安子良，王子業(yè)，火巧英，孟慶標(biāo)，王維鑫

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院，上海201418；2.南京浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，南京210031）

0 前言

近年來，我國軌道交通事業(yè)迅猛發(fā)展，截止2017年底，地鐵運(yùn)營總里程達(dá)到4712km[1]，高鐵運(yùn)營里程2.5萬km，隨之而來的是能源消耗的巨幅增長。因此，當(dāng)前軌道交通車輛研究的熱點(diǎn)是在保證安全性、可靠性的基礎(chǔ)上，通過使用輕質(zhì)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造工藝革新三大途徑[2]，實(shí)現(xiàn)列車車體輕量化與綠色制造，以最終達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。采用鋁合金可降重50%。成為車體輕量化的首選材料，目前已占據(jù)全世界地鐵市場70%的市場份額，高鐵市場的95%。就結(jié)構(gòu)而言，鋁合金車體采用大型中空寬幅擠壓型材，取消鋼制車體上的各種梁、柱及補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在提高車體整體剛度的同時(shí)也減少了制造成本、延長了使用壽命；從生產(chǎn)工藝上看，鋁合金車體由鉚接革新為焊接后每輛車減重約500kg，顯著提高密封性能，滿足高速運(yùn)行情況下空氣動(dòng)力學(xué)的要求，同時(shí)也減少了缺陷產(chǎn)生，外觀平整度高。

本文基于軌道車輛全周期壽命理論，從材料特性、生產(chǎn)成本、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，對鋁合金車體熔焊、激光焊與攪拌摩擦焊工藝的優(yōu)劣進(jìn)行了比較研究，重點(diǎn)討論了國內(nèi)軌道車輛生產(chǎn)企業(yè)采用攪拌摩擦焊工藝大規(guī)模生產(chǎn)鋁合金車體的可能性，對于提升我國在軌道交通車輛裝備制造水平、列車服役穩(wěn)定性及可靠性具有重要意義。

1 鋁合金車體研究

1.1 材料特性

由表1可知，鋁合金比強(qiáng)度為耐候鋼的2.6倍、不銹鋼的2.3倍，參考EN 12663-2003《鐵路應(yīng)用鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)[3]，相比鋼制車體，鋁合金車體在碰撞時(shí)由慣性產(chǎn)生的動(dòng)能較小，因此乘客受到的沖擊力也較低，安全性不降反升。

圖1是國外車輛用鋁的使用及減重情況比對圖。

表1三種材料比強(qiáng)度性能比較

圖1國外城軌車輛使用鋁材減重情況

1.2 生產(chǎn)成本

軌道車輛的全壽命周期成本[4]（Life Cycle Cost，LCC）是指綜合考慮采購成本Ck、維修成本Cm、運(yùn)營能耗成本Co和回收處置成本Cd全過程并使總費(fèi)用最小的優(yōu)化理念。

（1）采購成本Ck：我國各城市軌道交通服役車輛中鋁合金車的平均采購成本為115萬美元，約為不銹鋼車體的1.6倍、耐候鋼車體的1.9倍。

（2）維修養(yǎng)護(hù)成本Cm：資料表明，在30年使用期內(nèi)，不銹鋼車體的維修費(fèi)用低于1萬美元，鋁合金車體在2萬美元左右，碳鋼車體的維修費(fèi)用超過10萬美元[4]。

（3）運(yùn)營能耗成本Co：鋁合金車體比不銹鋼車體約輕1t，以每日走行500km、每1km耗電約0.137MJ計(jì)算，則一年節(jié)約電能25000MJ[5]，壽命期內(nèi)節(jié)約電費(fèi)2.3萬美元。

（4）回收處置成本Cd：以車輛出廠10年的檢修工時(shí)對比為例，鋼材車輛為100%，鋁合金車輛為52%；報(bào)廢車輛的回收價(jià)值，鋼材車輛為100%，而鋁合金車輛為480%[6]。

耐候鋼、不銹鋼和鋁合金這3種車用材料的采購、維修費(fèi)用比較如圖2所示。

圖2不同材料軌道交通車輛采購、維修費(fèi)用比較圖

綜上所述，從車輛采購成本Ck與維修養(yǎng)護(hù)成本Cm來看，不銹鋼要略優(yōu)于鋁合金；但在運(yùn)營能耗成本Co與回收處置成本Cd方面，鋁合金要明顯優(yōu)于兩類鋼材。從30年的運(yùn)營周期來看，鋁合金車體LCC優(yōu)于不銹鋼與耐候鋼全壽命周期成本。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如表2所示，軌道交通車輛上有5000、6000和7000系三種系列鋁合金應(yīng)用在車體的不同結(jié)構(gòu)與部位[7]，以滿足軌道車輛運(yùn)營的強(qiáng)度、剛度與防腐性能要求。從剛度考慮，鋁合金材料的密度與彈性模量僅為鋼材的1/3，必須考慮構(gòu)件和車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。因而鋁合金車體通過采用大型中空擠壓型材及其組合件、加大板厚及車體端面等方法來提高車體的抗彎剛度，以減少變形量、提高列車運(yùn)行安全性。

表2 5000、6000、7000系鋁合金機(jī)械性能與用途

2 焊接工藝

鋁合金在軌道交通車輛制造中的應(yīng)用日益增長，但存在獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)（熱導(dǎo)率大（約為鋼的4倍）、易產(chǎn)生氣孔裂紋、表面有氧化膜等）導(dǎo)致的焊接難點(diǎn)，因此如何選取合適的焊接工藝是鋁合金車體進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化推廣的關(guān)鍵問題。

2.1 熔焊方法

目前，鋁合金軌道車輛主要采用鎢極氣體保護(hù)電弧焊（TIG）與熔化極/惰性氣體保護(hù)電弧焊（MIG/MAG）為主的熔焊焊接生產(chǎn)工藝。交流TIG焊焊接質(zhì)量好，但工效較低，主要應(yīng)用在焊接3mm以下的薄板，僅適合小件、薄板操作和修補(bǔ)作業(yè)，而對中厚板的焊接效率較低且成本高，因此在鋁合金車體上使用十分受限；直流MIG/MAG焊效率高，但焊接接頭性能不佳，在軌道車輛鋁合金車體上一般用于端墻、側(cè)墻、車頂、底架等長大部件的焊接，適合手工焊及半自動(dòng)焊[8]。總而言之，TIG、MIG/MAG兩種熔焊方法均存在各自局限性，且工藝復(fù)雜，因而無法完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。

2.2 激光焊

為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高生產(chǎn)效率與焊接質(zhì)量，目前軌道車輛生產(chǎn)普遍采用激光焊代替TIG、MIG焊等熔焊工藝，車體零部件也逐漸采用攪拌摩擦焊、激光-電弧復(fù)合焊接工藝等新技術(shù)。

激光焊接（LaserWelding，LW）在20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用于汽車車身制造領(lǐng)域并逐漸發(fā)展為汽車制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工藝，在焊接20～30m長焊縫時(shí)可取代MIG、MAG和電阻焊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐美發(fā)達(dá)國家50%～70%的汽車部件都是用激光焊接完成的[9]，但在焊接鋁合金時(shí)仍存在如下問題[10]：鋁合金對激光能的初始反射率達(dá)到90%，能源浪費(fèi)嚴(yán)重；最大可焊厚度受到滲透厚度限制，不適合焊接超過19mm厚的工件。就現(xiàn)有的激光焊接技術(shù)而言，尚無法勝任對于鋁合金車體長厚板及中大型零部件的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)要求，迫切需要一種能量密度大、熱量高度集中且高效節(jié)能的焊接方法。

2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（Friction StirWelding，F(xiàn)SW）是一種用于低熔點(diǎn)合金板材焊接的新型固相連接技術(shù)。針對鋁合金列車接頭抗撞性能、疲勞性能和抗腐蝕性能等問題，歐洲FSW相關(guān)單位進(jìn)行了“ALJOIN”、“EuroStir”以及“GSP”等多個(gè)項(xiàng)目的聯(lián)合開發(fā)與共同研究[11]。Radisavljevic[12]、Sato[13]以及王希靖[14]等人分別研究了不同系列鋁合金的FSW工藝與接頭性能。上述研究共同促進(jìn)了FSW焊接在船舶、航空、航天、軌道車輛、汽車等各個(gè)領(lǐng)域的焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化，簡化設(shè)計(jì)、降低成本。

FSW在汽車、軌道交通車輛以及航空航天領(lǐng)域都已經(jīng)進(jìn)入工程化后期和工業(yè)自動(dòng)化階段。1998年，日本日立公司對A-Train系列車制造過程中采用FSW技術(shù)進(jìn)行3m單面?zhèn)劝寮?5m雙蒙皮列車頂板的焊接并批量制造；日本住友輕金屬公司采用FSW技術(shù)焊接超過3000m的無損焊縫[15]。同年，英國龐巴迪公司采用FSW技術(shù)生產(chǎn)了300多輛地鐵列車[16]。自2008年開始，我國南車株洲電力機(jī)車有限公司進(jìn)行FSW技術(shù)在鋁合金車體焊接中的試制研究工作，2010年開始進(jìn)行鋁合金車體側(cè)墻、地板、平頂板的焊接生產(chǎn)。

2.4 三種工藝與接頭性能比較

以軌道車輛車體常用型材6005A鋁合金為例，對FSW、激光焊與MIG 3種方法適用的焊接厚度范圍、焊接速度參數(shù)作對比[17]，并對焊接頭拉伸與疲勞性能試驗(yàn)進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

表3 FSW、激光焊和MIG焊接各項(xiàng)性能對比

由表3可知：（1）FSW幾乎可焊接所有厚度的板材，MIG對于小于3mm的薄板和大于10mm的厚板焊接性能不佳，激光焊由于滲透厚度限制無法焊接超過19mm的厚板；（2）FSW焊接速度約為手工MIG焊的10倍、激光焊的4倍，焊接效率同比大幅度提升；（3）FSW的最高焊接溫度為480℃，比MIG與激光焊（660℃）低得多；（4）FSW的連接斷面比MIG焊光滑得多，可直接用于產(chǎn)品；（5）FSW固相連接，不會(huì)形成氣孔、裂紋等缺陷，焊接變形量僅是MIG焊的1/10～1/20，焊接殘余應(yīng)力較MIG焊降低15%以上；（6）FSW焊接頭抗拉強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度均優(yōu)于MIG焊；（7）FSW焊成本低，在焊接過程中不需要消耗其他材料，能源消耗少，所需的能量僅為激光焊接的2.5%。因此，F(xiàn)SW更符合鋁合金車體全壽命周期成本優(yōu)化的條件，也更加適合軌道車輛工業(yè)化生產(chǎn)要求。

3 結(jié)論

通過上述分析表明，隨著鋁合金車體工業(yè)化的不斷拓展，其焊接工藝逐漸由TIG、MIG/MAG等常規(guī)熔焊向激光焊、攪拌摩擦焊等先進(jìn)焊接方法過渡，從全周期壽命理論的角度來看，攪拌摩擦焊技術(shù)很好地滿足了鋁合金輕質(zhì)材料對車體結(jié)構(gòu)制造提出的挑戰(zhàn)與要求，F(xiàn)SW工藝有可能成為現(xiàn)今軌道交通車輛裝備制造的最佳解決方案。