铝合金焊接工艺在动车组的应用研究

铝合金焊接工艺在动车组的应用研究

关兆瑞 郭丙全

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266311

摘要：在我国前瞻科研成果融合应用的环境下，利用先进的加工技术减轻动车组自重和践行“节能减排”发展目标成为技术创新研究的热点内容。本文深入探讨了TIG焊接技术、MIG焊接技术、复合填丝焊接技术等多种铝合金焊接技术的应用现状，通过发展现状的综合性分析发现铝合金焊接工艺在动车组车体方面的焊接依然存在着多种不同程度的问题。从目前发展实践来看，激光焊接和激光－电弧复合焊接技术凭借着多样性优势广为推广和应用，使之成为动车组焊接工艺中重要发展趋势

关键词：铝合金；焊接工艺；动车组

引言：针对动车组的铝合金焊接对焊接工艺精度和设备性能等具有较高要求，铝合金焊接过程中需要根据动车组实际焊接需求科学把控各种工艺。为了保障动车组整体的焊接质量，车体焊接过程中需要综合把握焊接工艺的应用要点，针对车体焊接的实际需求科学选择焊接工艺。除此之外，铝合金焊接工艺创新发展过程中需要持续融入最新科研成果，利用富有时代性特征的焊接工艺满足动车组焊接的多样化需求。

一、针对铝合金动车组车体的焊接技术发展现状

（一）TIG焊接工艺

TIG焊接技术是传统焊接工艺的一种，该焊接技术是将焊件和非融化电极之间的热源作为电弧，以此实现金属焊接，同时应用该焊接方式可以更高质量地满足动车组铝合金焊接实际需求。就目前TIG焊接技术的应用实践来看，该技术广泛应用于铝合金动车组薄板焊接方面，但是该焊接技术在具体应用过程中需要人工支持，将纯氩气作为金属焊接的惰性保护气体。[1]铝合金动车组焊接中应用TIG焊接工艺可以有效提升焊接的精度。但是该焊接工艺焊接过程中具有焊接成本高、焊接效率低等弊端，所以一般情况下单纯该焊接工艺作为其他焊接工艺的辅助工艺。

（二）MIG焊接工艺

MIG焊接工艺是TIG焊接工艺与前瞻性技术成果融合的产物，该焊接工艺的工作原理同样是将焊件和焊丝分为两个作用电极，并在惰性气体保护下将焊丝送入金属缝中，以此实现不同金属间高质量、紧密连接。这种焊接技术具有电流密度高的特征，借助高电流密度优势可以有效解决传统TIG焊接工艺在焊接能量不足和高厚度金属无法正常焊接等弊端。从铝合金动车组焊接实践方面来看，该焊接工艺也是将手工焊接为主要工作内容。从焊接工艺普及应用情况方面来看，动车组金属构件的厚度一般较大，所以动车组铝合金焊接常应用MIG焊接技术，其中动车组车厢和车顶等位置的金属板焊接应用MIG焊接技术最为广泛。

但是从MIG焊接工艺特点方面来看，该焊接工艺的流程相对复杂，焊工培养的周期相对较长，在动车组生产制造规模持续拓展的背景下，掌握MIG焊接工艺焊工不足成为限制动车组生产制造的重要问题。[2]为解决专业人才方面的限制性问题，国内动车组生产制造开始应用自动MIG焊接技术，运用多种自动化焊接设备可以对动车组中多种较大的金属构件进行高质量焊接，运用这种焊接方式不仅可以解决专业焊工储备不足等问题，同时还可以明显提升动车组金属部件焊接的质量和效率。

（三）激光焊接工艺

自20世纪中后期开始，激光焊接工艺就广泛推广到多个领域。该焊接工艺的核心部件为高功率的激光发射器，利用高功率的光子融合动车组中金属构件，并能够高质量连接不同金属构件。激光焊接的核心优势在于功率大、密度大和加热集中等功能，同时在金属融化和连接过程中可以避免电磁干扰。除此之外，该焊接流程和机器人工作原理相似，所以该焊接工艺可以节省大量人力和物力等资源。就目前焊接工艺的实际应用情况来看，激光焊接工艺广泛应用于电子制造和汽车制造等方面。

（四）搅拌摩擦焊接工艺

搅拌摩擦焊接工艺是绿色发展理念下传统焊接工艺和技术融合的产物，该焊接技术在具体应用中可以充分体现节能环保的应用效果。[3]该焊接技术的工作原理为将搅拌头靠近金属焊接部位，搅拌头高速旋转与焊件形成强烈的摩擦，在持续性摩擦中实现热量持续累积，当温度累积达到金属部件的熔点后，铝合金构件将迅速融化，并形成紧密、高质量连接。

和其他焊接工艺相比，该焊接工艺在焊接实践中无需特别添加焊丝和惰性气体，而且焊接过程中也不会出现大范围弧光飞溅的现象，所以该焊接工艺的环保效果较好。但是就目前实际发展情况来看，搅拌摩擦焊接工艺在动车组铝合金焊接方面的应用相对狭隘。

二、铝合金动车组车体焊接中前瞻焊接工艺的发展趋势

（一）激光-电弧复合焊接

虽然激光焊接技术融合了现代化技术特征，但是该焊接技术在应用过程中很容易出现关键元素蒸发严重和激光反射率高等问题。激光-电弧焊接工艺融合了激光焊接技术和电弧焊接技术的技术优势，在金属焊接过程中可以同时发挥作用。两种焊接技术形成的复合热源可以同时作用于金属材料表面，通过热传递的形式融化金属构件，并能够实现不同金属的高质量连接。通过两种焊接工艺融合可以实现焊接技术优势融合，以此改善电弧焊接融化深和激光热源密度大等弊端，而且金属焊接过程中可以表现出理想的氧化膜去除效果，应用该焊接方法可以充分保障金属焊接的稳定性和效率。

（二）机器人焊接

从传统动车组铝合金构件焊接实际情况来看，焊接过程中频繁发生焊接效率低和焊接效果难以满足理想焊接要求的现象，而且传统以人工为主的焊接方式很容易因为人工主观操作风险影响金属焊接整体质量。[4]然而在动车组生产制造技术和自动化技术等前瞻性技术创新发展的环境下，未来动车组铝合金构件焊接可以融入自动化技术和机器人焊接技术等，利用编程工具对焊接设备进行集中控制，确保焊接操作的规范性，以此提升动车组焊接的整体质量；同时应用机械化、自动化焊接模式可以精准控制焊接的精度，按照预定程序开展动车组铝合金焊接可以有效提升焊接效率。

（三）复合填丝焊接工艺

虽然TIG、MIG和激光焊接工艺等焊接工艺在动车组铝合金焊接实践中可以表现出高速性和稳定性特征，但是焊接过程中融化速度难以与高速焊接工艺的融合速度相比。为了解决激光-电弧焊接工艺存在的问题，学者们在创新研究后提出了激光-电弧复合填丝焊接工艺，该焊接工艺降低了对接头的制备要求，同时该焊接技术可以有效改善金属构件间存有裂缝和孔隙等弊端。其中我国有学者重点研究了该焊接工艺中焊缝的结构特点和焊接后接头的变化，研究后发现在不增加热量的情况下，该焊接工艺应用后的焊缝变形量较传统焊接工艺小。

三、结束语

总的来说，在动车组结构复杂化背景下，以动车组焊接需求为导向创新开发动车组铝合金焊接工艺成为迫切要求。从目前铝合金焊接工艺发展实践来看，虽然动车组铝合金焊接工艺伴随着动车组结构变化呈现出多元化发展趋势，但是各类先进技术在普及应用中都暴露出明显弊端。从焊接效果的对比分析情况来看，激光焊接和“激光-电弧”焊接工艺的技术成熟度较高，所以在技术创新中需要持续探索焊接工艺发展路径，科学规避焊接质量风险和有效处理搭头焊接难点，为提升铝合金动车组整体焊接水平奠定基础。

参考文献

[1]陈晓霞,马永志,鲁二敬,侯金柱,景锋.高速动车组用超厚度车钩座板的焊接工艺研究[J].轨道交通材料,2023,2(03):31-35.

[2]焦锐,陈积翠,唐亚红.动力集中动车组全铝合金司机室制造工艺[J].金属加工(热加工),2022,(12):53-56.

[3]曹世民.160公里动车组侧墙低应力小变形焊接工艺及数值模拟[D].大连交通大学,2022.

[4]冯浩.标准动车组用铝合金型材搅拌摩擦焊工艺、组织和性能研究[D].太原理工大学,2021.