊接后处理是最后一个阶段，在这个阶段中，需要对焊缝进行全面检查，去除焊接所产生的毛刺和焊渣，必要时也要进行后续热处理，这些步骤能够共同确保焊接接头的使用性能以及品质，并符合钢铝复合轨道的应用标准。图 2 焊接流程图 4 结语 通过对钢铝复合轨拼配与焊接技术的全面研究，我们得出了几个关键的认识：首先，钢铝复合轨通过焊接热应力的作用将钢铝结合为一整体。其次，不同的焊接技术，尤其是摩擦搅拌焊和爆炸焊接，在钢铝复合材料的制造中各自适应着不同的应用场景和要求。最后，精确的工艺流程和技术参数控制是确保钢铝复合轨品质和性能的基石。未来的研究应集中于优化现有的焊接技术和开发新的焊接方法，以进一步提高钢铝复合轨的性能和制造效率，满足日益增长的轨道交通需求。参考文献 1牛峰琦.城市轨道交通钢铝复合接触轨供电系统发展综述J.科技资讯,2023,21(7):40-43.2解智.钢铝复合导电轨钢带表面清洁度分析与研究J.中国金属通报,2022(11):114-116.3冀炎,张晶.钢铝复合轨生产及不锈钢带冲孔冷弯技术的应用J.锻压装备与制造技术,2020,55(6):127-132.4黄倩.钢铝复合轨焊接温度场及应力场数值模拟J.中国金属通报,2020(11):102-103.5刘岗.钢铝复合轨在北京市轨道交通大兴线工程中的应用J.铁道标准设计,2011(01):119-122.6蒋慧平,董霖.钢铝复合轨/受电靴摩擦热与接触电阻热耦合的温度场有限元模拟研究J.润滑与密封,2010,35(01):45-48.