焊接技術在機車制造及檢修上的應用和研究

賈澤平

摘 要：焊接是設備制造和檢修中最重要的工業技術之一，在現代工業經濟建設中發揮著不可替代的重要作用。在機車制造和檢修作業中，焊接與切割的勞動量占到35%左右，焊接質量直接影響著機車設備質量和行車運輸安全。文中介紹了焊接技術的基本情況，對比分析了國外和我國在焊機技術工藝方面存在的差異，指出我國當前焊接方面存在的問題，并提出了未來機車制造檢修行業焊接技術的發展趨勢。

關鍵詞：焊接技術 機車制造和檢修 應用 現狀 發展

中圖分類號：F407.472 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0056-03

焊接技術在制造業、建筑業、運輸業等多種行業中的應用非常廣泛，隨著科學技術的不斷發展，對焊接產品的經濟性、質量和可靠性的要求也越來越高。所以，現代制造企業都在不斷的提高自己的焊接工藝和裝備水平，從單一手工焊接轉變為自動化焊接，進而使產品的精確性和工藝性得到很大提高，在我國的機車制造和檢修企業中，焊接技術、焊接工藝和焊接設備都有了長足的發展，但在先進焊接技術和自動化焊接裝備方面與國外發達國家仍有很大差距。

1 焊接的原理和種類

1.1 焊接的原理

焊接的原理就是利用加熱、加壓的方式，使兩個不同的工件間發生原子間結合的變化，達到把兩個工件連接起來的目的。常用焊接一般是金屬焊接，非金屬也可以實現焊接。

1.2 焊接的發展

焊接方法的使用歷史悠久，我國古代的青銅器兵器制造過程中就運用了焊接技術，古代的焊接方法主要是鑄焊和鍛焊，采用火爐使青銅工件熔化后澆鑄在沙模里，然后再利用高溫鍛造成兵器。國外先進的焊接技術開始于英國，19世紀初戴維斯發明了電焊和氧焊；進入20世紀后，電弧焊和氣焊得到進一步推廣使用；之后，焊接技術得到了長足的發展，美國人諾布爾利發明了自動電弧焊機；進入50年代后，相繼出現了二氧化碳保護焊，等離子電弧焊；發展到60年代后，又發明了激光焊接，從此焊接技術進入了全新的發展時期。焊接技術的不斷提高，大大推動了制造檢修業和建筑運輸等行業的發展，許多看似無法連接和結合的材料能夠焊接在一起，成為新的產品。

1.3 焊接的方法

通常來講，按照焊接工件的不同狀態，焊接方法可以分為熔焊、壓焊和釬焊三種。

熔焊是利用熱源將焊接工件接觸部分熔化后，不需要其它外力，使焊件連接在一起。金屬在加熱時，提高了內部原子的活躍性，兩個焊接工件接觸面間原子相互擴散、熔化結合，冷卻后接頭部分變成固態，從而把兩個工件連接在一起。

壓焊是利用施加外力使焊接工件接觸面間連接在一起。這類焊接方法可以先把焊件接頭加熱熔化，再施加壓力，使焊接工件連接在一起，也可以不加熱，只是施加壓力，使焊接工件接觸面變形，原子間相互滲透結合后連接在一起。

釬焊是利用比焊件熔點低的輔助材料與焊件接頭共同加熱，加熱時釬料先熔化，釬料內部原子與焊接材料間發生原子相互滲透擴散、緊密結合完成焊件。

2 焊接技術在機車制造和檢修方面的應用

2.1 國外機車的焊接應用

隨著鐵路高新技術的迅猛發展，機車制造和檢修水平也不斷提高，機車焊接技術工藝水平也取得了長足的發展，國外機車制造業大規模采用了機器人和自動化焊接機進行作業，國外焊接的自動化水平較高，特別是應用微機實現了焊接過程的自動控制、自動檢測和自動診斷。焊接技術自動化的實現，大大降低了手工焊接的人為不確定性因素，保證了焊接質量。

2.1.1 焊接工藝水平較高

氣體保護焊、摩擦焊、接觸焊以及特種焊等先進工藝在國外機車制造和檢修中得到廣泛應用。

氣體保護焊也是一種電弧焊，在焊接的過程中利用保護氣體來隔絕焊接區的空氣。常見的保護氣體主要有惰性氣體、還原性氣體和氧化性氣體。惰性氣體保護焊在國外機車的制造和檢修業中已經逐步推廣，氬弧保護焊基本取代了二氧化碳保護焊，氬弧焊具有電弧穩定、熱量集中和溫度高的特點，焊接質量高、焊縫工藝好，而且氬弧焊不需要熔劑和涂藥，便于控制，所以自動化氬弧焊機在機車制造業中大量使用，新型的脈沖融化極氬弧焊機也已經開始應用于機車制造和檢修作業中。

摩擦焊是利用焊接工件接觸面間相互摩擦發熱，內部原子變得活躍后，再施加壓力使工件連接在一起。常見于鋼、銅、鋁等材料的焊接。摩擦焊接是一種比較先進的焊接技術，對焊接過程中的控制準確性要求高，所以利用微機控制的摩擦焊機應用非常廣泛。在機車制造和檢修中，關鍵零部件的焊接已經采用了摩擦焊工藝，效果良好，如內燃機車柴油機、增壓器、活塞缸以及機車轉向架和車軸等關鍵零部件的制造和檢修。

接觸焊是利用通過電流使焊件接觸面發熱，熔化后施加外力把焊件連接在一起。接觸焊具有自動化程度高，焊接效率高、焊縫小、易操作等特點，常用于比較薄的板材、管材等的焊接。在國外機車制造公司，常用的點焊機械手、龍門焊縫機等都采用的是接觸焊，特別適合不銹鋼和鋁合金車體的焊接。

隨著鐵路技術的不斷發展，機車產品質量標準和要求也在不斷提高，特種焊接技術已經開始得到應用，如等離子焊、激光焊和真空釬焊等先進技術已經在日本新干線、法國TGV、德國ICE、意大利ETR等高速列車的制造過程中得到了應用。等離子焊主要用于薄板對接和軸類零件焊接，電子束焊用于重要軸類焊接，激光焊用于焊接變形要求特別小的工件，真空釬焊用于不銹鋼和鋁合金散熱器的焊接。

2.1.2 焊接材料種類豐富

國外的焊接材料比較豐富，能夠滿足絕大多數金屬工件的焊接需要，具有品種規格多、質量性能好的特點，在高速機車制造中，車體構件就大量使用了鋁合金和不銹鋼焊接材料。

2.1.3 焊接設備實現自動化

國外機車的焊接設備比較先進，尤其是重載鐵路運輸機車的制造業中，隨著自動控制技術和微機技術在機車制造業中的推廣使用，自動化焊接裝備已經開始在機車制造公司廣泛使用，先進的自動化焊接設備不但保證了機車部件的焊接質量，而且也提高了機車產品的工藝性。自動化設備焊接優勢十分明顯，現代機車制造廠一般都采用了機器人焊接，主要優勢體現在：一是不受勞動工時的限制；二是焊接精度高，焊縫美觀；三是焊縫承載力強，產品構件輕量化；四是作業條件要求低，輔助投入少。由此可見，機器人焊接不但能提高勞動生產效率，更重要的是能夠保證機車的焊接質量，法國TGV、德國ICE、意大利ETR等公司，在機車制造和檢修生產中，從零件下料——組裝——施焊以及后期檢測處理等都大量采用了自動化裝備。

2.2 我國機車的焊接應用

近年來，為了擴大內需，助推經濟發展，國家對鐵路系統的投入不斷加大，我國機車制造業水平也得到了迅猛發展，機車檢修工裝水平也大大提高，南北車主機廠都對焊接裝備和技術進行了革新，從國外引進的自動化焊接設備，在新造機車特別是動車組的制造中，得到了很好的應用，但與國外大型機車廠比較，我們還有很多不足，自主開發的焊接設備性能還不穩定，自動化焊接設備較少，焊接工藝和焊接質量還有待進一步提高，這與高速重載機車發展的要求還有很大差距。

2.2.1 焊接設備相對落后

南車集團株機公司是我國電力機車制造業的龍頭老大，生產的HXD系列機車在全國鐵路主干網上都投入了運用。但是與國外先進機車制造水平相比，株機公司在焊接技術和工藝水平上還存在很多不足。株機公司在機車部件焊接方面目前以富氬混合氣體保護焊為主，約占總量的75%，主要依靠手工焊接，自動焊占焊縫總量不足20%，而國外大廠已達到70%以上。落后的焊接工藝和設備，直接導致機車焊接質量不穩定，有些新造機車在投入運用一年多就出現了焊縫開裂的焊接缺陷。總體來講，國內機車新造廠普遍存在焊接設備相對落后，設備結構不合理，高性能設備較少，自動化焊接程度較低的問題。

2.2.2 焊接工藝亟待加強

主機制造廠在焊接車體、轉向架、車頂以及關鍵構架等主要受力部件時仍以混合氣體保護焊為主，自動化焊接設備應用較少，機車部件的焊接質量不高，焊縫工藝也達不到要求，為新造機車投入運用后埋下了安全質量隱患。同樣，國產內燃機車柴油機氣閥、鋼套、增壓器轉軸等關鍵部件也存在同樣的問題，所以內燃機車柴油機、增壓器等關鍵部件的慣性質量問題一直也沒有得到有效的解決。“走行部沒小事”，轉向架技術直接影響著高速、重載機車的發展水平。目前，新型機車大部分采用的是焊接轉向架，各主機廠在轉向架焊接裝備方面投入的力度都很大，多數工廠都采用了新材料、新設備，但主要采用的還是二氧化碳保護焊，焊接工藝的不配套，導致機車焊縫存在質量隱患，新造機車在投入運用后運行中焊縫開裂的險情時有發生。還有一部分新造廠引進了國外的先進焊接設備，但是由于引進自動化焊接設備時存在盲目性，對設備的后續開發沒有跟上，造成焊接設備不能充分發揮作用；而且國內的配套設備不全，焊件鋼結構精度不足也會影響到機車部件的焊接質量。

2.2.3 焊接材料種類不全

在HX新型機車以及CRH動車組車體的焊接上，各新造廠已經開始大量的使用新型鋁材和不銹鋼等材料，并對這些新型材料對應的焊接材料也進行研發，相繼開發了特種鋼焊絲、鋁焊條等，基本能滿足一般焊接用材的需要，但是對一些特殊的焊接材料還得靠進口，比如有色金屬。目前，我國的焊接材料還存在很多不足，規模品種都很單一，質量方面也存在差距。尤其是針對保護氣體焊，沒有研發專門的焊絲，除進口材料外，一般的制造廠采用二氧化碳焊絲來代替。

3 機車焊接技術的發展趨勢

焊接技術作為現代制造業中必要的組成部分，正隨著高新技術的發展不斷革新。機車焊接技術正朝著焊接自動化和過程控制智能化的方向發展，無論是特殊材料和還是特種焊接技術都是發展的重點，模擬焊接技術也會逐步得到發展和應用，材料學和工程技術領域也會對焊接技術產生影響。隨著重載機車和高速機車的不斷發展，微機控制技術應用將更加廣泛，焊接機械化和自動化程度也將越來越高。

3.1 焊接構件精確化

焊接構件精確化是保證焊接質量的重要指標，隨著保護氣體焊、激光焊等焊接技術自動化和智能化的不斷發展，對焊接構件的精確化要求也越來越高，焊接產品的質量和工藝水平越來越好。

3.2 焊接生產智能化

隨著工業社會對焊接產品質量要求的不斷提高，焊接生產自動化和智能化水平也在不斷提高，自動控制技術、精密電子技術以及微機軟件控制技術得到了越來越廣泛的應用，這將會大大提高焊接生產效率和自動化程度，這也是焊接技術的發展趨勢。

3.3 微機控制普遍化

隨著微機技術在焊接生產中的廣泛應用。微機輔助產品設計與制造、焊接過程控制以及焊接質量檢測都將得到大力的發展，利用微機分析焊接數據，模擬優化焊接過程，開發焊接自檢系統，建立機車焊接大數據庫，同時將微機技術應用于焊接電源控制，全面實現焊接過程自動化跟蹤和調整，從而滿足焊接自動化的發展需要。

3.4 特種材料多樣化

特種焊接材料將不斷開發，由傳統的鋼結構，轉向高強度有機復合材料。焊接材料的多樣化也是焊接技術不斷發展的一個重要組成部分。

3.5 焊縫檢測自動化

焊縫質量直接決定著機車產品的運用穩定性和安全性。機車重要承力部件焊縫必須要采用一定的處理工藝，通常對焊縫采用的方法有熱處理和應力消除，必要時還要對焊縫采取打磨處理或者是氬弧焊重熔等工藝。制定受力焊縫的應力狀態檢測標準，開發自動檢測焊縫質量的自檢系統，及時檢測構件焊接質量是否達到設計要求，推廣使用X射線成像技術、超聲檢測數字成像技術等系統，自動檢測零部件內部缺陷及裝配偏差，提高檢測靈敏度，降低人為失誤，實現焊縫檢測處理工裝設備自動化，做到防患于未然，確保焊接產品質量達標。

4 結語

隨著世界焊接技術的不斷發展，通過引進、吸收再創新的方式，我國焊接技術也會與時俱進，不斷創新和發展，機車焊接水平也會得到長足的發展，我們要盡快消化掌握引進的焊接設備和切割設備，提高機車焊接精度和組裝水平，不但在焊接過程中能夠精準控制，而且要不斷完善管理評價系統，使工藝評定和工藝管理規范化，最終達到焊接技術管理科學化、工藝裝備標準化的水平。通過不懈的努力，我國機車工業制造水平必然會縮短與國外發達國家的差距，早日進入機車制造強國之林。

參考文獻

[1] 林尚揚.我國焊接生產現狀與焊接技術的發展[J].船舶工程，2005，27（B5）：15-24.

[2] 錢坤才.機車車輛制造業國際先進水平調研[C].鐵路貨車制造工藝學術研討會，2007.

[3] 鐵道科學研究院高速鐵路技術研究組.高速鐵路技術[M].中國鐵道出版社，2005.

[4] 石玗.鋁合金脈沖MIG機器人焊接智能控制系統研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2005.

[5] 楊川 .焊縫缺陷圖像特征提取研究[D].武漢：武漢理工大學，2010.