鋁合金在日本軌道車輛的應用及相應焊接技術

張占領，邱然鋒，杜宜樂，李臣陽，衡中皓

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471003；2.河南科技大學 河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，河南 洛陽 471003)

鋁合金在日本軌道車輛的應用及相應焊接技術

張占領1，2，邱然鋒1，2，杜宜樂1，李臣陽1，衡中皓1

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471003；2.河南科技大學 河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，河南 洛陽 471003)

為了減低能耗、提高速度，軌道車輛輕量化是必然選擇。采用鋁合金制作車體是減輕車體自重的有效措施。對鋁合金在日本軌道車輛的應用及相應焊接技術的發展狀況進行了綜述。介紹了日本四代鋁合金軌道車輛的結構特征、所用合金類型以及焊接方法，探討軌道車輛用鋁合金、焊接技術的發展趨勢。高Zn的7N01合金應用將會受到限制，容易循環再利用的5000系、6000系合金的應用將越來越廣泛。攪拌摩擦焊會成為軌道車輛生產的主要焊接技術，激光焊在遠程焊接方面也值得期待。

鋁合金；軌道車輛；焊接

0 前言

軌道交通是世界城市交通的發展方向，具有運能巨大、速度快捷、安全高效、環保節能和成本相對低廉等特點，越來越受到世界各國的青睞[1-2]。隨著對軌道車輛的要求越來越高，輕量、高速已成為現代化軌道車輛運輸的重要標志。要做到輕量、高速，就必須減輕車體自重，采用鋁合金等輕質材料是減輕車體自重的有效措施。為適應軌道車輛的發展，世界各國均在大力開發、制造鋁合金車體。因此，生產制造鋁合金車體是鐵路運輸事業和城市軌道車輛發展的必然趨勢。

在此結合日本軌道車輛的發展，就鋁合金的應用狀況及相應的焊接技術進行分析，并探討了其發展前景，以便為我國鋁制軌道車輛發展提供借鑒。

1 鋁合金車體的特點

根據鋁合金車輛不同部位的使用要求、綜合強度、制造工藝、耐腐蝕等方面的要求，選擇不同的鋁合金材料。在鐵道車輛上，一般選用5000、6000和7000系鋁合金作為車輛結構用材，其他鋁合金因強度、焊接性等原因很少使用[1]。

由于鋁合金具有輕質、清潔、防腐、減振和易回收等性能等優點，相對于鋼制車體，鋁合金車體具有以下特點：(1)耗能低。在保證相同剛度的前提下，鋁合金車體自重一般是鋼制車體的三分之二，可降低牽引動能消耗。(2)鋁合金車體中大量型材的使用不僅提高了整車剛度，保證了車體的安全性，隔音、隔熱效果良好，并且型材結構還便于實現自動化焊接，能夠提高生產效率。(3)鋁合金表面氧化膜的存在使車體耐腐蝕性高于鋼制車體，維護、保養成本低。(4)材料回收利用率高。鋁合金車體達到使用壽命后，材料一般可以回收利用，損耗較低，且無環境污染。

2 鋁合金車體的發展過程

日本軌道車輛鋁合金化已經50多年了，隨著時間的推移其生產量也越來越大。日本生產的鋁合金軌道車輛輛數變化如圖1所示[3]。至2004年，日本生產鋁合金軌道車輛已達14 000輛。據日本鋁業協會(Japan Aluminium Association，JAA)公布的統計資料稱，日本2005財政年度(2005年4月至2006年3月)的鋁合金軌道車輛產量為644輛；而2009財年生產量已達926輛，比上年增加172輛，增幅為22.8%。其中，用于新干線的鋁合金車輛為408輛，占該年日本鋁合金車輛總產量的44.1%。

圖1 日本生產鋁合金車輛數量隨時間變化

鋁合金車體經歷了板梁結構鋁合金車體、板梁和型材混合結構鋁合金車體、完全閉式型材結構鋁合金車體三個發展過程。根據車輛構造和所用材料，日本生產鋁合金軌道車輛分為四代。1962年研制的最初鋁合金制軌道車輛稱為第一代，典型代表是山陽電鐵2000系車輛。由于當時并沒有軌道車輛專用的鋁合金，所用鋁合金主要是船舶用A5083和A6061。車體焊裝時采用的連接技術是鋼制車輛生產用的鉚接和電弧焊。鉚接的使用不僅影響生產效率，而且輔材的使用增加了車體的自重。為進一步減輕車體自重，從第二代車輛開始鋁合金車輛采取了全焊接結構。作為第二代車輛典型代表的近鐵8000系車輛是由焊條電弧焊焊裝而成，所用鋁合金是專門研發的7N01擠壓型材和A5083合金擠壓型、板材。從結構上看，第二代與第一代鋁合金車體都屬于板梁結構鋁合金車體。由于焊接變形大，必須通過增加板厚來獲得剛度，減重效果不明顯，車體平整度不理想，因此在鋁合金車體的發展過程中，純板梁結構鋁合金車體的數量并不多。

為了減輕車體自重，開發了板梁和型材混合結構車體。在新干線中，最先采用板梁和型材混合結構鋁合金車體的是新干線100系，這被視為第2.5代，主要代表車型有舊國鐵200系新干線車輛。所用鋁合金主要有7N01合金擠壓型材、7003合金擠壓型材、A5083合金擠壓型材與板材。在這種結構車體中，板梁部分采用電阻焊工藝，型材連接采用熔化極氬弧焊(MIG：Metal-Inert Gas Welding)工藝，大大節約了型材開模費，降低車體制造成本，但此工藝相對繁瑣，且車體剛度較差。

隨著擠壓成型性、焊接性良好的6N01合金開發，薄壁、寬幅、長尺度型材的制作成為可能。以該型材為主要結構材料研發了第三代鋁合金車體，代表車型有舊營團地鐵01系和新干線300系。在這種結構里，薄壁、寬幅、長尺度(25 m)6N01合金型材的采用不僅強化了車體，減輕車體自重，而且還使焊接自動化成為可能。這種結構在日本又稱為單壁結構(Single Skin)。

以雙壁型材取代單壁型材，開發了第四代完全閉式型材結構鋁合金內車體，在日本又稱為雙壁結構(Double Skin)。與單壁結構車體相比，這種雙壁結構車體具有剛性大、隔熱、隔音效果好等優點，并且所用零件數量也大幅減少，提高了生產效率。結構中所用鋁合金除個別承重梁為高強度的7N01合金擠壓型材，大部分為環保鋁合金6N01。代表車型有圖2所示的新干線700系和圖3所示的東京地鐵05系車輛，在這一代車體焊裝中大多采用攪拌摩擦焊技術。第四代車體所采用的閉式型材結構是目前世界上采用最多的結構，其制造工藝簡單，車體平整度、剛度均較好。

3 焊接技術

在軌道車輛生產中所采用的連接技術由最初的鉚接和焊條電弧焊，到電阻焊和熔化極氬弧焊，再發展到現在廣泛采用的攪拌摩擦焊共經歷了三個階段。攪拌摩擦焊技術(Friction Stir Welding，簡稱FSW)是由英國焊接研究所1991年發明的一項新型連接方法[4]。該技術自發明以來，迅速在全球工業制造領域得到推廣應用，在20年時間里，該技術已應用到包括輕軌、地鐵、快速列車和高速列車等軌道交通行業在內的眾多領域。在軌道車輛制造領域，日本的日立和川崎重工已經將攪拌摩擦焊應用于包括新干線列車在內的新型高速列車車體的制造。

圖2 700系新干線車體構造

圖3 東京地鐵05系車體構造

攪拌摩擦焊依靠攪拌頭的機械摩擦作用實現接頭的連接，攪拌頭的旋轉摩擦作用與材料的轉移過渡形成動態平衡，焊接溫度低于材料的熔點，所以攪拌摩擦焊接過程中不存在金屬熔化，屬于一種固相連接方法[5-7]。如圖4所示，焊接過程中攪拌針高速旋轉，攪拌針深入到工件內部，軸肩緊壓在工件表面(保持一定的壓入量)。高速旋轉的攪拌頭與工件之間摩擦產生了大量的摩擦熱，由于摩擦熱的作用以及攪拌頭的粉碎、擠壓作用，攪拌頭周圍金屬在焊接過程中將發生熱塑性變形，從而釋放大量的塑性變形能。在摩擦熱及塑性變形能的綜合作用下，接頭金屬實現塑性流動并擴散連接。

攪拌摩擦焊熱輸入少，溫度低，母材不發生熔化，接頭變形小、熱影響區窄、無凝固裂紋、氣孔，質量高，適用于鋁合金的焊接。

日本是最早將攪拌摩擦焊技術運用到軌道車輛生產的國家。1998年，率先利用攪拌摩擦焊取代熔化極氬弧焊對單壁6000系合金型材進行拼接，生產單壁結構車體。如圖5所示，采用攪拌摩擦焊對單壁型材進行對接，不需要開坡口，直接焊接。為防止焊接過程中由攪拌頭壓力產生的變形，僅在焊縫下面施加銅墊板。這不僅提高了生產效率，還改善了接頭質量。在焊接雙壁型材時，由于防變形銅墊板不易施加，而將原熔化極氬弧焊的對接接頭改為搭接接頭，如圖6所示。這樣既增加了接頭的剛性，又減少墊板的施加工序，進一步改善了接頭、提高了生產效率。因此，攪拌摩擦焊是現在日本軌道車輛生產用的最主要的連接技術。

圖4 攪拌摩擦焊示意

圖5 單壁結構型材攪拌摩擦焊接頭

圖6 雙壁結構型材攪拌摩擦焊接頭

4 發展趨勢

高速、節能、安全、舒適、環保是現代化交通運輸所面臨的重要課題，而大型扁寬薄壁鋁合金型材是實現軌道車輛特別是地鐵列車、高速列車、雙層列車和輕軌列車高速化和輕量化的主要途徑和關鍵材料。大型扁寬薄壁鋁合金型材的使用既能改善車輛整體性能，還能減少拼接數量，提高生產效率。因此，對其相關的工藝裝備、設備、工藝技術進行研究能夠推進軌道車輛的發展。從環保方面來講，由于Zn不利于合金回收再利用，含Zn高的7N01合金使用量將逐漸減少，主要采用低Zn或無Zn的5000系、6000系合金，只是在一些主要承重部位采用高強度的7N01l鋁合金。

就車體焊裝而言，由于攪拌摩擦焊具有優越性，使其成為鋁合金車體生產的主要焊接技術。作為高能密度焊接技術的激光焊也是一種低熱輸入的焊接方法[8]，隨著高質量、大功率激光發生器的研發以及遠程焊接技術的發展，激光焊應用于軌道車輛生產中也是值得期待的。

5 結論

由于鋁合金車體的低能耗、低維護費用和高舒適性，它已成為軌道車輛發展的必然趨勢。鋁合金軌道車輛質量一般不超過8.5t／輛。當前，世界上凡是速度大于250 km／h的高速軌道車輛幾乎全是鋁合金車輛，除了日本的新干線高速客車外，美國的ACT高速客車、加拿大的TRC客車、德國的ICE客車、法國的TGV雙層客車都采用了鋁合金車輛。隨著我國軌道運輸業的發展，對鋁合金車體需求量將越來越大，預計到2050年僅鋁合金城市輕軌車的需求量約5萬輛。而軌道交通裝備制造業作為裝備制造產業的重要組成部分，還對其他產業乃至國民經濟發展有著較強的帶動作用。因此，鋁合金軌道車輛的發展有著十分重要的意義。

[1]牛得田.鋁合金車體在軌道車輛上的應用及展望[J].機車車輛工藝，2003(3)：1-2.

[2]熊建武，周 進.變形鋁合金在軌道車輛中的應用[J].企業技術開發，2007，26(11)：18-19.

[3] Sakai Yasushi.Current state and the future of aluminum alloy applications for rolling stock[J].Journal of Japan Institute of Light Metals，2006，55(11)：584-587.

[4] Mishra RS，Ma ZY.Friction stir welding and processing[J].Materials Science and Engineering R，2005(50)：1-78.

[5]宋東福，王海艷，戚文軍，等.鋁合金攪拌摩擦焊的研究現狀與展望[J].電焊機，2011，41(3)：50-54.

[6]王元良，陳 輝.高速列車鋁合金焊接的發展趨勢[J].電焊機，2010，40(10)：9-16.

[7]熊建坤，童彥剛.攪拌摩擦焊接技術的研究進展和應用[J].電焊機，2008，38(1)：33-37.

[8]王旭友，王 威，雷 振.激光焊接技術現狀[J].機械制造文摘—焊接分冊，2010(4)：1-5.

Aluminum alloy applications and its welding technique for railway vehicle in Japan

ZHANG Zhan-ling1，2，QIU Ran-feng1，2，DU Yi-le1，LI Chen-yang1，HENG Zhong-hao1
(1.School of Materials Science and Engineering，He'nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China；2.Key Laboratory of Science and Processing Technology of Non-ferrous Metals，He'nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China)

It is necessary to reduce the weight of railway vehicle in order to reduce its ienergy consumption.Aluminum alloy body of railway vehicles is a effective measure to reduce body weight.In this paper，the current state of aluminum alloy application and its corresponding welding technique for railway vehicles in Japan were summarized.The structure characteristics，material types and welding method used in four generations of aluminium alloy railway vehicle was introduced.The trend of welding technique and material used in aluminium alloy body of railway vehicle were discussed.Based on analyses，the paper pointed out that the application of 7N01 alloy containing more zinc wiould be limited，whereas the application of 5000 and 6000 series aluminum alloy would become broader.On the other hand，Friction stir welding would become a main welding technology in railway vehicle manufacturing，and the application of laser welding，especially in remote welding，is also expected.

aluminum alloy；railway vehicles；welding

TG457.14

C

1001-2303(2011)11-0011-04

2011-09-28

河南省科技攻關項目(112102210176)；河南省教育廳自然科學研究計劃項目(2011A430013)

張占領(1967—)，男，河南洛陽人，副教授，博士，主要從事金屬材料超塑性、材料熱／力物理模擬、難焊金屬材料連接技術等教學與研究工作。