張占領(lǐng)，邱然鋒，杜宜樂(lè)，李臣陽(yáng)，衡中皓

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.河南科技大學(xué) 河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003)

鋁合金在日本軌道車輛的應(yīng)用及相應(yīng)焊接技術(shù)

張占領(lǐng)1，2，邱然鋒1，2，杜宜樂(lè)1，李臣陽(yáng)1，衡中皓1

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.河南科技大學(xué) 河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003)

為了減低能耗、提高速度，軌道車輛輕量化是必然選擇。采用鋁合金制作車體是減輕車體自重的有效措施。對(duì)鋁合金在日本軌道車輛的應(yīng)用及相應(yīng)焊接技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述。介紹了日本四代鋁合金軌道車輛的結(jié)構(gòu)特征、所用合金類型以及焊接方法，探討軌道車輛用鋁合金、焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。高Zn的7N01合金應(yīng)用將會(huì)受到限制，容易循環(huán)再利用的5000系、6000系合金的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。攪拌摩擦焊會(huì)成為軌道車輛生產(chǎn)的主要焊接技術(shù)，激光焊在遠(yuǎn)程焊接方面也值得期待。

鋁合金；軌道車輛；焊接

0 前言

軌道交通是世界城市交通的發(fā)展方向，具有運(yùn)能巨大、速度快捷、安全高效、環(huán)保節(jié)能和成本相對(duì)低廉等特點(diǎn)，越來(lái)越受到世界各國(guó)的青睞[1-2]。隨著對(duì)軌道車輛的要求越來(lái)越高，輕量、高速已成為現(xiàn)代化軌道車輛運(yùn)輸?shù)闹匾獦?biāo)志。要做到輕量、高速，就必須減輕車體自重，采用鋁合金等輕質(zhì)材料是減輕車體自重的有效措施。為適應(yīng)軌道車輛的發(fā)展，世界各國(guó)均在大力開(kāi)發(fā)、制造鋁合金車體。因此，生產(chǎn)制造鋁合金車體是鐵路運(yùn)輸事業(yè)和城市軌道車輛發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在此結(jié)合日本軌道車輛的發(fā)展，就鋁合金的應(yīng)用狀況及相應(yīng)的焊接技術(shù)進(jìn)行分析，并探討了其發(fā)展前景，以便為我國(guó)鋁制軌道車輛發(fā)展提供借鑒。

1 鋁合金車體的特點(diǎn)

根據(jù)鋁合金車輛不同部位的使用要求、綜合強(qiáng)度、制造工藝、耐腐蝕等方面的要求，選擇不同的鋁合金材料。在鐵道車輛上，一般選用5000、6000和7000系鋁合金作為車輛結(jié)構(gòu)用材，其他鋁合金因強(qiáng)度、焊接性等原因很少使用[1]。

由于鋁合金具有輕質(zhì)、清潔、防腐、減振和易回收等性能等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于鋼制車體，鋁合金車體具有以下特點(diǎn)：(1)耗能低。在保證相同剛度的前提下，鋁合金車體自重一般是鋼制車體的三分之二，可降低牽引動(dòng)能消耗。(2)鋁合金車體中大量型材的使用不僅提高了整車剛度，保證了車體的安全性，隔音、隔熱效果良好，并且型材結(jié)構(gòu)還便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，能夠提高生產(chǎn)效率。(3)鋁合金表面氧化膜的存在使車體耐腐蝕性高于鋼制車體，維護(hù)、保養(yǎng)成本低。(4)材料回收利用率高。鋁合金車體達(dá)到使用壽命后，材料一般可以回收利用，損耗較低，且無(wú)環(huán)境污染。

2 鋁合金車體的發(fā)展過(guò)程

日本軌道車輛鋁合金化已經(jīng)50多年了，隨著時(shí)間的推移其生產(chǎn)量也越來(lái)越大。日本生產(chǎn)的鋁合金軌道車輛輛數(shù)變化如圖1所示[3]。至2004年，日本生產(chǎn)鋁合金軌道車輛已達(dá)14 000輛。據(jù)日本鋁業(yè)協(xié)會(huì)(Japan Aluminium Association，JAA)公布的統(tǒng)計(jì)資料稱，日本2005財(cái)政年度(2005年4月至2006年3月)的鋁合金軌道車輛產(chǎn)量為644輛；而2009財(cái)年生產(chǎn)量已達(dá)926輛，比上年增加172輛，增幅為22.8%。其中，用于新干線的鋁合金車輛為408輛，占該年日本鋁合金車輛總產(chǎn)量的44.1%。

圖1 日本生產(chǎn)鋁合金車輛數(shù)量隨時(shí)間變化

鋁合金車體經(jīng)歷了板梁結(jié)構(gòu)鋁合金車體、板梁和型材混合結(jié)構(gòu)鋁合金車體、完全閉式型材結(jié)構(gòu)鋁合金車體三個(gè)發(fā)展過(guò)程。根據(jù)車輛構(gòu)造和所用材料，日本生產(chǎn)鋁合金軌道車輛分為四代。1962年研制的最初鋁合金制軌道車輛稱為第一代，典型代表是山陽(yáng)電鐵2000系車輛。由于當(dāng)時(shí)并沒(méi)有軌道車輛專用的鋁合金，所用鋁合金主要是船舶用A5083和A6061。車體焊裝時(shí)采用的連接技術(shù)是鋼制車輛生產(chǎn)用的鉚接和電弧焊。鉚接的使用不僅影響生產(chǎn)效率，而且輔材的使用增加了車體的自重。為進(jìn)一步減輕車體自重，從第二代車輛開(kāi)始鋁合金車輛采取了全焊接結(jié)構(gòu)。作為第二代車輛典型代表的近鐵8000系車輛是由焊條電弧焊焊裝而成，所用鋁合金是專門(mén)研發(fā)的7N01擠壓型材和A5083合金擠壓型、板材。從結(jié)構(gòu)上看，第二代與第一代鋁合金車體都屬于板梁結(jié)構(gòu)鋁合金車體。由于焊接變形大，必須通過(guò)增加板厚來(lái)獲得剛度，減重效果不明顯，車體平整度不理想，因此在鋁合金車體的發(fā)展過(guò)程中，純板梁結(jié)構(gòu)鋁合金車體的數(shù)量并不多。

為了減輕車體自重，開(kāi)發(fā)了板梁和型材混合結(jié)構(gòu)車體。在新干線中，最先采用板梁和型材混合結(jié)構(gòu)鋁合金車體的是新干線100系，這被視為第2.5代，主要代表車型有舊國(guó)鐵200系新干線車輛。所用鋁合金主要有7N01合金擠壓型材、7003合金擠壓型材、A5083合金擠壓型材與板材。在這種結(jié)構(gòu)車體中，板梁部分采用電阻焊工藝，型材連接采用熔化極氬弧焊(MIG：Metal-Inert Gas Welding)工藝，大大節(jié)約了型材開(kāi)模費(fèi)，降低車體制造成本，但此工藝相對(duì)繁瑣，且車體剛度較差。

隨著擠壓成型性、焊接性良好的6N01合金開(kāi)發(fā)，薄壁、寬幅、長(zhǎng)尺度型材的制作成為可能。以該型材為主要結(jié)構(gòu)材料研發(fā)了第三代鋁合金車體，代表車型有舊營(yíng)團(tuán)地鐵01系和新干線300系。在這種結(jié)構(gòu)里，薄壁、寬幅、長(zhǎng)尺度(25 m)6N01合金型材的采用不僅強(qiáng)化了車體，減輕車體自重，而且還使焊接自動(dòng)化成為可能。這種結(jié)構(gòu)在日本又稱為單壁結(jié)構(gòu)(Single Skin)。

以雙壁型材取代單壁型材，開(kāi)發(fā)了第四代完全閉式型材結(jié)構(gòu)鋁合金內(nèi)車體，在日本又稱為雙壁結(jié)構(gòu)(Double Skin)。與單壁結(jié)構(gòu)車體相比，這種雙壁結(jié)構(gòu)車體具有剛性大、隔熱、隔音效果好等優(yōu)點(diǎn)，并且所用零件數(shù)量也大幅減少，提高了生產(chǎn)效率。結(jié)構(gòu)中所用鋁合金除個(gè)別承重梁為高強(qiáng)度的7N01合金擠壓型材，大部分為環(huán)保鋁合金6N01。代表車型有圖2所示的新干線700系和圖3所示的東京地鐵05系車輛，在這一代車體焊裝中大多采用攪拌摩擦焊技術(shù)。第四代車體所采用的閉式型材結(jié)構(gòu)是目前世界上采用最多的結(jié)構(gòu)，其制造工藝簡(jiǎn)單，車體平整度、剛度均較好。

3 焊接技術(shù)

在軌道車輛生產(chǎn)中所采用的連接技術(shù)由最初的鉚接和焊條電弧焊，到電阻焊和熔化極氬弧焊，再發(fā)展到現(xiàn)在廣泛采用的攪拌摩擦焊共經(jīng)歷了三個(gè)階段。攪拌摩擦焊技術(shù)(Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW)是由英國(guó)焊接研究所1991年發(fā)明的一項(xiàng)新型連接方法[4]。該技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，迅速在全球工業(yè)制造領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，在20年時(shí)間里，該技術(shù)已應(yīng)用到包括輕軌、地鐵、快速列車和高速列車等軌道交通行業(yè)在內(nèi)的眾多領(lǐng)域。在軌道車輛制造領(lǐng)域，日本的日立和川崎重工已經(jīng)將攪拌摩擦焊應(yīng)用于包括新干線列車在內(nèi)的新型高速列車車體的制造。

圖2 700系新干線車體構(gòu)造

圖3 東京地鐵05系車體構(gòu)造

攪拌摩擦焊依靠攪拌頭的機(jī)械摩擦作用實(shí)現(xiàn)接頭的連接，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)摩擦作用與材料的轉(zhuǎn)移過(guò)渡形成動(dòng)態(tài)平衡，焊接溫度低于材料的熔點(diǎn)，所以攪拌摩擦焊接過(guò)程中不存在金屬熔化，屬于一種固相連接方法[5-7]。如圖4所示，焊接過(guò)程中攪拌針高速旋轉(zhuǎn)，攪拌針深入到工件內(nèi)部，軸肩緊壓在工件表面(保持一定的壓入量)。高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件之間摩擦產(chǎn)生了大量的摩擦熱，由于摩擦熱的作用以及攪拌頭的粉碎、擠壓作用，攪拌頭周圍金屬在焊接過(guò)程中將發(fā)生熱塑性變形，從而釋放大量的塑性變形能。在摩擦熱及塑性變形能的綜合作用下，接頭金屬實(shí)現(xiàn)塑性流動(dòng)并擴(kuò)散連接。

攪拌摩擦焊熱輸入少，溫度低，母材不發(fā)生熔化，接頭變形小、熱影響區(qū)窄、無(wú)凝固裂紋、氣孔，質(zhì)量高，適用于鋁合金的焊接。

日本是最早將攪拌摩擦焊技術(shù)運(yùn)用到軌道車輛生產(chǎn)的國(guó)家。1998年，率先利用攪拌摩擦焊取代熔化極氬弧焊對(duì)單壁6000系合金型材進(jìn)行拼接，生產(chǎn)單壁結(jié)構(gòu)車體。如圖5所示，采用攪拌摩擦焊對(duì)單壁型材進(jìn)行對(duì)接，不需要開(kāi)坡口，直接焊接。為防止焊接過(guò)程中由攪拌頭壓力產(chǎn)生的變形，僅在焊縫下面施加銅墊板。這不僅提高了生產(chǎn)效率，還改善了接頭質(zhì)量。在焊接雙壁型材時(shí)，由于防變形銅墊板不易施加，而將原熔化極氬弧焊的對(duì)接接頭改為搭接接頭，如圖6所示。這樣既增加了接頭的剛性，又減少墊板的施加工序，進(jìn)一步改善了接頭、提高了生產(chǎn)效率。因此，攪拌摩擦焊是現(xiàn)在日本軌道車輛生產(chǎn)用的最主要的連接技術(shù)。

圖4 攪拌摩擦焊示意

圖5 單壁結(jié)構(gòu)型材攪拌摩擦焊接頭

圖6 雙壁結(jié)構(gòu)型材攪拌摩擦焊接頭

4 發(fā)展趨勢(shì)

高速、節(jié)能、安全、舒適、環(huán)保是現(xiàn)代化交通運(yùn)輸所面臨的重要課題，而大型扁寬薄壁鋁合金型材是實(shí)現(xiàn)軌道車輛特別是地鐵列車、高速列車、雙層列車和輕軌列車高速化和輕量化的主要途徑和關(guān)鍵材料。大型扁寬薄壁鋁合金型材的使用既能改善車輛整體性能，還能減少拼接數(shù)量，提高生產(chǎn)效率。因此，對(duì)其相關(guān)的工藝裝備、設(shè)備、工藝技術(shù)進(jìn)行研究能夠推進(jìn)軌道車輛的發(fā)展。從環(huán)保方面來(lái)講，由于Zn不利于合金回收再利用，含Zn高的7N01合金使用量將逐漸減少，主要采用低Zn或無(wú)Zn的5000系、6000系合金，只是在一些主要承重部位采用高強(qiáng)度的7N01l鋁合金。

就車體焊裝而言，由于攪拌摩擦焊具有優(yōu)越性，使其成為鋁合金車體生產(chǎn)的主要焊接技術(shù)。作為高能密度焊接技術(shù)的激光焊也是一種低熱輸入的焊接方法[8]，隨著高質(zhì)量、大功率激光發(fā)生器的研發(fā)以及遠(yuǎn)程焊接技術(shù)的發(fā)展，激光焊應(yīng)用于軌道車輛生產(chǎn)中也是值得期待的。

5 結(jié)論

由于鋁合金車體的低能耗、低維護(hù)費(fèi)用和高舒適性，它已成為軌道車輛發(fā)展的必然趨勢(shì)。鋁合金軌道車輛質(zhì)量一般不超過(guò)8.5t／輛。當(dāng)前，世界上凡是速度大于250 km／h的高速軌道車輛幾乎全是鋁合金車輛，除了日本的新干線高速客車外，美國(guó)的ACT高速客車、加拿大的TRC客車、德國(guó)的ICE客車、法國(guó)的TGV雙層客車都采用了鋁合金車輛。隨著我國(guó)軌道運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，對(duì)鋁合金車體需求量將越來(lái)越大，預(yù)計(jì)到2050年僅鋁合金城市輕軌車的需求量約5萬(wàn)輛。而軌道交通裝備制造業(yè)作為裝備制造產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，還對(duì)其他產(chǎn)業(yè)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著較強(qiáng)的帶動(dòng)作用。因此，鋁合金軌道車輛的發(fā)展有著十分重要的意義。

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Aluminum alloy applications and its welding technique for railway vehicle in Japan

ZHANG Zhan-ling1，2，QIU Ran-feng1，2，DU Yi-le1，LI Chen-yang1，HENG Zhong-hao1
(1.School of Materials Science and Engineering，He'nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China；2.Key Laboratory of Science and Processing Technology of Non-ferrous Metals，He'nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China)

It is necessary to reduce the weight of railway vehicle in order to reduce its ienergy consumption.Aluminum alloy body of railway vehicles is a effective measure to reduce body weight.In this paper，the current state of aluminum alloy application and its corresponding welding technique for railway vehicles in Japan were summarized.The structure characteristics，material types and welding method used in four generations of aluminium alloy railway vehicle was introduced.The trend of welding technique and material used in aluminium alloy body of railway vehicle were discussed.Based on analyses，the paper pointed out that the application of 7N01 alloy containing more zinc wiould be limited，whereas the application of 5000 and 6000 series aluminum alloy would become broader.On the other hand，F(xiàn)riction stir welding would become a main welding technology in railway vehicle manufacturing，and the application of laser welding，especially in remote welding，is also expected.

aluminum alloy；railway vehicles；welding

TG457.14

C

1001-2303(2011)11-0011-04

2011-09-28

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(112102210176)；河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2011A430013)

張占領(lǐng)(1967—)，男，河南洛陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事金屬材料超塑性、材料熱／力物理模擬、難焊金屬材料連接技術(shù)等教學(xué)與研究工作。