長春軌道客車股份有限公司 （吉林 130062） 王春生

王春生：長春軌道客車股份有限公司 總工藝師

一、軌道交通行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

近十年以來是中國軌道客車裝備研制水平發(fā)展最快的時(shí)期，十年前，軌道客車產(chǎn)品主要是碳鋼材質(zhì)的普通鐵路客車或城鐵車，結(jié)構(gòu)相對單一?，F(xiàn)如今，軌道客車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)已十分豐富，形成了適合不同速度等級、不同檔次水平、不同牽引方式，能滿足各層次用戶需求的多樣化、梯次化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，涵蓋了普通鐵路客車、城鐵車和新一代高速動車組。特別是不銹鋼和鋁合金車體制造技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架自動焊技術(shù)的推廣，也使國內(nèi)的焊接技術(shù)實(shí)力和焊接裝備有了顯著提高，使軌道客車制造業(yè)技術(shù)裝備及技術(shù)應(yīng)用達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

二、軌道交通制造所涉及的焊接技術(shù)

1. 不銹鋼和碳鋼車體方面

在鐵路客車制造的前期發(fā)展階段，車體鋼結(jié)構(gòu)仍以碳鋼為主，多為國產(chǎn)鐵路客車專用的耐候鋼。使用的焊接技術(shù)主要以焊條電弧焊和傳統(tǒng)的CO2氣保護(hù)焊為主要工藝手段，同時(shí)開發(fā)的激光焊工藝、螺柱焊工藝、機(jī)械手自動焊工藝在小范圍內(nèi)參與生產(chǎn)。

隨著生產(chǎn)和技術(shù)的不斷發(fā)展，在鐵路車輛的制造過程中，焊接工藝也得到了快速的發(fā)展，傳統(tǒng)的焊條電弧焊工藝和CO2氣體保護(hù)焊已被新的焊接工藝所取代，但新工藝所應(yīng)用的范圍和所占比例卻有所不同。在不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)方面，制造過程中所應(yīng)用的壓焊技術(shù)主要有點(diǎn)焊工藝技術(shù)、縫焊工藝技術(shù)；熔焊技術(shù)主要有熔化極非惰性氣體保護(hù)焊（電流可為普通直流、脈沖直流）、非熔化極惰性氣體保護(hù)焊、螺柱焊和激光焊工藝等；釬焊技術(shù)使用的較少，僅僅在少量位置和結(jié)構(gòu)存在氧乙炔焰焊接。

在不銹鋼鋼結(jié)構(gòu)中所使用的焊接工藝方法可以概括為：以點(diǎn)焊工藝技術(shù)為主線，并在整個(gè)制造中所占比例在70%以上，同時(shí)部分結(jié)構(gòu)使用縫焊工藝技術(shù)；熔焊技術(shù)主要以MAG焊工藝和TIG焊工藝為主（見圖1），同時(shí)開發(fā)應(yīng)用螺柱焊、激光焊等。

圖1 點(diǎn)焊工藝與熔化極氣體保護(hù)焊工藝

在不銹鋼結(jié)構(gòu)的制造中，點(diǎn)焊工藝技術(shù)、MAG焊、TIG焊等焊接工藝得到了大范圍的使用，考慮到不銹鋼材質(zhì)自身的材料特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，點(diǎn)焊工藝在整車的制造中有著不可替代的作用，根據(jù)不銹鋼車體結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)，點(diǎn)焊設(shè)備具有焊鉗剛性大，焊接電流和加壓力大，焊點(diǎn)成形外觀美觀，質(zhì)量穩(wěn)定可靠等要求。點(diǎn)焊工藝依據(jù)焊鉗形式可分為單面雙點(diǎn)工藝和雙面單點(diǎn)工藝，按形式又可分為輕便式點(diǎn)焊機(jī)、定置式點(diǎn)焊機(jī)及移動式點(diǎn)焊機(jī)等，并在實(shí)際制造中以移動式點(diǎn)焊機(jī)為主線，輕便式點(diǎn)焊機(jī)、定置式點(diǎn)焊機(jī)配合使用進(jìn)行生產(chǎn)；并在產(chǎn)品中充分體現(xiàn)了點(diǎn)焊工藝的技術(shù)特點(diǎn)：焊點(diǎn)規(guī)整美觀、焊接變形小、結(jié)構(gòu)尺寸好；同時(shí)，MAG焊工藝在普通直流和脈沖直流等形式上應(yīng)用也得到了大范圍推廣，焊接電源多采用數(shù)字逆變電源，具有熔滴過渡穩(wěn)定，成形美觀、效率高等技術(shù)特點(diǎn)。

2. 鋁合金車體方面

（1）鋁合金車體焊接技術(shù)的發(fā)展 首先，簡易自動焊：鋁合金材料用于軌道車輛車體結(jié)構(gòu)始于20世紀(jì)70年代初期，由于受當(dāng)時(shí)焊接技術(shù)的制約，沒有很好的焊接自動化裝備，開發(fā)一些簡易自動焊設(shè)備用于部件焊接，最初常用的有軌道自動焊、中心導(dǎo)向自動焊、仿形自動焊。簡易自動焊方法被現(xiàn)代技術(shù)已取代，但其意義和理念對當(dāng)前焊接技術(shù)發(fā)展影響較大。

其次，專機(jī)自動焊：在焊接鋁合金車體大部件上，專機(jī)從結(jié)構(gòu)上分為懸臂專機(jī)、龍門專機(jī)、吊掛專機(jī)等形式，從焊縫跟蹤方式上又分為機(jī)械跟蹤、激光跟蹤兩種方式，從送絲上又分為單絲和雙絲焊接。專機(jī)最大的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)簡單，操作容易，維護(hù)方便；缺點(diǎn)：一是專機(jī)槍頭鎖緊機(jī)構(gòu)頻繁使用，牢固性差，焊接運(yùn)行過程中，對中性不好，需要操作者人工干預(yù)；二是專機(jī)持槍機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較差，行走過程震動會帶來焊縫表面紋理不均，質(zhì)量相對較差。

最后，機(jī)械手自動焊接：機(jī)械手焊接鋁合金車體大部件主要采用龍門式和懸臂式兩種方式，在焊縫跟蹤上，采用激光跟蹤的方法，機(jī)械手焊接大部件普遍采用雙絲，單絲焊接一般用在初期設(shè)備系統(tǒng)上。機(jī)械手焊接最大的優(yōu)點(diǎn)是持槍結(jié)構(gòu)牢固，焊接過程穩(wěn)定，焊接狀態(tài)一致性容易保證，焊接質(zhì)量好。機(jī)械手焊接的最大缺點(diǎn)是更換焊絲慢，操作復(fù)雜度高，維護(hù)難。機(jī)械手和焊接專機(jī)在應(yīng)用上，根據(jù)企業(yè)自身?xiàng)l件靈活運(yùn)用，都能達(dá)到最終的目標(biāo)。

（2）鋁合金車體制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù) 全鋁結(jié)構(gòu)鋁合金車輛已經(jīng)廣泛用于我國鐵路車輛動車組制造業(yè)和城市軌道交通車輛制造業(yè)，在車輛制造過程中，研究鋁合金車體綜合技術(shù)是制造鋁合金車體技術(shù)的關(guān)鍵。

1996年開始，國內(nèi)企業(yè)對車輛用鋁合金型材進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，經(jīng)過16年的鋁合金大型型材的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)研究，在國內(nèi)關(guān)鍵材料配套上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化鋁合金車體結(jié)構(gòu)，鋁合金車體大量采用型材拼接，接頭長而規(guī)則，便于自動化作業(yè)的實(shí)現(xiàn)，在該行業(yè)已大量使用各種自動焊技術(shù)，目前多采用MIG雙絲自動焊，如圖2所示。

圖2 MIG雙絲自動焊設(shè)備

（3）鋁合金車體產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀 鋁合金車體在高速鐵路車輛制造上具有其他材料不可替代的功能，因此鋁合金車體發(fā)展速度非?？?。目前，在歐洲城市軌道車輛市場，鋁合金車體占據(jù)了70%的市場份額，在日本，不銹鋼和鋁合金城市軌道車輛各占據(jù)了50%的份額，而在高速鐵路市場，鋁合金車體幾乎占據(jù)了世界95%以上的市場份額。

我國開發(fā)鋁合金車體起步比較晚，1989年開發(fā)了首輛鋁合金地鐵車體，由于該車體在設(shè)計(jì)上采用了板梁結(jié)構(gòu)、制造工藝繁瑣、平整度差、成本高，因而沒有在市場上得到大面積推廣使用。

2001年，筆者公司建成了國內(nèi)第一條鋁合金車體自動化焊接生產(chǎn)線，并利用國產(chǎn)材料，先后開發(fā)制造了210km/h鋁合金車體電動車組、270km/h鋁合金高速試驗(yàn)列車、武漢地鐵、廣州二號線地鐵、深圳地鐵、上海地鐵、重慶單軌及天津地鐵等鋁合金車體。國內(nèi)青島四方車輛廠、南京蒲鎮(zhèn)車輛廠、株洲電力車輛廠及唐山車輛廠等也相繼建立生產(chǎn)線，開始生產(chǎn)鋁合金車體，國內(nèi)鋁合金車體的發(fā)展和用戶對鋁合金產(chǎn)品的要求進(jìn)入高潮期。

2004年，在中國鐵路總公司（鐵道部）組織下，國內(nèi)鐵路客車制造商中國北車集團(tuán)公司和中國南車集團(tuán)公司分別從法國阿爾斯通、日本鐵路聯(lián)合體、德國西門子和龐巴迪等公司引進(jìn)高速動車組CRH5、CRH3、CRH2和CRH1。這些動車組運(yùn)行于京廣、京哈等鐵路干線，為緩解中國鐵路運(yùn)營能力問題起到了積極作用。

3. 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要采用低合金鋼16MnR、Q235、Q345或歐洲標(biāo)準(zhǔn)中的S355J2G3，隨著高速列車技術(shù)的發(fā)展，改良耐候結(jié)構(gòu)鋼S355J2W+N越來越多使用到高速車和A型地鐵中。構(gòu)架由橫梁、側(cè)梁、牽引梁和電動機(jī)吊座、制動吊座等眾多小件組焊而成，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和材質(zhì)的焊接性決定了焊接工藝的現(xiàn)狀。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫較多且板材較厚，除部分管夾等小件外，主要部件為8mm以上的厚板，多采用多層多道焊接。目前，側(cè)梁外部長大焊縫采用機(jī)械手單絲或雙絲MAG焊（v135），部分小件弧形及環(huán)形焊縫采用小型機(jī)械手自動焊，其余機(jī)械手難以完成的焊縫均采用手工MAG焊（135），少數(shù)焊縫質(zhì)量等級高而機(jī)械手又難以完成的焊縫或者焊縫缺陷修補(bǔ)時(shí)使用手工TIG焊接（141）。此外，還有少量填充量大的焊縫使用藥芯焊條進(jìn)行焊條電弧焊接（111）。

三、“十二五”期間行業(yè)發(fā)展對焊接裝備與焊材的需求

1. 不銹鋼和碳鋼車體方面

在“十二五”期間，軌道車輛在焊接技術(shù)方面有了長足的進(jìn)步和發(fā)展，車體的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量有較大的提高，隨著車輛的發(fā)展，需求的焊接裝配、所使用的材料、焊材等方面均有較大的變化和提升，同時(shí)也提出了更高和更詳細(xì)的要求。

在工藝裝備方面，隨著焊接技術(shù)的多元化發(fā)展，焊接裝備種類也隨之變化，傳統(tǒng)的焊條電弧焊設(shè)備和CO2氣體保護(hù)焊設(shè)備逐漸被淘汰，在焊接裝備的成套性、自動化程度、制造精度和整體質(zhì)量等方面的要求明顯提高，要求焊接裝備具有高精度、高可靠性、集成智能化和多功能化等特點(diǎn)。在軌道客車制造領(lǐng)域，點(diǎn)焊工藝設(shè)備要求其更加自動化、數(shù)字化，并保證設(shè)備具有良好穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，以保證其在焊接過程中參數(shù)穩(wěn)定，確保點(diǎn)焊焊點(diǎn)的表面質(zhì)量；在MAG焊工藝設(shè)備上要求焊接電弧穩(wěn)定、熔滴過渡穩(wěn)定，即具有一套穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，并充分智能而又不繁瑣，熔化焊智能設(shè)備中脈沖電源方式焊接可以在生產(chǎn)中嘗試推廣使用，同時(shí)在傳統(tǒng)的TIG焊工藝上要求其開發(fā)半自動焊或自動焊技術(shù)，使其同時(shí)具有MAG焊高效率和傳統(tǒng)TIG焊的高質(zhì)量。

在使用的母材上也有較大變化，與傳統(tǒng)使用的碳鋼材質(zhì)05CuPCrNi－A/B/C/D、09CuPCrNi－A/B/C/D、Q235、Q345相比，焊接母材也體現(xiàn)要求更高的金屬材料，如高拉伸強(qiáng)度、高沖擊韌性等，不同的板厚范圍，如碳鋼材料S355J2G3、S500MC高強(qiáng)鋼、Q690D/E 高強(qiáng)鋼及鑄鋼材質(zhì)等；不銹鋼材料SUS301L材質(zhì)系列和06Cr19Ni10等。

隨著母材的變化，傳統(tǒng)焊條的使用已日趨減少，所使用的焊絲材料和保護(hù)氣體也應(yīng)該滿足其要求，主要匹配使用的常用焊絲有ER44－8（Ⅱ）、ER50－6、ER70S－G、ER90S－G、 ER100SG、ER308LSi、ER309LSi和ER308L等；根據(jù)采用的焊接工藝方法對焊接保護(hù)氣體的使用進(jìn)行確定，常見匹配使用的保護(hù)氣體有Ar99.99%、Ar99.999%、Ar97%+3%O2、Ar80%+20%CO2、Ar97.5%+2.5%CO2等。通過金屬母材、焊絲材料以及保護(hù)氣體的正確配置，來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接，制造出高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

2. 鋁合金車體方面

目前，全鋁結(jié)構(gòu)鋁合金車輛已經(jīng)廣泛用于我國鐵路車輛動車組制造業(yè)和城市軌道交通車輛制造業(yè)，在車輛制造過程中，由于結(jié)構(gòu)大量采用型材拼接，接頭長而規(guī)則，便于自動化作業(yè)的實(shí)現(xiàn)，因此大量使用各種自動焊技術(shù)。

盡管國內(nèi)企業(yè)近年來對焊接自動化裝備的投入較大，但是焊接自動化的使用比例仍較低，企業(yè)現(xiàn)有自動化焊接設(shè)備（含焊接機(jī)器人）占總焊接設(shè)備的比例為10%～15%。而國外同行業(yè)的先進(jìn)企業(yè)焊接自動化設(shè)備占焊接設(shè)備的比例為50%以上，部分已達(dá)到90%，因此中國焊接自動化市場發(fā)展空間巨大。

采用機(jī)械手焊接鋁合金車體是在2002年獲得迅速發(fā)展的，機(jī)械手由于標(biāo)準(zhǔn)化程度高，持槍牢固等原因，這些年在鐵路行業(yè)大量使用，占新投設(shè)備的80%以上。隨著機(jī)械手的大量使用，雙絲焊送絲機(jī)構(gòu)懸掛問題變得簡易，雙絲MIG焊焊接技術(shù)獲得迅速推廣。

在鋁合金車體焊接領(lǐng)域，大部分使用5×××、6×××、7×××系列的時(shí)效強(qiáng)化型鋁合金。隨著母材的變化，所使用的焊絲材料和保護(hù)氣體也應(yīng)該滿足其要求，和其進(jìn)行匹配，焊材與結(jié)構(gòu)中使用的母材匹配性主要從抗拉強(qiáng)度匹配、化學(xué)元素匹配等方面考慮，主要匹配使用的常用焊絲有ER5087、ER5183、ER5083等；根據(jù)采用的焊接工藝方法對焊接保護(hù)氣體的使用進(jìn)行確定，常見匹配使用的保護(hù)氣體有Ar99.99%、Ar99.999%、Ar80%+20%He+N等。通過金屬母材、焊絲材料以及保護(hù)氣體的正確配置，來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接，制造出高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

3. 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接

在轉(zhuǎn)向架焊接工藝裝備方面，隨著制造行業(yè)的發(fā)展，焊接裝備也趨于自動化、智能化發(fā)展?；『负笝C(jī)從普通交直流焊機(jī)向逆變、脈沖技術(shù)發(fā)展，焊機(jī)可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，同時(shí)具備MAG、焊條電弧焊、TIG焊等功能，并且內(nèi)置了各種焊接專家程序，以保證對各種材料的焊接都能實(shí)現(xiàn)良好的電弧控制。焊接用變位機(jī)逐漸發(fā)展為三軸頭尾架形式，且逐步采用了液壓自動裝夾控制的工裝，實(shí)現(xiàn)了組對過程準(zhǔn)確定位和自動夾緊。在焊接機(jī)械手使用方面，目前多使用機(jī)械手和變位機(jī)聯(lián)動控制方式，控制系統(tǒng)可同時(shí)控制焊接機(jī)械手、機(jī)械手外部運(yùn)動軸以及變位機(jī)運(yùn)動軸。隨著產(chǎn)量的提升，單臺機(jī)械手控制模式下的設(shè)備利用率底、作業(yè)面積大、工序間銜接不緊密、物流工作量大等諸多弊端逐步體現(xiàn)，柔性化的焊接生產(chǎn)線模式以及機(jī)械手離線編程系統(tǒng)的應(yīng)用將極大的提升生產(chǎn)效率、降低工人的勞動強(qiáng)度，促進(jìn)企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)管理水平的提高。此外，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架尺寸的檢測也是控制產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序，自動劃線機(jī)、智能化3D檢測系統(tǒng)等測量技術(shù)的快速發(fā)展，為產(chǎn)品快速、高精度的檢測需求提供了解決方案。

2007年國際標(biāo)準(zhǔn)EN15085發(fā)布以后，鐵路車輛及部件的焊接均按EN15085執(zhí)行，取代了之前執(zhí)行的歐洲標(biāo)準(zhǔn)DIN6700。為了與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，在母材的選擇上由原國標(biāo)GB/T1591中低合金鋼16MnR改為EN10025中的低合金結(jié)構(gòu)鋼S355J2G3。2008年隨著高鐵技術(shù)的引進(jìn)，在鋼中添加了磷、銅、鎳、鉬等合金元素以增強(qiáng)鋼制品在大氣環(huán)境中耐腐蝕性，使耐候鋼S355J2W+N逐步應(yīng)用到軌道客車轉(zhuǎn)向架上。

四、軌道交通制造關(guān)鍵焊接技術(shù)及其發(fā)展趨勢

1. 不銹鋼和碳鋼車體方面

激光焊接是一種高能束焊接方法，具有焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定、焊接速度快、焊接變形小等特點(diǎn)，日本的高速列車和輕軌客車在其新的客車車體制造中應(yīng)用了激光焊接技術(shù)。德國、加拿大等國已經(jīng)開發(fā)和正在開發(fā)不銹鋼激光焊車體。通過激光焊接技術(shù)，不但實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品焊接效率和焊接質(zhì)量的提高，而且也由此促進(jìn)了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)改造升級，采用激光焊接的不銹鋼車體較以往的不銹鋼車輛減重達(dá)30%以上，達(dá)到了不銹鋼車輛輕量化的追求目標(biāo)。

目前，國內(nèi)薄板不銹鋼軌道車輛的制造還采用傳統(tǒng)的電阻焊工藝，表面焊點(diǎn)存在變形，車體外觀受到質(zhì)疑；另外，點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)車體密封性差、車體重量大，不適于高速動車組車體產(chǎn)品，只有采用激光焊技術(shù)才能解決上述問題，但這種要求半熔透、無焊接變形的激光焊技術(shù)（見圖3）在國內(nèi)還是空白。

圖3 北京地鐵6號線首輛激光焊車體

薄板不銹鋼激光焊半熔透疊焊技術(shù)不同于目前汽車行業(yè)應(yīng)用的激光焊接技術(shù)，通過前者要求實(shí)現(xiàn)焊后下板外表面無焊接變形、變色的目標(biāo)，制造出外觀美觀、不涂裝的不銹鋼車體產(chǎn)品，而且通過激光焊接工藝，車輛的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度提高、車體重量減輕、密封性好，采用不銹鋼車體的高速動車組成為可行。薄板不銹鋼車體激光焊技術(shù)可被應(yīng)用到高速動車組和城軌車制造中，大大提升產(chǎn)品的檔次，增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭力，目前國內(nèi)每年對不銹鋼車輛產(chǎn)品的需求就有1000多輛，市場前景非常好。

2. 鋁合金車體方面

目前鋁合金車體熔化焊存在的亟待解決的問題：提高自動焊焊接效率、降低接頭強(qiáng)度損失、受環(huán)境溫濕度影響、焊接煙塵污染環(huán)境、焊接成本高及易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷已成為車輛產(chǎn)品提質(zhì)提能的制約因素。

如何減少鋁合金焊接接頭強(qiáng)度損失、如何縮小焊接填充量、如何提高焊接效率、如何獲得更優(yōu)良的焊接接頭抗時(shí)效性是提高鋁合金車輛發(fā)展的重要研究課題，目前鋁合金車輛新型自動焊接方法主要有攪拌摩擦焊和激光-MIG復(fù)合焊。

激光-MIG復(fù)合焊最主要的優(yōu)點(diǎn)是速度快，目前沒有任何其他的方法可以取代，但在作業(yè)環(huán)境要求、環(huán)境污染等方面沒有改善，采用此工藝只能為了提速、以改善性能為目標(biāo)，該種工藝在鐵路車輛行業(yè)，還沒有大的應(yīng)用案例，是極具前景的鋁合金及厚板的焊接工藝之一。這種焊接方法現(xiàn)在并不完善，焊接厚板鋁合金時(shí)還會有氣孔出現(xiàn)。因此有待于對其原理和抑制氣孔的方法作進(jìn)一步的研究與探索。

攪拌摩擦焊自1991年在英國發(fā)明以來，首先在美國、瑞典、挪威、日本以及澳大利亞等國家的航空及船舶制造業(yè)上得到應(yīng)用。在軌道車輛行業(yè)，攪拌摩擦焊技術(shù)在日本日立、德國龐巴迪、法國ALSTOM等公司均有大量應(yīng)用，法國ALSTOM還專門成立了一個(gè)焊接研究中心研究適合這種工藝方法的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，研究各種規(guī)范條件下的力學(xué)性能。1995年日本Hitachi公司開始攪拌摩擦焊應(yīng)用開發(fā)，1997年研制開發(fā)了3m長攪拌摩擦焊設(shè)備，攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于市郊列車和快速列車車輛的制造。日立公司1998年開始開發(fā)焊接25m長蒙皮側(cè)板的攪拌摩擦焊設(shè)備，1999年開始批量制造A-TRAIN制造70輛通勤列車、42輛快速列車，開始制造25m長的雙蒙皮列車頂板，2000年采用攪拌摩擦焊制造16輛通勤車，2001年采用攪拌摩擦焊制造38輛快速列車。日立公司在攪拌摩擦焊工藝的應(yīng)用上走在世界同行的最前沿，用自反應(yīng)攪拌摩擦焊改革了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊和MIG焊工藝完全不兼容的弊端，實(shí)現(xiàn)了MIG焊、激光-MIG復(fù)合焊工裝條件下的攪拌摩擦焊工藝應(yīng)用，對該工藝在鐵路行業(yè)的應(yīng)用起到劃時(shí)代的意義，將該工藝的推廣應(yīng)用變得簡單化。目前，日本在役列車車體大部分均為攪拌摩擦焊和中空鋁合金型材板的“A Train”概念制造的車體。

2002年我國獲得攪拌摩擦焊專利技術(shù)的使用開發(fā)權(quán)，并在航空制造業(yè)上開始應(yīng)用。

隨著我國軌道交通業(yè)的迅速發(fā)展，列車速度在不斷提高，國內(nèi)幾家主要的軌道客車生產(chǎn)企業(yè)，均在進(jìn)行攪拌摩擦焊新工藝的開發(fā)工作。開展針對軌道客車企業(yè)提能生產(chǎn)大環(huán)境下，采用高質(zhì)、高效、節(jié)能及環(huán)保的攪拌摩擦焊技術(shù)制造軌道客車鋁合金車體已成為國內(nèi)外發(fā)展趨，相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)研究也引起廣泛的關(guān)注，成為軌道車輛行業(yè)新的研究熱點(diǎn)。

3. 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接主要存在兩個(gè)主要問題：一是焊接變形控制，焊后變形導(dǎo)致構(gòu)件尺寸不能準(zhǔn)確控制，影響加工和裝配后道工序；二是焊接工作量大，操作者勞動強(qiáng)度高，工作環(huán)境差。針對存在的問題，應(yīng)從焊前工藝過程模擬、開發(fā)高能束焊接工藝方法及使用機(jī)械手集成控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行深入研究和逐步推廣應(yīng)用。

（1）焊前工藝過程模擬 焊接數(shù)值模擬的意義在于，可根據(jù)對焊接現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，從而減少試驗(yàn)工作量，提高焊接質(zhì)量。目前，已經(jīng)有商業(yè)化的大型通用有限元工具軟件如NASTRAN、MARC、ABAQUS、ANSYS等，但多為通用型軟件，對于焊接過程模擬來說，學(xué)習(xí)和使用較復(fù)雜。

SYSWELD是專門用于分析焊接現(xiàn)象的軟件（見圖4），內(nèi)置了一系列非常有效的工具軟件，用于獲取和校驗(yàn)熱物理模擬的物理數(shù)據(jù)，如熱傳導(dǎo)系數(shù)校驗(yàn)工具、焊接熱源校驗(yàn)工具、材料冷卻曲線校驗(yàn)工具等，主要用于計(jì)算模擬焊接過程中產(chǎn)生的變形、殘余應(yīng)力、相變以及焊接組件塑性變形等。該軟件將復(fù)雜的物理問題簡單化，用戶學(xué)習(xí)和使用簡便，且無需強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)硬件配置，可滿足工業(yè)用戶的使用需求。目前，國內(nèi)一汽等單位的焊接工藝部門都使用了該軟件。

圖 4

在項(xiàng)目工藝準(zhǔn)備過程中，通過軟件的計(jì)算，可優(yōu)化焊接順序和位置，評估殘余應(yīng)力，優(yōu)化焊接參數(shù)。通過模擬焊接過程，幫助焊接工藝師進(jìn)行老產(chǎn)品的工藝改進(jìn)和新產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)。

（2）開發(fā)高能束焊接方法的應(yīng)用 激光-電弧復(fù)合焊（Laser-Arc Hybrid Welding）是近年來開發(fā)的一種高能束焊接方法（見圖5），通過激光和電弧同時(shí)向焊接區(qū)輸入能量，同時(shí)作用于焊縫區(qū)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成了一種新的高效焊接熱源。目前，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)已經(jīng)在汽車、船舶、航

天航空和石油管道等方面得到了實(shí)際應(yīng)用；同行業(yè)中阿爾斯通公司已和設(shè)備廠家共同開展應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接上的工藝試驗(yàn)，并取得一定的成果。

圖 5

在激光-電弧復(fù)合熱源焊接過程中，激光與電弧的相互作用，提高了激光、電弧能量的利用率，焊縫的深寬比大，在獲得相同焊接熔深的條件下，復(fù)合熱源焊接速度顯著的提高；同時(shí)，復(fù)合焊接熱輸入減小，焊縫熱影響區(qū)小，焊后變形隨之減小，特別在大厚板的焊接中，由于復(fù)合焊接道數(shù)減少，故焊后矯形的工作量也相應(yīng)減少。因此，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在轉(zhuǎn)向架焊接上具有推廣潛力和良好的發(fā)展前景。

（3）開發(fā)機(jī)械手集成控制系統(tǒng) 目前轉(zhuǎn)向架焊接機(jī)械手均為單臺獨(dú)立控制，項(xiàng)目編程、焊接、冷卻均占用設(shè)備，為了提高設(shè)備的利用率和自動化控制水平，開發(fā)基于無線局域網(wǎng)的多機(jī)械手與變位機(jī)的協(xié)調(diào)控制，建立焊接機(jī)械手離線編程系統(tǒng)工作站，實(shí)現(xiàn)設(shè)備離線編程的遠(yuǎn)程操作和相互通信，減少項(xiàng)目換型時(shí)占用設(shè)備的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。