轨道交通制造焊接技术应用现状及发展趋势

尹光剑 姜立民 邱存宝 王文 贺永辉

中车四方车辆有限公司 山东青岛 266000

1 焊接技术和材料在轨道交通车体中的应用概况

轨道交通能否顺利开通运营很大程度上取决于轨道交通车辆，假如车辆质量不过关的话，其后果就会相当严重，因此必须要对轨道交通车体的制造给予高度的重视。通过焊接技术及焊接方法的改进和提升使车体强度更加安全可靠，从根本上确保轨道交通车辆的安全运行。轨道交通包含有城际动车组、高速动车组以及地铁动车组等。铝合金和不锈钢材料是主要的车体材料，和传统碳钢相比，不锈钢具有美观大方、维修方便等优势，使车体的耐用性更强，所以具有非常广泛的应用范围。铝合金材料非常轻便，同时外表十分美观，具有较强的腐蚀性，具有广阔的发展环境。在实际制造轨道交通车体的过程当中，需要加强对高可靠性焊接技术的应用，并对其具体的方式根据具体的要求和应用场景进行合理选择[1]。

2 常见的轨道交通车体焊接技术

2.1 热焊

钢轨铝热焊的焊接原理是铝热剂在坩埚中点燃，形成高温铝热钢水，注入焊接砂型和待焊钢轨组成的空腔中。高温钢水通过专门设计的砂型浇注系统熔化待焊钢轨端面，冷却凝固后将待焊钢轨连接成一个整体。钢轨铝热焊有自己的热源。因此，该设备简单易行，快，少量人员可进行焊接作业。在铝热焊焊接中，钢轨的几何位置在焊接过程中几乎没有变化，其平顺性取决于夹具。因此，焊接接头的平整度优于气压焊。由于钢轨在焊接过程中不移动，特别适用于跨区域无缝钢轨的焊接。铝热焊实际是铸造过程。在铸造过程中，铝热焊焊缝金属为铸态组织。因此，界面的性质具有铸造的特点，力学性能比闪光焊差。铝热焊的焊接缺陷主要是由于施工过程中预热不足造成的。所以在生产中，钢轨预热过程是焊接过程中一个非常重要的过程。受人、机、料、法等诸多因素的制约，应因地制宜地采取保障措施。在低温环境下，氧气瓶、丙烷瓶和仪表应采取保温措施，保证预热火焰稳定、正常。铝热焊焊头两侧钢轨的母材为热影响区。现行工艺标准未规定焊头的正火处理。事实上，应积极开发铝热焊正火加热器，应使铝热焊头正火，提高焊接接头的综合强度指标。

2.2 铝合金车体激光-MIG 复合焊接技术

高速动车组和大部分城轨车辆的车体均由铝合金板材和型材组焊而成，铝合金车体具有质量轻、密封性好、噪声低等特点，在城轨、地铁和高速列车上应用广泛。在行驶过程中，车体长期承受着振动和冲击载荷的作用，车体焊缝的质量和性能直接关乎车辆的安全性。目前，我国主要依靠的是MIG 焊接技术，其焊接工艺及自动化水平已较为成熟，但MIG 焊接铝合金存在单道焊接熔深有限，焊接速度慢、焊接热输入大、焊缝热影响区宽、接头韧性低、热影响区以及焊缝的强度大幅下降，焊接结构的变形大，以及需要焊后矫正等缺点，大大影响了铝合金车体的生产效率和生产质量，难以满足现代制造业的需求。铝合金的激光-MIG 复合焊接工艺与传统的MIG 焊相比，焊缝成形良好，不仅焊接效率提高，接头的强度也有很大提高，并且接头的应力、变形也会减小，这对于保障铝合金车体整体的尺寸精度和安全可靠性是非常有利的，也减轻了后续车体调修的难度，且相较于搅拌摩擦焊，适用的焊缝形式更全面[2]。

2.3 部分熔透激光叠焊参数优化

不锈钢薄板激光叠焊接头质量的两个重要评价标准是搭接接头的剪切载荷和下板外表质量。而焊缝熔深和焊缝熔宽又是影响这两个质量评价标准的重要参数。不锈钢薄板激光叠焊焊缝尺寸主要是由激光功率和焊接速度决定的，因此，合理匹配激光功率和焊接速度是控制焊缝成形并保证搭接接头剪切载荷和下板外表面质量的主要途径。在一定的功率条件下，当焊接速度较小时，线能量较大，熔深较大，会影响下板的外表面质量；当焊接速度较大时，线能量较小，会造成熔深不足，使得剪切强度难以保证。通过工艺优化研究，认为焊接线能量控制在40J/mm 左右对保证剪切强度和下板外表面质量较为合适。综合考虑焊接速度对焊缝成形的影响，最终选择的焊接工艺参数为在光斑直径为0.6mm 的前提下，激光功率为1200W，焊接速度为30mm/s。

2.4 多机器人协调控制技术

在焊接机器人实际应用过程中，因为焊接目标通常有较大的体积，所以大多数情况下需要使用多个焊接机器人共同作业。基于这一情况，应该使用多机器人的协调控制技术来协调多个机器人工作路径和工作面。现阶段工业生产中出现了越来越多的焊接目标大型化情况，为确保多焊接机器人安全、顺利开展复杂焊接操作流程，十分有必要提前对控制机器人的工作路径和动作进行协调[3]。

3 焊接技术的展望

首先，现代产业飞速发展，传统的慢工出细活已经不能适应行业的飞速发展，只有在保证质量的前提下，提高生产的工作效率，才能不被社会淘汰，同时在制造过程中，还需要注意控制产品的成本，过高的成本也会影响产品的制造，只有优质、高效、低成本的产品才更有竞争力。其次，现代新兴轨道交通车体焊接技术应克服困难，积极寻求适用于焊接的优质新兴材料，解决材料之间的矛盾，为此，轨道交通车体焊接技术工作人员可与专业的材料工程师进行沟通，保证材料的高质量、低成本、高效率。最后，轨道交通车体的制造要求多种工业技术的精湛完美，焊接技术作为主要组成部分更是必不可少的一部分，必须改变传统思维中认为焊接技术是薄弱环节的思维定式，全力改良产品的质量，提高轨道交通车体的整体质量。同时，以达到轨道交通车体焊接结束全智能化控制、零缺陷为终极目标。

4 结语

总之，现行的几种轨道钢的焊接放法优缺点各异，根据实际情况选择合适的加工工艺，操作者根据实际的加工工艺认真细致的按规定要求完成，就一定能得到合格的产品。