轨道交通制造焊接市场需求和关键焊接技术

长春轨道客车股份有限公司 （吉林 130062） 王春生

王春生：长春轨道客车股份有限公司 总工艺师

一、轨道交通行业的发展现状及趋势

近十年以来是中国轨道客车装备研制水平发展最快的时期，十年前，轨道客车产品主要是碳钢材质的普通铁路客车或城铁车，结构相对单一。现如今，轨道客车产品结构已十分丰富，形成了适合不同速度等级、不同档次水平、不同牵引方式，能满足各层次用户需求的多样化、梯次化的产品结构，涵盖了普通铁路客车、城铁车和新一代高速动车组。特别是不锈钢和铝合金车体制造技术的应用开发和转向架构架自动焊技术的推广，也使国内的焊接技术实力和焊接装备有了显著提高，使轨道客车制造业技术装备及技术应用达到了国际先进水平。

二、轨道交通制造所涉及的焊接技术

1. 不锈钢和碳钢车体方面

在铁路客车制造的前期发展阶段，车体钢结构仍以碳钢为主，多为国产铁路客车专用的耐候钢。使用的焊接技术主要以焊条电弧焊和传统的CO2气保护焊为主要工艺手段，同时开发的激光焊工艺、螺柱焊工艺、机械手自动焊工艺在小范围内参与生产。

随着生产和技术的不断发展，在铁路车辆的制造过程中，焊接工艺也得到了快速的发展，传统的焊条电弧焊工艺和CO2气体保护焊已被新的焊接工艺所取代，但新工艺所应用的范围和所占比例却有所不同。在不锈钢车体钢结构方面，制造过程中所应用的压焊技术主要有点焊工艺技术、缝焊工艺技术；熔焊技术主要有熔化极非惰性气体保护焊（电流可为普通直流、脉冲直流）、非熔化极惰性气体保护焊、螺柱焊和激光焊工艺等；钎焊技术使用的较少，仅仅在少量位置和结构存在氧乙炔焰焊接。

在不锈钢钢结构中所使用的焊接工艺方法可以概括为：以点焊工艺技术为主线，并在整个制造中所占比例在70%以上，同时部分结构使用缝焊工艺技术；熔焊技术主要以MAG焊工艺和TIG焊工艺为主（见图1），同时开发应用螺柱焊、激光焊等。

图1 点焊工艺与熔化极气体保护焊工艺

在不锈钢结构的制造中，点焊工艺技术、MAG焊、TIG焊等焊接工艺得到了大范围的使用，考虑到不锈钢材质自身的材料特性和结构特点，点焊工艺在整车的制造中有着不可替代的作用，根据不锈钢车体结构和材料特点，点焊设备具有焊钳刚性大，焊接电流和加压力大，焊点成形外观美观，质量稳定可靠等要求。点焊工艺依据焊钳形式可分为单面双点工艺和双面单点工艺，按形式又可分为轻便式点焊机、定置式点焊机及移动式点焊机等，并在实际制造中以移动式点焊机为主线，轻便式点焊机、定置式点焊机配合使用进行生产；并在产品中充分体现了点焊工艺的技术特点：焊点规整美观、焊接变形小、结构尺寸好；同时，MAG焊工艺在普通直流和脉冲直流等形式上应用也得到了大范围推广，焊接电源多采用数字逆变电源，具有熔滴过渡稳定，成形美观、效率高等技术特点。

2. 铝合金车体方面

（1）铝合金车体焊接技术的发展 首先，简易自动焊：铝合金材料用于轨道车辆车体结构始于20世纪70年代初期，由于受当时焊接技术的制约，没有很好的焊接自动化装备，开发一些简易自动焊设备用于部件焊接，最初常用的有轨道自动焊、中心导向自动焊、仿形自动焊。简易自动焊方法被现代技术已取代，但其意义和理念对当前焊接技术发展影响较大。

其次，专机自动焊：在焊接铝合金车体大部件上，专机从结构上分为悬臂专机、龙门专机、吊挂专机等形式，从焊缝跟踪方式上又分为机械跟踪、激光跟踪两种方式，从送丝上又分为单丝和双丝焊接。专机最大的特点是调节简单，操作容易，维护方便；缺点：一是专机枪头锁紧机构频繁使用，牢固性差，焊接运行过程中，对中性不好，需要操作者人工干预；二是专机持枪机构稳定性较差，行走过程震动会带来焊缝表面纹理不均，质量相对较差。

最后，机械手自动焊接：机械手焊接铝合金车体大部件主要采用龙门式和悬臂式两种方式，在焊缝跟踪上，采用激光跟踪的方法，机械手焊接大部件普遍采用双丝，单丝焊接一般用在初期设备系统上。机械手焊接最大的优点是持枪结构牢固，焊接过程稳定，焊接状态一致性容易保证，焊接质量好。机械手焊接的最大缺点是更换焊丝慢，操作复杂度高，维护难。机械手和焊接专机在应用上，根据企业自身条件灵活运用，都能达到最终的目标。

（2）铝合金车体制造技术的关键技术 全铝结构铝合金车辆已经广泛用于我国铁路车辆动车组制造业和城市轨道交通车辆制造业，在车辆制造过程中，研究铝合金车体综合技术是制造铝合金车体技术的关键。

1996年开始，国内企业对车辆用铝合金型材进行技术开发，经过16年的铝合金大型型材的基础产业研究，在国内关键材料配套上已经实现国产化铝合金车体结构，铝合金车体大量采用型材拼接，接头长而规则，便于自动化作业的实现，在该行业已大量使用各种自动焊技术，目前多采用MIG双丝自动焊，如图2所示。

图2 MIG双丝自动焊设备

（3）铝合金车体产品的发展现状 铝合金车体在高速铁路车辆制造上具有其他材料不可替代的功能，因此铝合金车体发展速度非常快。目前，在欧洲城市轨道车辆市场，铝合金车体占据了70%的市场份额，在日本，不锈钢和铝合金城市轨道车辆各占据了50%的份额，而在高速铁路市场，铝合金车体几乎占据了世界95%以上的市场份额。

我国开发铝合金车体起步比较晚，1989年开发了首辆铝合金地铁车体，由于该车体在设计上采用了板梁结构、制造工艺繁琐、平整度差、成本高，因而没有在市场上得到大面积推广使用。

2001年，笔者公司建成了国内第一条铝合金车体自动化焊接生产线，并利用国产材料，先后开发制造了210km/h铝合金车体电动车组、270km/h铝合金高速试验列车、武汉地铁、广州二号线地铁、深圳地铁、上海地铁、重庆单轨及天津地铁等铝合金车体。国内青岛四方车辆厂、南京蒲镇车辆厂、株洲电力车辆厂及唐山车辆厂等也相继建立生产线，开始生产铝合金车体，国内铝合金车体的发展和用户对铝合金产品的要求进入高潮期。

2004年，在中国铁路总公司（铁道部）组织下，国内铁路客车制造商中国北车集团公司和中国南车集团公司分别从法国阿尔斯通、日本铁路联合体、德国西门子和庞巴迪等公司引进高速动车组CRH5、CRH3、CRH2和CRH1。这些动车组运行于京广、京哈等铁路干线，为缓解中国铁路运营能力问题起到了积极作用。

3. 转向架构架焊接

转向架构架主要采用低合金钢16MnR、Q235、Q345或欧洲标准中的S355J2G3，随着高速列车技术的发展，改良耐候结构钢S355J2W+N越来越多使用到高速车和A型地铁中。构架由横梁、侧梁、牵引梁和电动机吊座、制动吊座等众多小件组焊而成，结构的复杂性和材质的焊接性决定了焊接工艺的现状。

转向架构架焊缝较多且板材较厚，除部分管夹等小件外，主要部件为8mm以上的厚板，多采用多层多道焊接。目前，侧梁外部长大焊缝采用机械手单丝或双丝MAG焊（v135），部分小件弧形及环形焊缝采用小型机械手自动焊，其余机械手难以完成的焊缝均采用手工MAG焊（135），少数焊缝质量等级高而机械手又难以完成的焊缝或者焊缝缺陷修补时使用手工TIG焊接（141）。此外，还有少量填充量大的焊缝使用药芯焊条进行焊条电弧焊接（111）。

三、“十二五”期间行业发展对焊接装备与焊材的需求

1. 不锈钢和碳钢车体方面

在“十二五”期间，轨道车辆在焊接技术方面有了长足的进步和发展，车体的结构和质量有较大的提高，随着车辆的发展，需求的焊接装配、所使用的材料、焊材等方面均有较大的变化和提升，同时也提出了更高和更详细的要求。

在工艺装备方面，随着焊接技术的多元化发展，焊接装备种类也随之变化，传统的焊条电弧焊设备和CO2气体保护焊设备逐渐被淘汰，在焊接装备的成套性、自动化程度、制造精度和整体质量等方面的要求明显提高，要求焊接装备具有高精度、高可靠性、集成智能化和多功能化等特点。在轨道客车制造领域，点焊工艺设备要求其更加自动化、数字化，并保证设备具有良好稳定的控制系统，以保证其在焊接过程中参数稳定，确保点焊焊点的表面质量；在MAG焊工艺设备上要求焊接电弧稳定、熔滴过渡稳定，即具有一套稳定的控制系统，并充分智能而又不繁琐，熔化焊智能设备中脉冲电源方式焊接可以在生产中尝试推广使用，同时在传统的TIG焊工艺上要求其开发半自动焊或自动焊技术，使其同时具有MAG焊高效率和传统TIG焊的高质量。

在使用的母材上也有较大变化，与传统使用的碳钢材质05CuPCrNi－A/B/C/D、09CuPCrNi－A/B/C/D、Q235、Q345相比，焊接母材也体现要求更高的金属材料，如高拉伸强度、高冲击韧性等，不同的板厚范围，如碳钢材料S355J2G3、S500MC高强钢、Q690D/E 高强钢及铸钢材质等；不锈钢材料SUS301L材质系列和06Cr19Ni10等。

随着母材的变化，传统焊条的使用已日趋减少，所使用的焊丝材料和保护气体也应该满足其要求，主要匹配使用的常用焊丝有ER44－8（Ⅱ）、ER50－6、ER70S－G、ER90S－G、 ER100SG、ER308LSi、ER309LSi和ER308L等；根据采用的焊接工艺方法对焊接保护气体的使用进行确定，常见匹配使用的保护气体有Ar99.99%、Ar99.999%、Ar97%+3%O2、Ar80%+20%CO2、Ar97.5%+2.5%CO2等。通过金属母材、焊丝材料以及保护气体的正确配置，来实现高质量的焊接，制造出高质量的焊接结构产品。

2. 铝合金车体方面

目前，全铝结构铝合金车辆已经广泛用于我国铁路车辆动车组制造业和城市轨道交通车辆制造业，在车辆制造过程中，由于结构大量采用型材拼接，接头长而规则，便于自动化作业的实现，因此大量使用各种自动焊技术。

尽管国内企业近年来对焊接自动化装备的投入较大，但是焊接自动化的使用比例仍较低，企业现有自动化焊接设备（含焊接机器人）占总焊接设备的比例为10%～15%。而国外同行业的先进企业焊接自动化设备占焊接设备的比例为50%以上，部分已达到90%，因此中国焊接自动化市场发展空间巨大。

采用机械手焊接铝合金车体是在2002年获得迅速发展的，机械手由于标准化程度高，持枪牢固等原因，这些年在铁路行业大量使用，占新投设备的80%以上。随着机械手的大量使用，双丝焊送丝机构悬挂问题变得简易，双丝MIG焊焊接技术获得迅速推广。

在铝合金车体焊接领域，大部分使用5×××、6×××、7×××系列的时效强化型铝合金。随着母材的变化，所使用的焊丝材料和保护气体也应该满足其要求，和其进行匹配，焊材与结构中使用的母材匹配性主要从抗拉强度匹配、化学元素匹配等方面考虑，主要匹配使用的常用焊丝有ER5087、ER5183、ER5083等；根据采用的焊接工艺方法对焊接保护气体的使用进行确定，常见匹配使用的保护气体有Ar99.99%、Ar99.999%、Ar80%+20%He+N等。通过金属母材、焊丝材料以及保护气体的正确配置，来实现高质量的焊接，制造出高质量的焊接结构产品。

3. 转向架构架焊接

在转向架焊接工艺装备方面，随着制造行业的发展，焊接装备也趋于自动化、智能化发展。弧焊焊机从普通交直流焊机向逆变、脉冲技术发展，焊机可实现一机多用，同时具备MAG、焊条电弧焊、TIG焊等功能，并且内置了各种焊接专家程序，以保证对各种材料的焊接都能实现良好的电弧控制。焊接用变位机逐渐发展为三轴头尾架形式，且逐步采用了液压自动装夹控制的工装，实现了组对过程准确定位和自动夹紧。在焊接机械手使用方面，目前多使用机械手和变位机联动控制方式，控制系统可同时控制焊接机械手、机械手外部运动轴以及变位机运动轴。随着产量的提升，单台机械手控制模式下的设备利用率底、作业面积大、工序间衔接不紧密、物流工作量大等诸多弊端逐步体现，柔性化的焊接生产线模式以及机械手离线编程系统的应用将极大的提升生产效率、降低工人的劳动强度，促进企业整个生产管理水平的提高。此外，转向架构架尺寸的检测也是控制产品质量的关键工序，自动划线机、智能化3D检测系统等测量技术的快速发展，为产品快速、高精度的检测需求提供了解决方案。

2007年国际标准EN15085发布以后，铁路车辆及部件的焊接均按EN15085执行，取代了之前执行的欧洲标准DIN6700。为了与国际标准接轨，在母材的选择上由原国标GB/T1591中低合金钢16MnR改为EN10025中的低合金结构钢S355J2G3。2008年随着高铁技术的引进，在钢中添加了磷、铜、镍、钼等合金元素以增强钢制品在大气环境中耐腐蚀性，使耐候钢S355J2W+N逐步应用到轨道客车转向架上。

四、轨道交通制造关键焊接技术及其发展趋势

1. 不锈钢和碳钢车体方面

激光焊接是一种高能束焊接方法，具有焊接接头质量稳定、焊接速度快、焊接变形小等特点，日本的高速列车和轻轨客车在其新的客车车体制造中应用了激光焊接技术。德国、加拿大等国已经开发和正在开发不锈钢激光焊车体。通过激光焊接技术，不但实现了产品焊接效率和焊接质量的提高，而且也由此促进了产品的结构改造升级，采用激光焊接的不锈钢车体较以往的不锈钢车辆减重达30%以上，达到了不锈钢车辆轻量化的追求目标。

目前，国内薄板不锈钢轨道车辆的制造还采用传统的电阻焊工艺，表面焊点存在变形，车体外观受到质疑；另外，点焊结构车体密封性差、车体重量大，不适于高速动车组车体产品，只有采用激光焊技术才能解决上述问题，但这种要求半熔透、无焊接变形的激光焊技术（见图3）在国内还是空白。

图3 北京地铁6号线首辆激光焊车体

薄板不锈钢激光焊半熔透叠焊技术不同于目前汽车行业应用的激光焊接技术，通过前者要求实现焊后下板外表面无焊接变形、变色的目标，制造出外观美观、不涂装的不锈钢车体产品，而且通过激光焊接工艺，车辆的静强度和疲劳强度提高、车体重量减轻、密封性好，采用不锈钢车体的高速动车组成为可行。薄板不锈钢车体激光焊技术可被应用到高速动车组和城轨车制造中，大大提升产品的档次，增强企业的市场竞争力，目前国内每年对不锈钢车辆产品的需求就有1000多辆，市场前景非常好。

2. 铝合金车体方面

目前铝合金车体熔化焊存在的亟待解决的问题：提高自动焊焊接效率、降低接头强度损失、受环境温湿度影响、焊接烟尘污染环境、焊接成本高及易产生裂纹、气孔等缺陷已成为车辆产品提质提能的制约因素。

如何减少铝合金焊接接头强度损失、如何缩小焊接填充量、如何提高焊接效率、如何获得更优良的焊接接头抗时效性是提高铝合金车辆发展的重要研究课题，目前铝合金车辆新型自动焊接方法主要有搅拌摩擦焊和激光-MIG复合焊。

激光-MIG复合焊最主要的优点是速度快，目前没有任何其他的方法可以取代，但在作业环境要求、环境污染等方面没有改善，采用此工艺只能为了提速、以改善性能为目标，该种工艺在铁路车辆行业，还没有大的应用案例，是极具前景的铝合金及厚板的焊接工艺之一。这种焊接方法现在并不完善，焊接厚板铝合金时还会有气孔出现。因此有待于对其原理和抑制气孔的方法作进一步的研究与探索。

搅拌摩擦焊自1991年在英国发明以来，首先在美国、瑞典、挪威、日本以及澳大利亚等国家的航空及船舶制造业上得到应用。在轨道车辆行业，搅拌摩擦焊技术在日本日立、德国庞巴迪、法国ALSTOM等公司均有大量应用，法国ALSTOM还专门成立了一个焊接研究中心研究适合这种工艺方法的设计结构，研究各种规范条件下的力学性能。1995年日本Hitachi公司开始搅拌摩擦焊应用开发，1997年研制开发了3m长搅拌摩擦焊设备，搅拌摩擦焊技术应用于市郊列车和快速列车车辆的制造。日立公司1998年开始开发焊接25m长蒙皮侧板的搅拌摩擦焊设备，1999年开始批量制造A-TRAIN制造70辆通勤列车、42辆快速列车，开始制造25m长的双蒙皮列车顶板，2000年采用搅拌摩擦焊制造16辆通勤车，2001年采用搅拌摩擦焊制造38辆快速列车。日立公司在搅拌摩擦焊工艺的应用上走在世界同行的最前沿，用自反应搅拌摩擦焊改革了传统搅拌摩擦焊和MIG焊工艺完全不兼容的弊端，实现了MIG焊、激光-MIG复合焊工装条件下的搅拌摩擦焊工艺应用，对该工艺在铁路行业的应用起到划时代的意义，将该工艺的推广应用变得简单化。目前，日本在役列车车体大部分均为搅拌摩擦焊和中空铝合金型材板的“A Train”概念制造的车体。

2002年我国获得搅拌摩擦焊专利技术的使用开发权，并在航空制造业上开始应用。

随着我国轨道交通业的迅速发展，列车速度在不断提高，国内几家主要的轨道客车生产企业，均在进行搅拌摩擦焊新工艺的开发工作。开展针对轨道客车企业提能生产大环境下，采用高质、高效、节能及环保的搅拌摩擦焊技术制造轨道客车铝合金车体已成为国内外发展趋，相应的关键技术研究也引起广泛的关注，成为轨道车辆行业新的研究热点。

3. 转向架构架焊接

转向架构架焊接主要存在两个主要问题：一是焊接变形控制，焊后变形导致构件尺寸不能准确控制，影响加工和装配后道工序；二是焊接工作量大，操作者劳动强度高，工作环境差。针对存在的问题，应从焊前工艺过程模拟、开发高能束焊接工艺方法及使用机械手集成控制系统等方面进行深入研究和逐步推广应用。

（1）焊前工艺过程模拟 焊接数值模拟的意义在于，可根据对焊接现象和过程的数值模拟，优化结构设计和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接质量。目前，已经有商业化的大型通用有限元工具软件如NASTRAN、MARC、ABAQUS、ANSYS等，但多为通用型软件，对于焊接过程模拟来说，学习和使用较复杂。

SYSWELD是专门用于分析焊接现象的软件（见图4），内置了一系列非常有效的工具软件，用于获取和校验热物理模拟的物理数据，如热传导系数校验工具、焊接热源校验工具、材料冷却曲线校验工具等，主要用于计算模拟焊接过程中产生的变形、残余应力、相变以及焊接组件塑性变形等。该软件将复杂的物理问题简单化，用户学习和使用简便，且无需强大的超级计算机硬件配置，可满足工业用户的使用需求。目前，国内一汽等单位的焊接工艺部门都使用了该软件。

图 4

在项目工艺准备过程中，通过软件的计算，可优化焊接顺序和位置，评估残余应力，优化焊接参数。通过模拟焊接过程，帮助焊接工艺师进行老产品的工艺改进和新产品的工艺设计。

（2）开发高能束焊接方法的应用 激光-电弧复合焊（Laser-Arc Hybrid Welding）是近年来开发的一种高能束焊接方法（见图5），通过激光和电弧同时向焊接区输入能量，同时作用于焊缝区，充分发挥各自的优势，形成了一种新的高效焊接热源。目前，激光-电弧复合焊接技术已经在汽车、船舶、航

天航空和石油管道等方面得到了实际应用；同行业中阿尔斯通公司已和设备厂家共同开展应用于转向架构架焊接上的工艺试验，并取得一定的成果。

图 5

在激光-电弧复合热源焊接过程中，激光与电弧的相互作用，提高了激光、电弧能量的利用率，焊缝的深宽比大，在获得相同焊接熔深的条件下，复合热源焊接速度显著的提高；同时，复合焊接热输入减小，焊缝热影响区小，焊后变形随之减小，特别在大厚板的焊接中，由于复合焊接道数减少，故焊后矫形的工作量也相应减少。因此，激光-电弧复合焊接技术在转向架焊接上具有推广潜力和良好的发展前景。

（3）开发机械手集成控制系统 目前转向架焊接机械手均为单台独立控制，项目编程、焊接、冷却均占用设备，为了提高设备的利用率和自动化控制水平，开发基于无线局域网的多机械手与变位机的协调控制，建立焊接机械手离线编程系统工作站，实现设备离线编程的远程操作和相互通信，减少项目换型时占用设备的时间，提高生产效率。