中国铁道车辆焊接制造技术及发展综述.pdf

现代焊接2 0 0 8 年第8 期 总第6 8 期J-1专题综述T o p i c S u m m a r y随着国民经济的快速发展和人们物质生活水平的不断提高，人们对出行旅游的要求也越来越高，因此给我国交通业带来了巨大的挑战，同时也给铁路车辆的生产带来了前所未有的机遇。由于铁路交通的自身优势，它必将成为人们工作和旅游出行的最佳选择，这就给车辆制造行业提出了更高的品质要求。车辆焊接技术作为车辆制造的关键技术之一，越来越受人们的关注。本文主要从铁路普通客车和高速动车组焊接制造技术、发展两方面进行论述。目前，我国生产的铁路中低速客车主要以2 5 型客车为主，2 5 型碳钢车体钢结构一般分为四大工艺部件，即底架、车顶、侧墙（1、2 位）、端墙（1、2 位）。2 5 型客车车体钢结构为全钢焊接结构，为无中梁薄壁筒形全钢焊接结构，在端墙、侧墙、车顶钢骨架外面和底架钢骨架上面分别焊有1 普通客车车辆1.1 碳钢车辆端墙板、侧墙板、车顶板、纵向波纹地板和平地板，形成一个上部带圆弧、下部为矩形的封闭壳体。壳体内面或外面用纵向梁和横向梁柱加强,形成整体承载的合理结构。整个车体为板梁式侧壁底架共同承载结构，各部件主要由型钢、钢板及压型钢板组焊而成，主要材质为低合金耐候钢和普通碳钢。2 5 型客车碳钢车体焊接制造的主要工艺流程如图1 所示，底架牵枕缓焊接部分采用埋弧焊，侧墙（1、2 位）、端墙（1、2 位）、车顶焊接主要采用熔化极非惰性气体（C O）保护焊。焊接时必须采用合理的焊接工装，主要应考虑坡口的角度、有无钝边、间隙是否合格；控制焊接过程中电流、电压是否符合工艺要求；焊后焊角大小是否符合图纸要求、焊角是否对称、2作者简介：厉呈臣（1 9 8 0-），男，硕士，毕业于长春工业大学机械专业，主要从事铁路车辆制造工艺工作。中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司厉呈臣中国铁道车辆焊接制造技术及发展综述车辆制造厂应开发新型环保材料，选择合理的焊接方法，研制合理的焊接工艺，使用优秀的焊接员工和良好的焊接设备及工装，严格控制焊接过程，实施有效的质量检测，才能生产出优质的铁路车辆，从而推进我国铁路车辆焊接技术的发展。Summary aboutthe welding manufacturing technology of China rolling stocks and its developmentMODERN WELDING TECHNOLOGYJ-2 0 0 8 年第8 期 总第6 8 期2现代焊接专题综述T o p i c S u mma r y有无气孔等。要严格控制焊接变形，焊接装配时预留焊接收缩量。为保证碳钢车辆的表面质量，焊后调修显得异常重要和关键。梁柱调修采用火焰低温加热进行调修，可用支杆进行辅助作业，为保证车体外皮的平面度，一般采用电磁火焰调修的方式，严格控制调修垫板的孔距，最后进行车辆的精细调修，平面度保证在1.5 m m/m 以内。车体采用不锈钢材料是为了提高车体抗腐蚀能力，大大减轻车体重量,同时还可降低制造和维修费用、减少运行能耗，从而减少运行费用。车体采用不锈钢钢结构不是把碳钢改为不锈钢的简单置换，而是其结构设计较普通的碳钢车体有多项重大的改变，制造工艺也完全不同于碳钢车体。目前，国内生产的不锈钢车辆采用的材料多为奥氏体不锈钢，少部分车辆采用铁素体不锈钢。不锈钢车辆因其有较好的撞击性能、轻量化、无须涂装、维护成本低等特点，已成为铁路车辆车体发展的重要方向。为减小焊接变形和防止高温下不锈钢材料机械性能下降，不锈钢车体及其结构件设计多采用电阻点焊工艺设计，车体制造中大量采用电阻点焊技术。每次钢结构生产前，必须做众多的焊接接头试件，通过对接头试件力学性能的测试和焊点断面的破坏性试验来选定点焊的参数范围。不锈钢车体中侧墙板、端墙板、车顶板和地板等采用不锈钢薄板，一般厚度为1.0 1.8 m m，为增加刚度，这些薄板一般被滚轧成波纹板。此外，车体中1.2 不锈钢车辆1.2.1 简介的梁柱普遍为冷压或冷弯型材，为增加刚度，这些型材断面都进行了专门设计。不锈钢表面光洁、美观，无须涂装处理，为保证外观质量，车体外墙板不能调修。不锈钢车体制造基本由以下几部分组成，即底架、车顶、侧墙、端墙以及车体组装。其主要焊接工艺流程如下：底架：牵枕缓组焊骨架组焊（点焊）调修安装波纹地板。底架的主要受力部件底架端部牵枕缓与普通碳钢车基本相同，材料选用高强度的耐候钢板制造，主要采用气体保护焊进行焊接。底架其他部件均选用不锈钢材料，采用电阻点焊的焊接方法。耐候钢与不锈钢连接部分不能采用点焊进行焊接，主要采用手工电弧焊。车顶：骨架部件组成骨架组成安装波纹顶板（点焊）安装两次骨架。车顶焊接一般采用正装胎位，弯梁与边梁采用龙门式双面点焊机点焊,弯梁与波纹顶板之间采用龙门式单面双点焊。波纹板与弯梁采用全自动车顶数控点焊机完成上述点焊连接。侧顶板与弯梁之间采用钳式点焊机焊接。侧墙：骨架部件组成（点焊）骨架组成安装墙板（点焊）。侧墙作为影响车体外观的重要部件，对焊接的要求更加严格，为保证侧墙的平面度，主要采用单面点焊的工艺进行焊接，焊接时主要由自动点焊机完成，严格控制焊接电流，减少热的输入量，保证侧墙的表面质量。端墙（二次骨架）：端墙骨1.2.2 不锈钢车辆焊接制造技术1.2.2.11.2.2.21.2.2.31.2.2.4架组成外板安装（点焊）。端墙骨架的连接多采用熔化极惰性气体保护焊的焊接方式，端墙骨架与外皮板之间则采用点焊进行焊接，对焊接质量要求相对不高。车体组装：各部件送到车体总成台位进行组焊（点焊）调修小件安装交验。车体各大部件完成后，将各大部件送至总组装胎位，装配时主要考虑车体底架的挠度，焊接时主要采用单面点焊的焊接方法，结构上难以处理的地方则采用环形焊或塞焊以保证车体的表面质量。由于不锈钢车体主要采用电阻点焊的焊接方法，所以对车辆的密封性有一定的影响。同时，电阻点焊过程是一个高度非线性、多变量藕合和大量随机不确定因素的过程，又由于点焊的形核处在封闭状态而无法直接观测，特征信号的提取相当困难，而且形核时间较短。焊接条件短时间的波动就会造成严重后果，对车体的表面质量有巨大的影响。铝合金具有质量轻、耐腐蚀、外观平整度好、容易制造复杂曲面、强度高等优点，于是铝合金型材在高速动车组车辆上得到了广泛的运用。近年来特别是进入2 0 世纪9 0 年代，与车体等长的多品种大型中空挤压型材的出现使铝合金成为生产高速列车的主导材料。铝合金车体的优势主要有简化制造工艺、减少许多小部件的制造过程、减少焊缝的数量与长度、节省1.2.2.51.2.3 存在的问题2 高速动车组铝合金车辆2.1 简介MODERN WELDING TECHNOLOGY现代焊接2 0 0 8 年第8 期 总第6 8 期J-3专题综述T o p i c S u m m a r y金属和焊接工作量。同时减少了环境污染，减重效果好，耐腐蚀性可降低维修费用，具有良好的运行品质。铝合金导热系数、热容量以及热膨胀系数较大，且易被氧化，焊缝易产生未熔合和有气孔的焊接缺陷，这对焊接技术提出了巨大的挑战。目前,铝合金车体焊接主要以熔化极惰性气体保护电弧焊（M I G）为主，在长焊缝焊接中则引入了激光-M I G 焊接技术,钨极惰性气体保护电弧焊（T I G）则主要用于修补焊接，惰性保护气体主要采用氩气（A r）和三元混合气体。为提高效率，车体总成则采用焊接专机进行焊接，专机根据制造理念，设计成龙门式、悬臂行走式、中心导向式和仿行式。根据焊缝跟踪要求，配置激光传感器、机械传感器，根据焊接量和变形的需求，配置双丝焊和单丝焊。铝合金车体焊接制造工艺流程如图2 所示。车体各大部件都采用大型中空铝合金挤压型材焊接而成，其中底架前端、端墙则采用挤压型材和铝板材焊接而成，主要采用熔化极惰性气体保护电弧焊（M I G）。车体各大部2.2 铝合金车体焊接制造技术2.2.1 焊接方法及车体制造流程件焊接过程主要采用变位工装进行正面与反面焊接，增加了工作效率，有效地控制了部件的变形。其中主要采用焊接机械手和焊接专机进行焊接，图3 所示为由挤压型材组成的整体地板。铝和氧的亲合力很强，铝在空气中极易与氧化合生成致密结实的A l O薄膜，膜厚约0.1 m。A l O的熔点远远高于铝以及铝合金的熔点（5 0 0 6 0 0）。在焊接过程中，氧化膜会阻碍金属之间的良好结合，易造成夹渣。氧化铝膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。因此，为保证焊接质量，焊前必须严格清理焊件表2.2.2 铝合金焊接关键技术2.2.2.1 铝合金特点2 323面的氧化物，并防止在焊接过程中再次氧化。首先清理焊接区域，然后用风动角磨机配合不锈钢碗刷，对型材插接口位置进行打磨，去除铝合金型材表面的氧化膜，打磨宽度在1 5 2 5 m m 范围内，在打磨区域内不允许有氧化膜。由于铝合金膨胀系数较大，焊接过程较长，焊接前使用工装夹具，对部件进行固定，控制焊接过程铝型材的变形量。在装夹过程中严格控制焊缝的间隙。对长焊缝采用段焊的方法进行固定，点固顺序从侧向定位一侧向另一侧逐条焊缝进行点固，控制点固间隔距离，错边的调整通过锤击配合点焊或配重。点焊后，对点焊位置进行清理，首先将点焊位置磨平，之后用工具对点焊位置进行抛沟，最后再用直磨机配合旋转锉将起、收弧位置进行清理，使之圆滑过渡至没有起、收弧缺陷。焊接过程应根据铝型材的特点，严格控制焊缝的焊接顺序，如图4 为地板焊缝焊接顺序，合理的焊接顺序是成形的关键，在焊接过程中监测自动焊机的各项参数，保证焊接质量。铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透2.2.2.2 焊前准备2.2.2.3 焊接过程2.2.2.4 垫板及引弧板图铝合金车体焊接制造工艺流程2MODERN WELDING TECHNOLOGYJ-2 0 0 8 年第8 期 总第6 8 期4现代焊接专题综述T o p i c S u mma r y而又不致下塌，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属，在焊接型材起始和终端加引弧板。在焊接过程中，如果始终采用均一电流，在起弧时，由于电流相对较小，会出现焊接未熔合的现象；而在收弧时，由于电流相对又较大，铝的导电性又很强，导致收弧有弧坑，填充量小。解决这种问题，通常采用加大起弧电流，减小收弧电流的方法。铝合金部件焊接后需要进行焊缝检测，主要方法有目测检测（V T）、射线检测（R T）和渗透检测（P T）,如果不合格需要返修。剖开缺陷区域,然后返修焊接，返修焊接完成后继续进行检测，直到合格为止。由于铝合金是热时效强化铝合金,过高温度的加热，会使铝合金失去强度，但温度不够，焊接变形又很难调修到标准要求的范围。为解决这一问题，采用外力将变形强制压回到相反力方向，这时的变形全是弹性变形，然后加热，由于热使屈服点降低，这时一部分弹性变形就会转化为塑性变形，从而实现焊接变形调修。采用火焰调修，如图5 所示，调修前首先分析工件变形趋势确定要加热的焊缝，调修时用火焰调修枪加热焊缝部位，加2.2.2.5 焊后检测2.2.2.6 焊后火焰调修技术热温度一般不允许超过2 0 0，在加热过程中必须使用测温仪随时对加热温度进行检测和控制。世界现代焊接技术以高效、节能、优质及工艺过程数字化、自动化、智能化控制为特征。在国内，无论是从目前焊接设备和材料产量构成比的发展趋势看，还是从焊接设备和材料的制造技术与发展方向上看，我国现代焊接技术已有很大发展，部分产品技术已达到或接近国际先进水平。我国现代焊接技术将继续向着高效、节能、机电一体化和成套焊接设备以及规模化生产方向发展：波控、智能及自动、半自动焊接技术快速发展；成套、专用焊接设备整体制造能力与水平有较大提高，表现出较好的势头；焊接材料生产水平迅速增长，产品结构变化较大。激光焊接是通过聚焦高能量的激光束，一边移动、一边照射到接合构件的表面进行高速焊接的方法。由于能将加热范围控制在极小的区域，所以热变形极小，而且能精确地控制焊接条件。激光焊接的焊接速度是电阻点焊的5 倍以上，能使不锈钢板熔化成一体的搭接激光焊接，焊接强度比普通的电阻点焊焊接高出1 倍左右，发展激光焊接在不锈钢车体上的应用，将快速提升我国铁路车辆制造水平。搅拌摩擦焊（F S W）经过十几年的研究发展，国外已经在航空制造、船舶制造和高速列车制造等领域得到了很好的应用。试验证明，F S W焊接与M I G 焊接强度比较，F S W焊接强度明显高于M I G 焊接。目前，国内的搅拌摩擦焊主要科研院所还处于研究和3 铁路车辆焊接的发展与展望试验阶段，还没有成功应用到铁路车辆制造企业中。搅拌摩擦焊虽然已经成功应用到铝及其合金焊接上，但在国内高速动车组车体上还没有得到成功应用，国内应根据高速动车组铝合金车体的特点，很好地结合实际，尽快开发大型搅拌摩擦焊焊接型材，同时为了实现空间焊接作业，应尽快研究开发搅拌摩擦焊焊接机器人，争取早日实现高速动车组铝合金车体焊接工业化。目前，我国铁路交通业正处于快速发展的阶段，通过技术的提高，降低交通工具对能源的需求，提高旅客乘车环境，对我国的稳定发展具有重要的意义。车辆制造厂应联合研究院所开发新型环保材料，选择合理的焊接方法，研制合理的焊接工艺，使用优秀的焊接员工和良好的焊接设备与工装，严格控制焊接过程，实施有效的质量检测，才能生产出优质的铁路车辆，从而推进我国铁路车辆焊接技术的发展。4 结束语参考文献 1 中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册第2 卷 M .北京:机械工业出版社.1 9 9 2.2 韩国明.焊接工艺理论与技术.北京，机械工业出版社2 0 0 7.3 3 李刚卿，韩晓辉，不锈钢车体的焊接工艺及发展.机车车辆工艺，2 0 0 4（1）4 吴俊.5 0 5 2 铝镁合金的焊接工艺分析.石油化工建设，2 0 0 6（1）5 赵小宁,谈不锈钢车辆制造技术 J .工程建设与设计，2 0 0 4（7）6 平岛利行，车体的不锈钢搭接焊技术和口琴式铝型材的F S J 技术.国外机车车辆，2 0 0 7.5 7 王炎金，铝合金车体制造关键技术研究.焊接，2 0 0 7.7 8 栾国红，郭德伦，关桥，等.飞机制造工业中的搅拌摩擦焊研究 J .航空制造技术，2 0 0 2,（1 0）图5 火焰调修技术