1 序言

焊接是軌道交通裝備制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)，焊接效率的高低、質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全。目前，傳統(tǒng)的焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊已無法滿足先進(jìn)的設(shè)計(jì)及可靠性要求。攪拌摩擦焊、激光焊等工藝在生產(chǎn)線上大量的使用，圍繞轉(zhuǎn)向架焊接技術(shù)的模擬仿真、焊接自動(dòng)化、焊接信息化及新工藝也得到應(yīng)用開展，CMT（冷金屬過渡）專用薄板焊接技術(shù)也隨著輕量化車體的制造應(yīng)運(yùn)而生，這些都推進(jìn)了軌道交通行業(yè)焊接技術(shù)的進(jìn)步。

2 軌道交通制造焊接技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 鋁合金車體雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)

常規(guī)的攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）作為一種固相焊接方法，具有焊接接頭成形美觀、綜合力學(xué)性能良好、焊接變形小、綠色環(huán)保和無需焊材等優(yōu)點(diǎn)，適用于鋁合金、鎂合金、鈦合金及銅合金等金屬材料的焊接，在造船、航空航天及軌道交通等領(lǐng)域獲得了廣泛的推廣和應(yīng)用[1]。但常規(guī)攪拌摩擦焊焊接過程伴隨較大的頂鍛力，需要對工件背部進(jìn)行剛性支撐，這一特點(diǎn)限制了攪拌摩擦焊工藝方法在一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用[2]。

雙軸肩攪拌摩擦焊（Bobbin Tool Friction Stir Welding）是一種新型的攪拌摩擦焊焊接方法，在雙軸肩攪拌頭中，由一個(gè)共用的攪拌針連接上下兩個(gè)軸肩，并分別與試件的兩個(gè)表面接觸，下軸肩代替了背部的剛性支撐墊板[3]。這一改進(jìn)大大降低了焊接過程中的頂鍛壓力，提高了攪拌摩擦焊的可操作性，同時(shí)節(jié)省了制造剛性裝置的成本。目前，雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)還處于研究階段，M. Esmaily[4]通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雙軸肩攪拌摩擦焊相比于普通攪拌摩擦焊，其峰值溫度較高，但對工件焊接熱輸入較低且冷卻速率較快，因此可得到抗拉強(qiáng)度較高的焊接接頭；Wang等[5]人研究了雙軸肩攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對接頭性能的影響，當(dāng)焊接速度為42mm/min、轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí)，可獲得母材強(qiáng)度80%的AA2198鋁合金焊接接頭；Zhang等[6]人發(fā)現(xiàn)焊接速度對雙軸肩攪拌摩擦焊接頭的斷裂位置有較大影響，當(dāng)焊接速度較低時(shí)，斷裂發(fā)生在焊核區(qū)，而當(dāng)焊接速度較高時(shí)，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)；中航工業(yè)的董繼紅等[7]人還開發(fā)了一種浮動(dòng)式雙軸肩攪拌摩擦焊設(shè)備，該設(shè)備降低了攪拌摩擦焊對工件平面度的要求，利用此設(shè)備，可獲得母材強(qiáng)度79%的6082-T6鋁合金焊接接頭。雙軸肩攪拌摩擦焊的工藝特點(diǎn)使其在鋁合金型材的焊接方面具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前此技術(shù)在該方面的研究還處于初級階段，所研究的雙軸肩攪拌摩擦焊焊接速度較低，還未達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用要求。

2.2 不銹鋼軌道交通車體激光焊接技術(shù)

隨著軌道交通車體輕量化、防腐等要求的不斷提高，不銹鋼車體已逐步得到推廣使用。不銹鋼車體多為無涂裝車體，外觀質(zhì)量及商品化程度要求較高。目前，不銹鋼車體多采用以電阻點(diǎn)焊為主、脈沖MAG焊為輔的焊接工藝。由于電阻點(diǎn)焊壓痕降低了車體的外觀質(zhì)量，同時(shí)電阻點(diǎn)焊車體結(jié)構(gòu)密封性差，生產(chǎn)效率不高，成為不銹鋼車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)制造中存在的主要問題，為此，提出了采用激光疊焊取代電阻點(diǎn)焊的方法。

激光焊接是一種高能束焊接方法，焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定、焊接速度快、焊接變形小，提高了不銹鋼車體的密閉性和整體剛度；激光疊焊技術(shù)是通過控制激光束在熔入下板某一深度時(shí)停止發(fā)射激光，實(shí)現(xiàn)外觀美觀，滿足車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。采用激光焊技術(shù)進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)焊接是不銹鋼軌道車輛制造技術(shù)的一次變革。對于部分熔透激光疊焊技術(shù)，經(jīng)過幾年的系統(tǒng)研發(fā)，已經(jīng)完成了焊接變形、接頭熔深、熔寬及抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律，激光疊焊結(jié)構(gòu)特征與疲勞特征等關(guān)鍵問題，激光焊接過程質(zhì)量檢測與控制，激光焊參數(shù)與壓緊力參數(shù)協(xié)調(diào)控制，以及激光焊車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等的研究。將軌道交通車體焊接中的大多數(shù)作業(yè)改為激光焊接，作業(yè)速度可提高20%～30%。通常，每輛軌道交通車體實(shí)施7000～8000處焊點(diǎn)，而經(jīng)點(diǎn)焊的加工表面需要后續(xù)加工，耗費(fèi)作業(yè)時(shí)間，激光焊改善了這方面的問題。

目前，日本、韓國已經(jīng)開始采用激光焊技術(shù)進(jìn)行軌道交通車輛的生產(chǎn)，德國、法國等歐洲的軌道交通車輛生產(chǎn)廠家也在推廣激光焊接技術(shù)，國內(nèi)中車長春客車股份有限公司、中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、中車株洲電力機(jī)車有限公司已經(jīng)開展了激光焊接不銹鋼軌道車輛的研究。中車長春客車股份有限公司采用激光焊技術(shù)完成了北京地鐵6號線及美國波士頓地鐵項(xiàng)目生產(chǎn)，并將在美國洛杉磯地鐵項(xiàng)目中采用激光焊技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)；中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司采用激光焊技術(shù)完成了北京地鐵14號線、青島地鐵等項(xiàng)目中車體產(chǎn)品的生產(chǎn)[8]，如圖1所示。

圖1 不銹鋼車體激光焊制造

2.3 鋁合金車體激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)

高速動(dòng)車組和大部分城軌車輛的車體均由鋁合金板材和型材組焊而成，鋁合金車體具有質(zhì)量輕、密封性好、噪聲低等特點(diǎn)，在城軌、地鐵和高速列車上應(yīng)用廣泛。在行駛過程中，車體長期承受著振動(dòng)和沖擊載荷的作用，車體焊縫的質(zhì)量和性能直接關(guān)乎車輛的安全性。目前，我國主要依靠的是MIG焊接技術(shù)，其焊接工藝及自動(dòng)化水平已較為成熟，但MIG焊接鋁合金存在單道焊接熔深有限，焊接速度慢、焊接熱輸入大、焊縫熱影響區(qū)寬、接頭韌性低、熱影響區(qū)以及焊縫的強(qiáng)度大幅下降，焊接結(jié)構(gòu)的變形大，以及需要焊后矯正等缺點(diǎn)，大大影響了鋁合金車體的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求。

鋁合金的激光-MIG復(fù)合焊接工藝與傳統(tǒng)的MIG焊相比，焊縫成形良好，不僅焊接效率提高，接頭的強(qiáng)度也有很大提高，并且接頭的應(yīng)力、變形也會減小，這對于保障鋁合金車體整體的尺寸精度和安全可靠性是非常有利的，也減輕了后續(xù)車體調(diào)修的難度，且相較于攪拌摩擦焊，適用的焊縫形式更全面。國外各大車輛制造商對激光-MIG復(fù)合焊工藝已有較為廣泛的應(yīng)用，而國內(nèi)對該工藝的應(yīng)用仍處于初級階段，大部分主機(jī)廠正在對激光-MIG復(fù)合焊的工藝進(jìn)行基礎(chǔ)研究和應(yīng)用驗(yàn)證，也有少數(shù)主機(jī)廠開始采用激光-MIG復(fù)合焊工藝進(jìn)行鋁合金車體長直焊縫的焊接。

2.4 轉(zhuǎn)向架自動(dòng)焊接工藝技術(shù)

（1）焊接數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助先進(jìn)的有限元數(shù)值模擬仿真技術(shù)，結(jié)合試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐，可實(shí)現(xiàn)對焊接變形和焊接應(yīng)力的準(zhǔn)確預(yù)測。一方面可降低試制成本，縮短試制周期；另一方面為焊接工藝設(shè)計(jì)提供理論支撐，并為控制焊接變形提供更多的量化數(shù)據(jù)。

針對軌道交通焊接轉(zhuǎn)向架的焊接模擬特點(diǎn)，基于商用焊接模擬仿真軟件SYSWELD進(jìn)行二次開發(fā)，對轉(zhuǎn)向架典型接頭和焊接方法，將網(wǎng)格劃分、熱源校核形成定制模塊，開發(fā)參數(shù)化設(shè)置界面，簡化工程技術(shù)人員的操作。對焊接轉(zhuǎn)向架部件，制定快速焊接數(shù)值模擬流程，獲得快速仿真結(jié)果。

（2）自動(dòng)化焊接技術(shù)的應(yīng)用 為了提高焊接產(chǎn)品的穩(wěn)定性、焊接效率，開發(fā)全自動(dòng)焊接工藝，實(shí)現(xiàn)了側(cè)梁內(nèi)筋、外體、橫梁及構(gòu)架的自動(dòng)焊接（見圖2），自動(dòng)焊接量占轉(zhuǎn)向架總焊接量的70%以上。

a）側(cè)梁自動(dòng)焊接

b）橫梁自動(dòng)焊接

c）構(gòu)架自動(dòng)焊接

圖2 轉(zhuǎn)向架自動(dòng)焊接

將自動(dòng)焊接與生產(chǎn)線有機(jī)結(jié)合，針對產(chǎn)品開發(fā)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線，生產(chǎn)線通過自動(dòng)物流（AGV）小車，將自動(dòng)組裝、自動(dòng)焊接（包括雙機(jī)協(xié)同焊接技術(shù)）、自動(dòng)打磨技術(shù)等自動(dòng)作業(yè)臺位及人工臺位串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、準(zhǔn)時(shí)化、節(jié)拍化生產(chǎn)，如圖3所示。自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線使焊接效率提高25%，如焊接構(gòu)架制造周期可縮短7天；制造質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫成形美觀，焊接變形小；自動(dòng)焊焊縫超聲波檢測一次合格率在98%以上，大大減少了焊縫的返修次數(shù)。

a）自動(dòng)化生產(chǎn)線

b）自動(dòng)物流

c）自動(dòng)組裝

d）自動(dòng)打磨

圖3 焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線

（3）焊接信息化技術(shù)應(yīng)用 隨著“中國制造2025”的提出，數(shù)字化工廠、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型制造企業(yè)建設(shè)要求，對于焊接過程的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌握、存儲變得越來越重要，基于焊接數(shù)字化工廠搭建，按照系統(tǒng)策劃、分步推進(jìn)的步驟，逐步開展焊接數(shù)字化工廠建設(shè)，第一階段實(shí)現(xiàn)焊接過程數(shù)據(jù)的采集、簡單的分析；第二階段實(shí)現(xiàn)工藝信息與生產(chǎn)要素信息的互聯(lián)互通；第三階段實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的分析，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化工藝、生產(chǎn)，如圖4所示。

圖4 焊接信息化平臺

2.5 軌道交通車輛CMT薄板焊接技術(shù)

隨著軌道交通裝備的發(fā)展，高速、輕量化已經(jīng)成為行業(yè)中日益關(guān)注的焦點(diǎn)。焊接作為一種連接工藝方法，廣泛地應(yīng)用于軌道交通車輛結(jié)構(gòu)制造過程中。目前，傳統(tǒng)的手工焊已無法滿足先進(jìn)的設(shè)計(jì)和可靠性要求，因此電阻焊、攪拌摩擦焊、激光焊等焊接工藝在生產(chǎn)線上大量應(yīng)用，如圖5所示的CMT專用薄板焊技術(shù)也隨著輕量化軌道交通車輛的制造應(yīng)運(yùn)而生。

圖5 手工CMT薄板焊接系統(tǒng)

根據(jù)高速、輕量化的要求，軌道交通車輛外蒙皮，流線型司機(jī)室外蒙皮大都采用1～3mm薄板結(jié)構(gòu)。外蒙皮的平面度及焊縫的美觀度對軌道交通車輛質(zhì)量具有重要影響。傳統(tǒng)的弧焊在薄板焊接過程中極易產(chǎn)生較大的變形。CMT薄板焊接在輕量化軌道交通車輛的薄板焊接方向與傳統(tǒng)的MAG焊相比具有獨(dú)特優(yōu)勢。

1）在薄板焊接時(shí)，CMT薄板焊接引弧可靠迅速，短時(shí)間內(nèi)即可熔化母材。傳統(tǒng)的MAG焊在焊接過程中，焊絲干伸長改變時(shí)，焊接電流會增加或者減少。而CMT薄板焊接時(shí)，焊絲干伸長的變化僅會改變送絲速度，不會導(dǎo)致電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)焊縫的熔深一致，同時(shí)弧長高度的穩(wěn)定性好，使得焊縫外觀成形能夠達(dá)到均勻一致。

2）較快的焊接速度，提高勞動(dòng)效率，適用于輕量化軌道交通車輛的大批量生產(chǎn)。CMT薄板焊接過渡是電弧不停地燃燒、熄滅，頻率高達(dá)每秒70多次，而電弧每重新引燃一次就能修正一次電弧，保證了電弧的穩(wěn)定性。在干伸長或者焊接速度改變的情況下，電弧長度也能保持一致，在焊接速度加快的情況下，也不會出現(xiàn)斷弧情況。

3）低熱輸入，良好的搭橋能力，使得薄板裝配間隙要求降低，可適用于流線型司機(jī)室蒙皮的焊接。CMT薄板焊接的熔滴過渡，在電流幾乎為零的情況下，通過焊絲的回抽將熔滴送進(jìn)熔池，熱輸入量迅速減少，對焊縫持續(xù)熱量輸出的時(shí)間非常短，從而給焊縫一個(gè)冷卻過程，降低了薄板焊接的變形量，同時(shí)使得焊縫具有形成良好的搭橋能力，降低了薄板工件的裝配間隙要求。而流線型司機(jī)室外蒙皮多為空間不規(guī)則結(jié)構(gòu)，致使蒙皮之間的對接焊縫間隙不均勻。如圖6所示，采用CMT薄板焊接，能夠滿足這種焊縫的焊接，降低了蒙皮焊縫間隙的要求，同時(shí)也無需擔(dān)心焊縫的塌陷和燒穿，焊后蒙皮變形量較小，保證了焊后司機(jī)室整體的流線型結(jié)構(gòu)。

圖6 司機(jī)室蒙皮對接焊縫

4）無飛濺起弧。CMT薄板焊接無飛濺起弧的特點(diǎn)減少了焊后清理工作量。在薄板的焊接過程中，由于傳統(tǒng)的MAG焊在焊接過程中會產(chǎn)生較多的焊接飛濺，焊后需要大量的打磨工作。采用CMT薄板焊進(jìn)行薄板焊接，可以很好地解決焊接飛濺清理的難題。

5）焊接變形較小。輕量化軌道交通車輛2mm外蒙皮，分別進(jìn)行CMT薄板焊接與MAG焊接的對接焊對比。一般薄板焊接后，會在焊縫長度方向產(chǎn)生收縮變形，寬度方向產(chǎn)生角變形，通過測量外蒙皮試板的收縮量和變形量，判斷CMT薄板焊接的優(yōu)異性。在焊后通過對外蒙皮試件的收縮量和變形量進(jìn)行測量，得知CMT焊接產(chǎn)生的變形量和收縮量均小于MAG焊接，見表1。

通過CMT薄板焊接與傳統(tǒng)MAG焊接對比，發(fā)現(xiàn)CMT薄板焊接具有巨大優(yōu)勢，CMT薄板焊接第一次將焊絲的運(yùn)動(dòng)同熔滴過渡過程相結(jié)合，在焊接過程實(shí)現(xiàn)冷熱交替，能夠控制短路電流實(shí)現(xiàn)無飛濺過渡，焊接時(shí)具有低熱輸入量、焊后變形小、搭橋能力好、焊縫均勻一致、焊接速度快以及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，CMT薄板焊接可適用于超薄板材的焊接，廣泛應(yīng)用于焊接的各個(gè)領(lǐng)域。

3 軌道交通制造焊接技術(shù)發(fā)展趨勢

1）未來3?5年，雙軸肩攪拌摩擦焊因其優(yōu)異的工藝特點(diǎn)，在鋁合金車體焊接的應(yīng)用將會越來越廣。

2）采用激光焊技術(shù)進(jìn)行不銹鋼車體的焊接，填補(bǔ)了國內(nèi)軌道交通車輛制造技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)了軌道交通客車領(lǐng)域核心技術(shù)的突破，對于提升產(chǎn)品在國內(nèi)外市場的競爭力具有重要意義，激光焊不銹鋼軌道交通車輛產(chǎn)品市場前景非常好。

3）隨著激光-MIG復(fù)合焊工藝裝備的不斷開發(fā)和生產(chǎn)線自動(dòng)化、智能化程度的提高，激光-MIG復(fù)合焊工藝的應(yīng)用將擴(kuò)展到車體所有焊縫的焊接，應(yīng)用將會越來越廣。

4）轉(zhuǎn)向架自動(dòng)焊接工藝技術(shù)提高了軌道交通車輛焊接自動(dòng)化程度，推進(jìn)了軌道交通車輛焊接技術(shù)的進(jìn)步，未來自動(dòng)焊接量會不斷增加。

5）CMT薄板焊技術(shù)可適用于超薄板材的焊接，將廣泛應(yīng)用于焊接的各個(gè)領(lǐng)域。