劉慶祝 王春生 劉杰

1.概述

鋁合金車體具有重量輕、外觀平整度好和易于制造更復(fù)雜美觀曲面車體的優(yōu)點(diǎn)，目前全鋁結(jié)構(gòu)鋁合金車輛已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國鐵路。

采用薄壁鋁合金擠壓型材和自動(dòng)焊相結(jié)合的制造方式，增加了結(jié)構(gòu)集成，減輕了整車重量。為了提高焊接效率、保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定，采用機(jī)械手焊接的長直焊縫比例占整車焊縫的85%以上。我公司采用機(jī)械手焊接鋁合金車體在2002年獲得了迅速發(fā)展，先后引進(jìn)了大量先進(jìn)的焊接設(shè)備與技術(shù)。焊接機(jī)械手由于標(biāo)準(zhǔn)化程度高，持槍牢固等原因，近幾年被鐵路行業(yè)大量使用，約占新投設(shè)備的80%以上。

隨著列車速度的不斷提高以及輕量化發(fā)展需求，對鋁合金車體結(jié)構(gòu)、接頭強(qiáng)度及其安全性的要求越來越高。激光焊、激光MIG復(fù)合焊和攪拌摩擦焊在發(fā)達(dá)國家鋁合金車體生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。其中高效、節(jié)能、環(huán)保的攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁合金車體生產(chǎn)制造中推廣使用速度較快，已成為國內(nèi)外發(fā)展的主流趨勢。

2.焊接機(jī)械手在鋁合金車體生產(chǎn)的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）鋁合金焊接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 高速動(dòng)車組和城軌車輛的車體普遍采用鋁合金全焊接結(jié)構(gòu)，車體承載結(jié)構(gòu)采用與車體等長的大型中空鋁合金型材組焊而成，包括底架、側(cè)墻、車頂和端墻，為筒型整體承載結(jié)構(gòu)，其主要焊縫均采用長縱焊縫連接方式，具有代表性的車體大部件通長采用的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及接頭形式如圖1所示。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛鋁合金車體中采用自動(dòng)焊焊接的焊縫有38～46道，而針對這種長、大、直焊縫，我公司幾乎全部采用焊接機(jī)械手完成焊接工作。鋁合金車體結(jié)構(gòu)件的焊接難點(diǎn)在于焊接量大，單條焊縫距離長，構(gòu)件對幾何精度、化學(xué)成分和材料處理等方面要求非常嚴(yán)格。近幾年，為了提高焊接效率、保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定，我們從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)采用焊接機(jī)械手焊接也是現(xiàn)階段生產(chǎn)中較為理想的焊接方法。

（2）單、雙絲焊接機(jī)械手的應(yīng)用 焊接機(jī)械手是國外發(fā)達(dá)國家應(yīng)用最為普遍的一種自動(dòng)焊技術(shù)，其焊接質(zhì)量和效率大大優(yōu)于手工焊和其他焊接專機(jī)。我公司近幾年引進(jìn)和推廣焊接機(jī)械手MIG焊技術(shù)，是在客車制造行業(yè)制造工藝的一種突破，是由密集的手工制作向自動(dòng)化生產(chǎn)全面推廣發(fā)展的過程。焊接機(jī)械手的廣泛應(yīng)用對企業(yè)產(chǎn)能的迅速提升和產(chǎn)品品質(zhì)的保證奠定了基礎(chǔ)，一定程度上消除人員變化對企業(yè)發(fā)展的影響，對軌道客車鋁合金車體制造技術(shù)有很大的提升。

圖1 車體側(cè)墻部件采用的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和接頭形式

隨著鋁合金車體應(yīng)用市場的不斷壯大，目前對焊接機(jī)械手MIG焊設(shè)備方面的需求也隨之增大，其中具有代表性的有美國Miller公司、德國的SKS、Benzel和Ni-mark公司的Twin arc以及德國的Cloos公司、奧地利的Fronius公司和美國的Lincoln公司的Tandem設(shè)備。我公司引進(jìn)的焊接機(jī)械手從結(jié)構(gòu)上主要有龍門式和懸臂式兩種方式，從送絲機(jī)構(gòu)上采用單絲焊接或者雙絲焊接。在焊縫跟蹤上都采用激光跟蹤的方法，圖2為懸臂式和龍門式機(jī)械手自動(dòng)焊設(shè)備，分為單、雙絲焊接兩種。焊接機(jī)械手系統(tǒng)多由機(jī)械手本體（1～6軸）、外部軸、軌道軸、控制柜、電焊機(jī)、示教器及外圍附件（清槍、除塵、激光）等7部分組成。

目前機(jī)械手焊接大部件普遍采用雙槍雙絲MIG焊接，單絲焊接一般用在初期設(shè)備系統(tǒng)上。當(dāng)采用單絲焊接時(shí)，如果要求焊接速度較高，電弧的熱量沒有充分地向母材擴(kuò)散，形成的熔池小，周圍的母材溫度梯度大，熔池凝固快，熔化金屬來不及和母材充分熔合，因此需要較高的焊接熱輸入。而從焊接效率、焊縫質(zhì)量和力學(xué)性能等方面進(jìn)行對比，針對4V坡口采用雙絲焊比單絲焊的焊絲熔化效率提高近1倍，而焊接熱輸入量降低了約18%，保護(hù)氣體用量節(jié)約33%，焊縫抗拉強(qiáng)度提高10～15MPa。

（3）焊接機(jī)械手應(yīng)用的主要問題 近年來，我公司在動(dòng)車組提能生產(chǎn)中多引進(jìn)雙槍雙絲焊機(jī)械手，從生產(chǎn)效率上考慮基本滿足焊接生產(chǎn)要求。但是如何進(jìn)一步提高自動(dòng)焊接的效率是鋁合金自動(dòng)焊接不斷追求的重要目標(biāo)。另外，針對一些關(guān)鍵厚板部件（8mm以上板厚）如枕梁、牽引梁和車鉤座板等部件，多層MIG焊及焊后的多次焊補(bǔ)，并由此導(dǎo)致焊接接頭的強(qiáng)度下降、易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷已成為產(chǎn)品提質(zhì)提能的制約因素。此外，MIG焊強(qiáng)度損失較多，焊接環(huán)境要求高，運(yùn)行和焊接培訓(xùn)成本高，接頭質(zhì)量控制及對環(huán)境污染等問題日益凸顯出來。如何減少鋁合金焊接接頭強(qiáng)度損失、提高焊接效率、獲得優(yōu)良的焊接接頭，是推進(jìn)鋁合金車輛發(fā)展重要課題。

3.攪拌摩擦焊焊接機(jī)械手在鋁合金車體制造中的發(fā)展趨勢

由于攪拌摩擦焊焊接效率高、接頭強(qiáng)度高、缺陷率低、無污染和制造成本較低，是一項(xiàng)高效、節(jié)能、環(huán)保的新技術(shù)，所以采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造軌道客車鋁合金車體已成為國內(nèi)外發(fā)展趨勢，加快研究鋁合金攪拌摩擦焊接頭的行為至關(guān)重要。在軌道車輛行業(yè)，攪拌摩擦焊技術(shù)在日本日立、德國邦巴帝、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。

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。2010年9月，作為軌道車輛行業(yè)的龍頭企業(yè)，我公司首先引進(jìn)一臺(tái)小型攪拌摩擦焊設(shè)備，開展了中厚板攪拌摩擦焊技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)試制工作。2013年，公司又引進(jìn)一臺(tái)龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備，用于鋁合金車體大部件的攪拌摩擦焊自動(dòng)化焊接。隨著我國軌道交通業(yè)的迅速發(fā)展，攪拌摩擦焊國際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，國內(nèi)幾家主要的軌道客車生產(chǎn)企業(yè)，如青島四方、株洲等均在進(jìn)行攪拌摩擦焊工藝的開發(fā)工作。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁合金車體上推廣應(yīng)用，美國的MTI，瑞典ESAB、奧地利的IGMH和HAGE及北京賽福斯特技術(shù)有限公司等對攪拌摩擦焊大型設(shè)備均有較明顯的制造業(yè)績。圖3為典型的攪拌摩擦焊自動(dòng)焊設(shè)備工作模式。

圖2 機(jī)械手自動(dòng)焊設(shè)備工作模式

4.建議

針對軌道車輛企業(yè)提質(zhì)提能生產(chǎn)的大環(huán)境，機(jī)械手MIG焊焊接已經(jīng)廣泛應(yīng)用在鋁合金車體長大部件的生產(chǎn)制造中，而采用高質(zhì)、高效、節(jié)能及環(huán)保的攪拌摩擦焊工藝制造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)研究也引起廣泛關(guān)注。但是攪拌摩擦焊的在工業(yè)應(yīng)用時(shí)間尚短，理論研究尚不成熟。因此，針對攪拌摩擦焊機(jī)械手設(shè)備的研發(fā)、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的持續(xù)優(yōu)化等幾方面的深入研究，將有利于攪拌摩擦焊機(jī)械手在鋁合金車體制造業(yè)中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

圖3 攪拌摩擦焊自動(dòng)焊設(shè)備工作模式