焊接機械手在鋁合金車體制造中的應用

劉慶祝 王春生 劉杰

1.概述

鋁合金車體具有重量輕、外觀平整度好和易于制造更復雜美觀曲面車體的優點，目前全鋁結構鋁合金車輛已經廣泛應用于我國鐵路。

采用薄壁鋁合金擠壓型材和自動焊相結合的制造方式，增加了結構集成，減輕了整車重量。為了提高焊接效率、保證焊接質量穩定，采用機械手焊接的長直焊縫比例占整車焊縫的85%以上。我公司采用機械手焊接鋁合金車體在2002年獲得了迅速發展，先后引進了大量先進的焊接設備與技術。焊接機械手由于標準化程度高，持槍牢固等原因，近幾年被鐵路行業大量使用，約占新投設備的80%以上。

隨著列車速度的不斷提高以及輕量化發展需求，對鋁合金車體結構、接頭強度及其安全性的要求越來越高。激光焊、激光MIG復合焊和攪拌摩擦焊在發達國家鋁合金車體生產中獲得應用。其中高效、節能、環保的攪拌摩擦焊技術在鋁合金車體生產制造中推廣使用速度較快，已成為國內外發展的主流趨勢。

2.焊接機械手在鋁合金車體生產的應用現狀

（1）鋁合金焊接產品結構特點 高速動車組和城軌車輛的車體普遍采用鋁合金全焊接結構，車體承載結構采用與車體等長的大型中空鋁合金型材組焊而成，包括底架、側墻、車頂和端墻，為筒型整體承載結構，其主要焊縫均采用長縱焊縫連接方式，具有代表性的車體大部件通長采用的設計結構及接頭形式如圖1所示。

據統計，一輛鋁合金車體中采用自動焊焊接的焊縫有38～46道，而針對這種長、大、直焊縫，我公司幾乎全部采用焊接機械手完成焊接工作。鋁合金車體結構件的焊接難點在于焊接量大，單條焊縫距離長，構件對幾何精度、化學成分和材料處理等方面要求非常嚴格。近幾年，為了提高焊接效率、保證焊接質量穩定，我們從生產實際出發采用焊接機械手焊接也是現階段生產中較為理想的焊接方法。

（2）單、雙絲焊接機械手的應用 焊接機械手是國外發達國家應用最為普遍的一種自動焊技術，其焊接質量和效率大大優于手工焊和其他焊接專機。我公司近幾年引進和推廣焊接機械手MIG焊技術，是在客車制造行業制造工藝的一種突破，是由密集的手工制作向自動化生產全面推廣發展的過程。焊接機械手的廣泛應用對企業產能的迅速提升和產品品質的保證奠定了基礎，一定程度上消除人員變化對企業發展的影響，對軌道客車鋁合金車體制造技術有很大的提升。

圖1 車體側墻部件采用的設計結構和接頭形式

隨著鋁合金車體應用市場的不斷壯大，目前對焊接機械手MIG焊設備方面的需求也隨之增大，其中具有代表性的有美國Miller公司、德國的SKS、Benzel和Ni-mark公司的Twin arc以及德國的Cloos公司、奧地利的Fronius公司和美國的Lincoln公司的Tandem設備。我公司引進的焊接機械手從結構上主要有龍門式和懸臂式兩種方式，從送絲機構上采用單絲焊接或者雙絲焊接。在焊縫跟蹤上都采用激光跟蹤的方法，圖2為懸臂式和龍門式機械手自動焊設備，分為單、雙絲焊接兩種。焊接機械手系統多由機械手本體（1～6軸）、外部軸、軌道軸、控制柜、電焊機、示教器及外圍附件（清槍、除塵、激光）等7部分組成。

目前機械手焊接大部件普遍采用雙槍雙絲MIG焊接，單絲焊接一般用在初期設備系統上。當采用單絲焊接時，如果要求焊接速度較高，電弧的熱量沒有充分地向母材擴散，形成的熔池小，周圍的母材溫度梯度大，熔池凝固快，熔化金屬來不及和母材充分熔合，因此需要較高的焊接熱輸入。而從焊接效率、焊縫質量和力學性能等方面進行對比，針對4V坡口采用雙絲焊比單絲焊的焊絲熔化效率提高近1倍，而焊接熱輸入量降低了約18%，保護氣體用量節約33%，焊縫抗拉強度提高10～15MPa。

（3）焊接機械手應用的主要問題 近年來，我公司在動車組提能生產中多引進雙槍雙絲焊機械手，從生產效率上考慮基本滿足焊接生產要求。但是如何進一步提高自動焊接的效率是鋁合金自動焊接不斷追求的重要目標。另外，針對一些關鍵厚板部件（8mm以上板厚）如枕梁、牽引梁和車鉤座板等部件，多層MIG焊及焊后的多次焊補，并由此導致焊接接頭的強度下降、易產生裂紋、氣孔等缺陷已成為產品提質提能的制約因素。此外，MIG焊強度損失較多，焊接環境要求高，運行和焊接培訓成本高，接頭質量控制及對環境污染等問題日益凸顯出來。如何減少鋁合金焊接接頭強度損失、提高焊接效率、獲得優良的焊接接頭，是推進鋁合金車輛發展重要課題。

3.攪拌摩擦焊焊接機械手在鋁合金車體制造中的發展趨勢

由于攪拌摩擦焊焊接效率高、接頭強度高、缺陷率低、無污染和制造成本較低，是一項高效、節能、環保的新技術，所以采用攪拌摩擦焊技術制造軌道客車鋁合金車體已成為國內外發展趨勢，加快研究鋁合金攪拌摩擦焊接頭的行為至關重要。在軌道車輛行業，攪拌摩擦焊技術在日本日立、德國邦巴帝、法國ALSTOM等公司均有大量應用，法國ALSTOM還專門成立了一個焊接研究中心研究適合這種工藝方法的設計結構，研究各種規范條件下的力學性能。

2002年我國獲得攪拌摩擦焊專利技術的使用開發權，并在航空制造業上開始應用。2010年9月，作為軌道車輛行業的龍頭企業，我公司首先引進一臺小型攪拌摩擦焊設備，開展了中厚板攪拌摩擦焊技術開發和生產試制工作。2013年，公司又引進一臺龍門式攪拌摩擦焊設備，用于鋁合金車體大部件的攪拌摩擦焊自動化焊接。隨著我國軌道交通業的迅速發展，攪拌摩擦焊國際標準的發布，國內幾家主要的軌道客車生產企業，如青島四方、株洲等均在進行攪拌摩擦焊工藝的開發工作。隨著攪拌摩擦焊技術在鋁合金車體上推廣應用，美國的MTI，瑞典ESAB、奧地利的IGMH和HAGE及北京賽福斯特技術有限公司等對攪拌摩擦焊大型設備均有較明顯的制造業績。圖3為典型的攪拌摩擦焊自動焊設備工作模式。

圖2 機械手自動焊設備工作模式

4.建議

針對軌道車輛企業提質提能生產的大環境，機械手MIG焊焊接已經廣泛應用在鋁合金車體長大部件的生產制造中，而采用高質、高效、節能及環保的攪拌摩擦焊工藝制造鋁合金車體已成為國內外發展趨，相應的關鍵技術研究也引起廣泛關注。但是攪拌摩擦焊的在工業應用時間尚短，理論研究尚不成熟。因此，針對攪拌摩擦焊機械手設備的研發、焊接結構設計和制造工藝的持續優化等幾方面的深入研究，將有利于攪拌摩擦焊機械手在鋁合金車體制造業中的進一步推廣應用。

圖3 攪拌摩擦焊自動焊設備工作模式