韓曉輝, 張志毅, 李剛卿, 武永壽

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

0 前言

軌道客車是以載客為目的交通運輸裝備,是動車組、干線客車及城軌地鐵車輛的統(tǒng)稱,作為現(xiàn)代鐵路運輸體系的骨干,對國民經(jīng)濟具有特殊地位和重要作用。近十年來,隨著高鐵建設的快速發(fā)展[1],中國軌道客車產(chǎn)業(yè)增長迅速,產(chǎn)品譜系呈現(xiàn)多元化、系列化的發(fā)展趨勢,產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動了新型材料的應用和先進連接技術的進步,列車輕量化已成為軌道客車的重要發(fā)展方向[2],其基礎是輕質(zhì)材料,關鍵是連接技術。

隨著軌道客車速度等級的不斷提高,運行區(qū)間逐步擴大,列車載荷工況日趨嚴苛,服役環(huán)境更加復雜。車輛材料應用技術發(fā)展迅速,材料種類呈現(xiàn)多樣化,材料強度要求更高,組織成分日趨復雜,新材料應用空間巨大,不斷向高強、輕量、耐磨、耐蝕方向延伸,面向應用場景的材料服役性能要求日益嚴苛,性能指標、輕量化水平逐步提高,這些變化給車輛連接技術帶來巨大挑戰(zhàn),同時這些挑戰(zhàn)又促進了新型連接技術的工程化應用及服役安全評估,推動了軌道客車的連接技術革命和產(chǎn)品的升級換代,形成了整個軌道客車產(chǎn)業(yè)鏈的良性循環(huán),為今后更好的發(fā)展奠定了基礎。

1 軌道客車產(chǎn)業(yè)概況

1.1 高速動車組

1964年,日本建設了第一條高速鐵路,開啟了世界鐵路發(fā)展的新時代。1981年,法國將高速鐵路發(fā)展推向新階段,帶動了歐洲高速鐵路發(fā)展,德國、西班牙先后投入建設高速鐵路。21世紀以來,中國高鐵實施了“引進來、走出去”的發(fā)展戰(zhàn)略,從引進消化、自主創(chuàng)新到深化創(chuàng)新,高鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,帶動了軌道客車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。2007年,200 km/h動車組上線運行;2008年,中國擁有了第一條350 km/h的高速鐵路-京津線;2009年,中國擁有了世界上運營里程最長,速度等級最高的高速鐵路—武廣線。如圖1所示,近十年來,以高速列車為代表的中國軌道客車產(chǎn)業(yè)增長迅速。2017年底,鐵路運營里程127 000 km,高鐵達25 000 km,形成了“四縱四橫”的高速鐵路網(wǎng);2019年底,全國鐵路里程達到了139 000 km,高鐵達35 000 km,基本實現(xiàn)了“八縱八橫”的規(guī)劃目標,動車組總量已超3 000組;預計在2025年,鐵路運營里程將突破170 000 km,高鐵線路占比將進一步增加;同時隨著印尼、泰國、馬來西亞及俄羅斯等國家出口項目的啟動,軌道客車海外市場空間廣闊。

圖1 高速動車組發(fā)展趨勢圖

1.2 鐵路客車

目前中國擁有干線客車40 000多輛,包含硬座車、硬臥車、軟座車、軟臥車、公務車等,其材質(zhì)已由普通碳鋼發(fā)展為低合金耐候鋼,耐蝕能力逐步增強,車輛材料強度級別從235 MPa提升至355 MPa,甚至達到450 MPa,材料性能的改進提高了鐵路客車的耐蝕能力及輕量化水平,也為提升列車速度等級及綜合服役能力奠定了基礎。從20世紀90年代初開始,鐵路客車由22型轉(zhuǎn)向25型,同時伴隨著高速鐵路的發(fā)展,干線鐵路客車也迎來了升級換代,在不斷提速的同時,車輛品質(zhì)和乘坐舒適性也大大提高。

1.3 城軌地鐵

城軌地鐵作為一種快捷便利的公共交通方式,自1863年從英國問世以來,受到全球眾多城市、廣大民眾的普遍歡迎。歐美國家城軌地鐵發(fā)展歷史早、運營線路成熟,但老的車輛已到了新的更換周期。中國城市軌道最早始于1906年天津的有軌電車,先后經(jīng)歷了萌芽起步、啟動建設及蓬勃發(fā)展4個階段,尤其是近十年,如圖2所示,中國城軌地鐵開通的城市數(shù)量由2009年的10個擴大至2019年的35個,運營里程由2009年不足1 000 km擴大至2019年5 400 km,預計在未來十年,還會呈現(xiàn)倍數(shù)增長,運營里程將突破20 000 km,市場前景極為廣闊。

圖2 城軌地鐵車輛發(fā)展趨勢圖

1.4 磁浮列車

磁浮交通是一種有別于傳統(tǒng)輪軌技術的新型軌道交通模式,具有加速制動快、能耗低、環(huán)境友好等特點。經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展,德國與日本已形成常導和超導兩條技術路線,近年來還面向不同應用場景創(chuàng)新發(fā)展了多種技術路線。與德國、日本相比,中國開展磁懸浮列車研究起步較晚。21 世紀初,引進了德國常導磁浮技術,在國家大力支持和政策推動下,目前已全面掌握了中低速磁懸浮交通的關鍵技術,并先后于2014 年和2017 年開通了長沙和北京中低速磁浮示范線,正在開展200 km/h中速磁浮關鍵技術攻關。在高速磁懸浮領域,建設了上海高速磁懸浮交通示范運營線,最高速度可達430 km/h。當前,中車四方正在研制600 km/h高速磁浮列車,預計在2020年底下線一列工程樣車,逐步形成高速磁浮系統(tǒng)的全套技術和工程化能力。

1.5 車輛服役環(huán)境的挑戰(zhàn)

軌道車輛需要適應高溫、嚴寒、風沙、冰雪、海洋、隧道等復雜的運營環(huán)境,承受高速、動載、交變的沖擊載荷工況,為滿足車輛的安全可靠性、高速舒適性及運行平穩(wěn)性的基本要求,列車結構設計特殊、材料應用形式多樣,譬如牽枕緩采用封閉插接箱型結構、司機室采用三維復雜曲面結構,鋁合金車身采用25 m長大薄壁型材結構。車輛材料基本為壁厚0.6~80 mm不等、材質(zhì)為超薄壁鋁合金,高強韌不銹鋼,高強高耐候碳鋼等材料。車輛制造工程問題復雜,車輛材料需滿足強度、精度、輕量化、耐蝕性、氣密性及抗疲勞能力的工程要求。同時隨著軌道客車運營速度的提高和運行區(qū)域的擴大,其所經(jīng)受的作用關系、地理氣候、運用工況日益復雜和嚴峻,解決各種惡劣服役環(huán)境的振動、沖擊、疲勞、腐蝕等適應性問題,是一項具有挑戰(zhàn)性的世界難題。

2 軌道客車應用材料發(fā)展歷程

軌道客車車體通常采用碳鋼、不銹鋼及鋁合金三種材料[3]。城軌地鐵速度120 km/h以下,多為高強不銹鋼材料,也有部分城市選擇鋁合金材料;普通客車速度120~200 km/h之間,多為碳鋼材料;動車組因速度等級高,多采用輕量化鋁合金材料。近幾年來,磁浮作為一種新的載運工具,進入軌道客車家族之中,尤其是速度600 km/h高速磁浮,必將推動軌道交通領域新一輪的技術革命,目前采用鋁合金材料,未來擬采用纖維增強復合材料[3]。不同材料車輛優(yōu)缺點分析見表1,各國車體材料應用情況如圖3所示,軌道客車材料發(fā)展趨勢如圖4所示。

圖4 軌道客車材料發(fā)展趨勢圖

表1 不同材料車輛優(yōu)缺點分析

2.1 不銹鋼車體

不銹鋼車體采用板梁組合、整體承載、高強冷作硬化不銹鋼焊接結構,端部底架為中厚板碳鋼焊接結構,目前采用電阻點焊工藝為主,輔以電弧MAG焊的工藝模式,車輛具有無涂裝、免維護、耐蝕性好、安全性高、污染小的技術特點,同時存在氣密性差、變形控制難度大,不銹鋼車體如圖5所示,目前主要用于120 km/h以下的城軌地鐵領域。

圖5 不銹鋼車體

軌道車輛用不銹鋼材料主要為301L超低碳高強冷作硬化不銹鋼薄板,常用厚度為0.6~5.0 mm,部分指標需結合車輛制造特點進行嚴控,以保證材料良好的可加工性、結構承載及綜合服役能力。不銹鋼材料用于軌道客車制造,要重點控制板型精度、易成形性和可焊接性三項指標,譬如同一批次不同位置及不同批次間不銹鋼材料成分、組織及力學性能指標要穩(wěn)定,目前國產(chǎn)不銹鋼材料缺乏面向運行環(huán)境的疲勞、耐蝕等服役性能數(shù)據(jù),材料的成分、組織及性能的均勻性和穩(wěn)定性有待提高。

2.2 鋁合金車體

鋁合金車體采用通長中空薄壁型材插接結構,其底架為中厚鋁板及型材的框架結構;采用自動MIG焊接,部分位置受空間所限輔以半自動MIG焊的工藝模式;具有工藝簡單,自動化程度高,車體剛度、平面度、氣密性、輕量化效果好的技術特點;但存在防火性差,型材擠壓要求高的缺點;主要用于動車組車輛,城軌地鐵部分采用,如圖6所示。

圖6 鋁合金車體

鋁合金車體采用5,6,7系型材及板材[4],常用厚度6.0 mm以下。通過引進、消化、吸收再創(chuàng)新,形成軌道車輛用鋁合金材料的國產(chǎn)化能力,形成國家標準并在中國標準動車組中全面執(zhí)行。三類材料應用的主要問題有:5系材料強度低、6系材料接頭軟化、7系材料耐應力腐蝕能力有待提高。需結合不同運用環(huán)境夯實材料服役性能數(shù)據(jù),提升其綜合服役能力及質(zhì)量穩(wěn)定性。

2.3 碳鋼車體及構架

碳鋼車體及構架多采用耐候鋼和低合金結構鋼材料,強度低、重量大,耐蝕能力弱,構件綜合服役能力較差。碳鋼作為一種經(jīng)濟性、工藝性好的材料,其應用發(fā)展的方向為:力學性能、耐蝕能力需進一步提高,同時保證其良好的可焊接性,以提升車輛的綜合服役能力和輕量化水平,碳鋼車體如圖7所示。

圖7 碳鋼車體

2.4 碳纖維車體

纖維增強復合材料尤其是碳纖維材料以其輕量、高強度、高耐候的優(yōu)異性能及在航空、航天等領域的成熟應用[5],目前已在下一代地鐵列車中應用[6],如圖8所示,將成為解決未來高鐵及600 km/h高速磁浮列車進一步高強化、輕量化問題的絕佳選擇。但其目前亟需解決的技術問題為:軌道車輛碳纖維材料的工程造價高,其性能評估、質(zhì)量評價、損傷修復、檢驗檢測及連接技術體系尚未建立,技術研發(fā)滯后于軌道交通行業(yè)發(fā)展需求。

圖8 下一代碳纖維地鐵

3 連接方法應用概述

隨著車輛材料應用范圍的不斷拓展,從傳統(tǒng)碳鋼逐步擴大至不銹鋼、鋁合金、鋁蜂窩及碳纖維等多種材料,材料強度更高、壁厚更薄、合金體系更加復雜。材料連接難度不斷增大,連接方式日趨多樣,由單一焊接、熱鉚擴大至焊接、粘接、鉚接(熱鉚+冷鉚)、栓接多種方式,焊接方法向高能、低熱、低應力、小變形的方向發(fā)展,連接手段擴大至無熱量、無變形、低應力、微損傷的鉚接、粘接方式,各種連接方法接頭斷面如圖9所示。

3.1 焊接技術應用概況

焊接是金屬連接最重要的方式,焊接作業(yè)占軌道車輛車體、轉(zhuǎn)向架總工作量的80%以上。焊接技術水平代表了軌道車輛的制造水平,關系車輛產(chǎn)品質(zhì)量和運行安全。目前已形成涵蓋三類主要材料,以電弧焊、電阻焊、激光焊、攪拌摩擦焊、螺柱焊[7]、釬焊等多種焊接方法綜合運用的現(xiàn)代焊接體系,涵蓋手工、半自動、自動三種焊接形式[8-9]。不銹鋼車體采用板梁搭接結構,因不銹鋼熱脹系數(shù)高、變形大,采用電阻焊為主,電弧MAG焊結合的工藝模式,激光焊接、等離子焊、CMT焊是應用趨勢[10-11]。鋁合金車體采用型材插接結構,以電弧MIG焊為主、電阻點焊為輔的工藝模式,攪拌摩擦焊、激光-電弧復合焊是應用趨勢。碳鋼構架和車體底架焊接以中厚板拼焊為主,具有焊接打磨量大、多層焊接的特點,采用電弧MAG焊的工藝模式,雙絲焊、激光-電弧復合焊是應用趨勢。

3.1.1 電弧焊應用

電弧焊是以熔化金屬焊絲做為電極,并由氣體保護的一種焊接方法[12-13]。根據(jù)電源、送絲、槍頭、保護氣體的不同,衍生出電弧MIG焊、雙槍電弧MIG焊、電弧MAG焊、電弧TIG焊、CMT焊、雙絲焊、等離子弧焊等方法。目前電弧焊的使用比例為:鋁合金車體占80%、不銹鋼車體占20%、碳鋼車體及構架占100%;電弧焊作業(yè)方式靈活、工程適應性強,是目前應用最廣的焊接方式,圖10所示為機器人全自動弧焊的應用。

圖10 鋁合金車體自動化機械手電弧焊示意圖

3.1.2 電阻焊應用

電阻焊是將被焊金屬工件壓緊于兩個電極之間通電,利用電流經(jīng)過工件接觸面及臨近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱,將其局部加熱到熔化及塑性狀態(tài),使之形成金屬結合的一種連接方法。具有焊接變形小、焊接成本低、自動化程度高、焊接污染小的特點。在不銹鋼車體上廣泛應用,每輛車焊點數(shù)量20 000~30 000個,縫焊長度120 m,鋁合金車體也有少量應用,約占5%左右。電阻點焊在車體結構上的應用非常廣泛,例如鋁合金動車端墻點焊,不銹鋼車體車頂、側(cè)墻、端墻點焊等[14]。典型電阻點焊設備如圖11所示。

圖11 不銹鋼車體自動電阻點焊示意圖

3.1.3 激光焊應用

激光焊接是高能量激光束作為熱源作用于工件表面完成材料連接的一種焊接方法,分為熱傳導焊和深熔焊。具有能量密度高、焊接變形小、接頭強度高、可實現(xiàn)全自動連續(xù)焊接的工程特點[15]。當前主要用于不銹鋼車輛的焊接,如圖12所示。據(jù)不完全統(tǒng)計,國內(nèi)運營的激光焊車輛1 000余輛,定單已逾2 000輛,市場前景極為廣闊。

圖12 不銹鋼車體激光焊示意圖

3.1.4 激光-電弧復合焊應用

激光-電弧復合焊屬于軌道交通領域前沿技術,德國ICE-4新一代高鐵碳鋼側(cè)墻、中國600 km/h高速磁浮列車薄壁鋁合金車身、下一代地鐵列車枕梁采用該技術[16-19],如圖13圖示。激光-電弧復合焊具有高能、低熱、低應力、小變形、填絲焊接,間隙適應性好,焊縫綜合性能優(yōu),部件制造精度高,無接觸精密焊接,輕量化、柔性化效果好的工程特點,可解決中厚板不銹鋼枕梁、碳鋼構架等重要承載部件及高速列車鋁合金輕量化部件的焊接難題,在軌道車輛焊接中極具發(fā)展前景,圖14為600 km/h高速磁浮樣車。

圖13 鋁合金地板激光-電弧復合焊

圖14 600 km/h高速磁浮樣車

3.1.5 攪拌摩擦焊應用

攪拌摩擦焊作為一種優(yōu)質(zhì)的鋁合金焊接技術,在動車組枕梁、城軌地鐵側(cè)墻、車頂?shù)炔考械玫酱笈繎肹20-22]。攪拌摩擦焊具有接頭強度高,焊接變形小,無弧光煙塵,綠色、節(jié)能、環(huán)保的工程特點;但存在著組裝條件嚴苛、適應接頭型式單一的工程局限,如圖15所示。后期需重點解決高精度型材擠壓成形、精密組裝及變形控制、焊接可靠性控制補償、攪拌針設計選型等工程需求。

圖15 鋁合金地板攪拌摩擦焊示意圖

3.1.6 釬焊應用

釬焊主要應用于軌道車輛空調(diào)冷凝水管、轉(zhuǎn)向架制動管路等銅管的連接。具有加熱溫度低、母材不熔化、可重熔拆卸、焊接變形小、適于異種材料連接等特點,車輛銅管釬焊如圖16所示。

圖16 銅管感應釬焊

3.1.7 焊接信息化技術

隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展及中國制造2025戰(zhàn)略的提出,焊接信息化技術將是焊接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。焊接信息技術主要圍繞焊接工藝設計、焊接工藝管理、智能化焊接系統(tǒng)、焊接過程監(jiān)控等方面不斷拓展應用[23],依托焊接信息化系統(tǒng),完成焊接數(shù)據(jù)的自動采集、分析及應用,焊接信息化技術應用如圖17所示。隨著5G技術的逐步應用,焊接信息化技術也將得到更大的發(fā)展。

圖17 焊接信息化技術應用圖

3.1.8 焊接仿真技術

目前,圍繞產(chǎn)品設計、制造、試驗、評估的全過程,軌道交通領域各主機企業(yè)正在逐步搭建模擬仿真、虛擬驗證平臺[24-26],涵蓋結構驗證、變形預測、應力分析、離線編程、壽命預測及焊工培訓等各個專業(yè)領域,利用數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)情景再現(xiàn)和仿真驗證,支撐新產(chǎn)品試制和新工藝開發(fā),降低制造成本,縮短研發(fā)周期,隨著車輛產(chǎn)品譜系化、多元化的發(fā)展趨勢以及列車制造要求的不斷提高,焊接仿真技術將在未來發(fā)揮更加重要的作用,如圖18和圖19所示。

圖18 不銹鋼車體側(cè)墻電阻焊離線編程

圖19 轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接仿真分析

3.2 鉚接技術應用

鉚接作為一種古老而現(xiàn)代的連接技術,具有工藝過程簡單、連接強度穩(wěn)定可靠、交變載荷工況服役性能好、檢查和維修便捷、適用于結構復雜的各種金屬和非金屬之間的連接等特點,面向超薄金屬、碳纖維材料連接優(yōu)勢明顯[27-29],目前在車輛車鉤安裝座與牽引梁、CRH1動車枕梁與邊梁、600 km/h高速磁浮等車輛主結構采用。自沖摩擦鉚接技術作為一種新型鉚接技術,相比普通鉚接具有連接方便、接頭強度高、成本低等突出的優(yōu)點,適合于鋁車身、鋼鋁異種金屬連接,未來將會具有較大的發(fā)展前景,如圖20所示。

圖20 自沖摩擦鉚接過程圖示

3.3 粘接技術應用

粘接是利用適宜的膠粘劑,采用適當?shù)慕宇^形式和粘接工藝,將不同或相同的材料連接成為連續(xù)牢固穩(wěn)定的一種工藝方法。粘接技術以其簡便、快捷、高效、價廉,面向不同特征材料、工程適用范圍廣泛、無應力集中等工程特點,目前廣泛應用于車輛側(cè)墻板與骨架梁、低地板車頂與側(cè)墻、前窗、側(cè)窗玻璃粘接等領域[30-35],如圖21所示。粘接軌道車輛不可或缺的連接技術,應重點研究粘接劑特性及匹配選型技術、試驗驗證及質(zhì)量評價技術、全壽命周期服役性能評估技術、粘接接頭修復技術、粘接無損檢測技術。

圖21 高鐵前窗粘接

4 前景展望

當前,世界各國正在研發(fā)更高速度等級的高速列車,600 km/h的高速磁浮工程樣車已成功試驗,車身采用高強鋁合金材料及全新的激光-電弧復合焊接技術。面向未來,高速列車向高速化、輕量化、高安全、高可靠性、高模塊化、低維護成本、智能化、高乘坐舒適性、綠色節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展,而這些方向的實現(xiàn)離不開新材料及其新型連接技術的不斷開發(fā)應用,更離不開現(xiàn)有材料、傳統(tǒng)連接方法的技術提升[36]。

面對未來高速列車的發(fā)展趨勢,材料的輕量化、耐候性、耐磨損、工藝性、低成本、綠色環(huán)保、減振降噪的功能指標更加受到重視,新材料應用至關重要,呈現(xiàn)強度更高,厚度更薄,耐蝕性更好、服役性能更優(yōu)的發(fā)展趨勢。圍繞其組織成分、制造精度、制造工藝性及綜合服役性等核心技術指標的提升是一項長期而又艱巨的任務。

連接技術手段日趨多樣化,形成了以焊接為主、鉚接、粘接、栓接互為重要補充的現(xiàn)代連接技術體系。焊接方法不斷完善,具備“高能、低熱、低應力、小變形”特征的新型焊接方法不斷實現(xiàn)工程化應用。自動、高效、智能的焊接作業(yè)模式逐步占據(jù)主流,過程監(jiān)控、信息采集及大數(shù)據(jù)分析成為引領未來焊接技術發(fā)展的重要方向。焊接管理體系日趨完善,EN 15085,CWF,IRIS體系融入焊接制造過程并與國際接軌。面向復雜環(huán)境、工況的服役安全評價體系日益完善,為軌道客車安全、可靠運行提供了保障。基于焊接基礎理論、面向工程的焊接模擬仿真技術備受重視,焊接技術從工程問題將逐步深化為科學問題,實現(xiàn)技術引領和原始創(chuàng)新。

5 結束語

軌道客車作為一種安全、便捷、綠色的交通運輸工具,以其安全可靠性和乘坐舒適性而倍受青睞,軌道客車產(chǎn)業(yè)是中國制造2025的重點發(fā)展領域之一,其日益增長的客運需求對列車制造技術提出了更高要求,新型輕量化材料和先進連接方法的技術進步必將推動軌道客車產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,引領中國軌道交通產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造輝煌。