智能化的焊接技術在高速鋁合金車輛上的應用

金昌海 何曉龍

一、國內軌道交通鋁合金車輛現狀

南、北車集團通過引進技術，經過多年努力趕上世界鐵路客車生產的高技術，已陸續制造出高質量的鋁合金客車。特別是CRH380A車的研制成功，極大地鼓舞了國人的士氣，且將產品多樣化，取得了很好的成績。

車輛設計材料一般選用碳鋼、不銹鋼及鋁合金。碳鋼車輛由于耐蝕性、平整度、隔音效果差等原因，故基本不用于高速列車制造。不銹鋼車輛基本以點焊工藝為主，由于密封性差，因此基本用于地鐵、輕軌車輛的制造。鋁合金材料制造的車輛具有重量輕、強度高、耐腐蝕強、材料可以再生利用和環保等優點，由此受到國際上的很多軌道車輛制造廠商的歡迎。特別是國內鋁合金長大空心型材的成功研發，給鋁合金車輛的自動化、智能化焊接提供了條件。目前國內高速鐵路市場上鋁合金車輛占據100%的市場份額，準高速鐵路市場上鋁合金車輛也占據接近100%的市場份額，這足以說明未來鋁合金車輛的發展趨勢。

二、智能化焊接在鋁合金車輛上的應用

下面通過對高速列車的結構、工藝流程、焊接方法、焊接設備的介紹，來說明智能化焊接在高速鋁合金車輛上的應用。

1.高速鋁合金車輛結構

高速鋁合金車輛可分為兩種形式，即帶司機室的車輛和不帶司機室的中間車輛。兩端帶司機室的車輛（見圖1）結構相同，各中間車輛結構也大同小異，都采用長大中空鋁合金擠壓型材焊接而成（見圖2），其中底架、側墻、車頂、端墻組成為總組成。根據不同的車型，每列車的編組也不同，有的車型一列車8輛編組，有的車型一列車16輛編組。車輛大部件，包括底架、側墻、車頂及端墻多采用空心擠壓型材，除了端墻之外的大部件以長大鋁合金型材（見圖3）為主，＞20m的長焊縫多以外，具備了一定的實現自動化焊接條件。

圖1 正在起吊的帶司機室的車體總組成

據粗略統計，CRH380A一輛車輛焊縫總長度達2.5km左右，那么一列車若8輛車輛編組，焊縫總長度高達20km；若16輛的長大編組，其焊縫總長度高達40km，焊接量之大實屬罕見。這么長的焊縫不能采用傳統的焊接方法，必須得采用既能保證焊接質量又能提高效率的智能化的焊接工藝。

2.智能化焊接在鋁合金車輛上的應用

以側墻、車頂、車輛總組成、端墻的焊接為例，說明智能化焊接在鋁合金車輛上的應用。

（1）側墻、車頂、地板的焊接 側墻、車頂等均采用龍門式機械手自動焊和雙焊槍焊接，以提高效率。在焊縫的跟蹤上采用激光跟蹤器，可使焊接過程穩定，焊接質量好，如圖4～圖6所示。

（2）車輛總組成的焊接 車輛總組成的焊接較特殊。車頂與側墻的連接焊縫也是采用龍門式機械手雙焊槍自動焊，但底架與側墻間連接的橫焊縫是側面懸掛式智能焊機來完成，如圖7所示。

基于上述可知，不是對所有的長焊縫千篇一律采用機械手，需根據焊接位置不同采用不同的焊接設備。

（3）端墻的焊接 采用電阻點焊和手動MIG焊相結合的方法，如圖8所示。

電阻點焊在高速鋁合金車輛的焊接上也發揮出自己獨特的特點。它配合與之相配套的旋轉工作臺，充分發揮智能點焊機的特點，按著編好的系統程序，自動焊接各個不同的焊接點，效率很高，如圖9所示。

（4）龍門IGM機器人設備的智能開發 企業引進自動化、智能化設備的主要目的就是提高質量和效率。早期的龍門IGM機器人只帶一個焊槍，后來的龍門IGM機器人帶兩個焊槍，也就是雙焊槍，提高了雙倍的效率。在此基礎上覺得還是滿足不了新技術、新工藝要求，又陸續開發了多種輔助的功能。龍門IGM機器人的輔助功能多樣化，顯著提高了生產效率。

具體功能如下：

首先，壓緊功能的開發。以往組對大部件的時候，由于型材超長，也帶一定的焊接變形，長度方向的搭接焊縫有時候間隙大，組對困難。由此，龍門IGM機器人上設置專門壓緊型材的液壓系統，很好地解決了此難題。

圖2 完成焊接后的車體內部結構

圖3 長大鋁合金型材

圖4 龍門式IGM機械手的雙焊槍同時焊接側墻內側焊縫

圖5 龍門式IGM機械手的雙焊槍同時焊接車頂外側焊縫

圖6 龍門式IGM機械手焊接完的底架地板

圖7 左右兩側可以同時焊接兩道橫焊縫

圖8 電阻點焊端墻的骨架與外板

圖9 已焊好的端墻

其次，既能壓緊又能打磨氧化膜的功能開發。打磨氧化膜是鋁合金焊接之前必須要做的作業內容。板梁型材組成的底架地板焊接時，由于型材超長，長度方向也帶一定的波浪變形，故給機械手焊接帶來一定困難。自公司龍門IGM機器人上設置了既能壓緊又能打磨氧化膜的專用設備之后，徹底改變了以往的鋁合金焊接前人工打磨氧化膜，然后機械手開始施焊的傳統工藝。

（5）焊接方法 到目前為止，鋁合金車輛制造上采用的焊接方法主要有熔化極惰性氣體保護焊（MIG）、鎢極惰性氣體保護焊（TIG）和電阻點焊。特別是側墻、車頂、底架等長大大部件的熔化極惰性氣體保護焊（MIG）的自動化程度高。鎢極惰性氣體保護焊（TIG）主要適用于小件薄板的焊接；電阻點焊的自動焊程度也較高，主要適用于薄板的焊接，比如端墻的外板和骨架的焊接。

（6）焊接材料 MIG、TIG焊接主要采用A5000系列焊絲，保護氣采用純度99.999%以上的氬氣。

目前，世界上還沒有發明能達到鋁合金焊接接頭跟母材等強度的鋁合金焊絲，高速列車上使用的鋁合金焊絲均是進口的。國內焊絲制造工藝不比國外差，主要還是冶金技術跟國外比有一定差距，某種意義上講，嚴重影響鋁合金焊接技術的發展。國家應專門成立研究機構，盡快解決這一難題，這樣實現鋁合金焊絲的國產化指日可待。

（7）焊接設備 采用進口焊接設備。比如，MIG焊接采用芬蘭的肯比、德國的EWM、奧地利的福尼斯等品牌焊機。這些焊機均屬于智能焊機，特別是奧地利的福尼斯焊機是IGM龍門式自動焊專機的主要焊接電源，性能可靠，安全系數高，很受客戶歡迎。

肯比焊機能對操作人員進行全面深度的管理。它具備對電焊機的所有數據實施全程記錄和管控并傳輸的功能，對焊接過程的追朔性有一定的實際意義。

三、智能化鋁合金焊接技術未來的發展趨勢

目前，鋁合金焊接方法出現了攪拌摩擦焊、激光MIG復合焊、等離子MIG復合焊等多種焊接方法，但在國內還沒有批量應用到高速列車上，僅僅是在試驗室或局部部件上得到應用。攪拌摩擦焊的特點是熱輸入低，焊接頭抗拉強度能顯著提高，且焊縫里的焊接缺陷極少，跟傳統的MIG焊相比較具有無法比擬的優越性，設備簡單，應該是今后鋁合金焊接的最主要手段之一。但所對應的輔助設備要求高，真正應用到實際生產流水線尚需解決很多問題，這里不再一一敘述。激光MIG復合焊、等離子MIG復合焊等新型焊接方法也不少專家研究當中，但真正投入到產業化，則需要設備的簡單化、智能化，才能有發展生存空間。

若M I G焊接能滿足設計要求，那么小型智能化的機器人焊接系統和變位機以及控制系統的完美結合將是未來二三十年的智能化鋁合金焊接技術發展的必然趨勢。這就需要更高層次的同步的模擬化、可靠性為基礎的智能焊接系統，目前只有汽車行業里的機器人點焊系統能做到這一點。

相信鋁合金焊接技術在我國將會有更美好的發展前景!20140706