焊接接头特性对铝合金在机车车辆上应用的影响

焊接接头特性对铝合金在机车车辆上应用的影响

王建刚 王德振

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000

摘要：阐述了不同系列的铝合金焊接接头特性对铝合金在机车车辆上应用范围的影响，并通过试验验证了铝合金低温冲击韧性不会影响其在机车车辆上应用的观点。

关键词：机车车辆 焊接接头特性

引言

高速轨道牵引轻型化对机车车辆的进一步提速，降低能源消耗，减少轮轨磨耗都是至关重要的。由于铝合金具有质量轻，强度高，隔磁性能优良等优点，并且随着铝合金焊接技术的不断进步，铝合金在机车车辆上的应用日益广泛。但铝合金的焊接性能有许多不同于钢铁的特别之处，加强研究铝合金这些焊接特性对铝合金在机车车辆上更好、更安全的应用很有意义。本文分析了不同系列铝合金的焊接性能及其在机车车辆上的应用范围，并通过对比试验分析了低温对铝合金焊接接头的影响

1不同系列铝合金的焊接性及其在机车车辆上的应用

（1）非热处理强化的 3000 和5000系铝合金焊接性能良好，虽然在焊接过程产生的热量会部分或全部地使母材失去应变硬化作用，但其焊后强度仍基本可达到母材退火状态的强度。其中 3000 系的铝锰合金，由于母材本身强度较低，因此较少应用于机车车辆制造，一般只应用于制造机车车辆上对部件安全性和负荷性要求较低的部件结构，如各种操作曲柄和手柄、挡板、车内低受力框架和箱体、脚踏板、把手、车内栏杆、格窗等。.5000系的铝镁合金本身强度适中，另外具有较好的塑性和耐蚀性，一般可做为机车车辆的常用铝合金使用，比较适合于制造机车车辆上对部件安全性和负荷性要求适中的一般焊接结构，如机车顶盖蒙皮、侧构蒙皮、油箱箱壁、制动管路等。

（2）热处理强化的 6000系 AI-Mg-si 合金的裂纹敏感性都较高，在采用与母材金属成分相同的填充金属焊接时容易产生焊接裂纹，但采用 4000系和 5000系填充金属焊接，可减少焊接裂纹的产生倾向，并可获得较高强度（可达母材强度70%-90%）的焊接接头。因此该 6000系的铝镁硅系合金也是机车车辆上常用的铝合金，比较适合于制造机车车辆上对部件安全性和负荷性要求较高的焊接结构，如侧构骨架、顶盖骨架、油箱骨架、各种梁系、重要部位管接头等。

（3）高强度热处理的2000系 AI-cu 合金，虽母材的强度很高，但其焊接性一般，接头的塑性较差。含铜量高的2219 裂纹敏感性低，而含铜约 4%再加上含有镁、硅能形成低熔多元共晶组织的2024 等2000系合金，裂纹敏感性高。对高强度热处理的7000 系中含铜的AI-Zn-Mg合金来说，焊接性则较差，裂纹敏感性普遍较高，抗蚀性不好，如7075,7475 等。因此这两个系的含铜铝合金一般不适合直接用作机车车辆制造材料进行焊接。但随着新铝合金材料的不断开发，7000系中专门为焊接而开发的不含铜的7005 和7039, 具有良好的焊接性，特别是对于焊缝必须具有高强度的大型结构件，在焊后30-90d之内自然时效，焊缝的强度可达到热处理母材强度的 70%-90%（取决于焊缝金属的化学成分）。另外，随着焊接技术不断发展，适合焊接高强铝合金的冷焊接技术（如搅拌摩擦焊）的出现，也使得2000系和7000系的高强铝合金今后在机车车辆中的广泛应用成为可能。

（4）经热处理强化及冷作硬化过的特殊用途铝合金，焊接热过程会使母材近焊缝区力学性能大幅度降低。例如我厂在出口哈萨克斯坦的KA4A型机车生产制造过程中出现了空气制动管路铝合金管座螺纹刮扣失效的现象，经工艺验证分析，就是由于该管座的材质是采用经过热处理固熔强化的7075/SiCq 铝合金，其管座螺纹设计靠近管座焊接热影响区，受焊接热的影响螺纹力学性能发生改变，螺纹表面硬度降低，导致管座位螺纹在使用过程中失效。因此在机车车辆结构设计、选材及焊接工艺制定时，必须考虑铝合金热处理及冷作硬化的影响。

2焊接接头低温冲击特点对铝合金在机车车辆上应用的影响

铝合金焊接接头有不同于钢材的低温冲击特性。我们通过对十几组5A05,5A06,5083,6061 等机车车辆上常用铝合金焊接接头的常温（20℃）的冲击韧性和-20℃的冲击韧性进行对比试验，得出不同焊接位置下的常温冲击与低温冲击对比曲线。分析各组对比曲线，发现一个明显的特征：铝合金焊接接头的低温冲击曲线不低于其常温冲击曲线，甚至大部分是在常温冲击曲线的上方。即上述机车车辆上常用铝合金焊接接头的冲击韧性随温度的降低不仅没有下降反而有所回升。故5A05,5A06,5083,6061 等常用铝合金的低温冲击韧性不会影响其在防寒机车上的应用。

3应用实例分析

3.1低塌和高出焊接接头

焊接接头的出现使得线路的行车平稳性、旅客乘坐舒适性等有了大幅提高。但随着我国高速线路运营时间的增加以及列车运营速度的提高，无缝线路上的钢轨接头附近也出现了不同程度磨耗，这些不同程度的磨耗会使得车辆经过时产生巨大冲击，给轨道-车辆系统的结构安全造成隐患。其中，比较典型的磨耗有钢轨焊接接头低塌和高出.列车以较低速度通过钢轨接头时，有明显的冲击性响应出现。以某线路为例，列车以280 km/h的速度通过低接头和高接头附近时，其轴箱垂向加速度均有明显反应。可以看出，无论是接头低塌还是高出轨面，均会引起轮轨系统的冲击响应，而且幅值较大。

3.2不同高度的高接头对应车辆动态响应数据特性

根据以上分析可见，出现短波病害的焊接接头引起的车辆动态响应能量主要集中在某一个频带范围内。为研究不同高度的焊接接头引起的车辆动态响应，并讨论车辆动态响应数据经过焊接接头区域时的特性变化，选取某线路的一个区段进行观察试验。当焊接接头区域未出现短波病害时，车辆运行较平稳。在时域上，轴箱加速度未出现较大振动，频域上，信号主要分布在一个较宽的频带范围内。当接头开始出现短波病害时，轴箱出现明显振动，振动数据存在一个峰值，频域上，信号开始往一个带宽有限的频带上集中（该工况中，在150~250 Hz）。当接头病害慢慢发展时，在时域上，轴箱振动加速度在第1个峰值之后出现了第2个峰值。第2个峰值的幅值相对于第1个较小，在频域上，振动信号对应的频率范围较之前又缩减了一些。当接头病害进一步发展时，在时域上，轴箱振动加速度的2个峰值慢慢变大，第2个峰值变化较第1个明显，在频域上，振动信号的成分也进一步变得更加集中。随着接头病害的发展，轴箱振动加速度的第2个峰值幅值慢慢变大，经过一段里程之后收敛，其对应的信号成分也逐渐更加集中，最终信号成分主要集中在200 Hz附近。根据以上分析可知，随着焊缝高度逐渐变大，其引起的车辆动态响应数据能量逐渐向一个频带上集中。1996年，Hempelmann等通过对预测短波波磨发展的线性模型的研究，提出了钢轨波磨轮轨接触滤波作用机理。同时，根据反馈振动理论，焊接接头初始不平顺会引起轨道-车辆系统强烈振动，加剧焊接接头伤损的发展。而固定波长理论认为，高速铁路钢轨在特定条件下会与轮对发生共振，经过接触滤波后，轮轨接触力和磨耗功呈现周期性振动，千万次累积磨损后形成波磨。因此根据以上研究结果，当焊缝出现病害时，车辆经过此处，轮轨之间的高频冲击使得局部轮轨耦合系统出现共振，减振部件将原来的轮轨振动多成分信号的某一成分能量吸收（即接触滤波过程），进而使得主要能量局限在某一频带范围内（该频带范围与局部轮轨耦合系统的自振频率有关）^［1］.

结束语

机车车辆上选择使用铝合金时，不仅应考虑铝合金本身的可焊性，还应根据不同系列铝合金焊接接头特性，综合考虑机车车辆不同部件的安全性和负荷性要求，来选择合适的铝合金型号。对有特殊防寒要求的机车车辆，由于铝合金焊接接头的低温冲击韧性良好,可不考虑低温对铝合金在机车车辆上应用的影响。

参考文献：

［1］ 张士林，任颂赞. 简明铝合金手册［M］.上海：上海科学技术文献出版社，