地鐵車輛鋁合金車體攪拌摩擦焊淺析

安子良，王子業，火巧英，孟慶標，王維鑫

（1.上海應用技術大學軌道交通學院，上海201418；2.南京浦鎮城軌車輛有限責任公司，南京210031）

0 前言

近年來，我國軌道交通事業迅猛發展，截止2017年底，地鐵運營總里程達到4712km[1]，高鐵運營里程2.5萬km，隨之而來的是能源消耗的巨幅增長。因此，當前軌道交通車輛研究的熱點是在保證安全性、可靠性的基礎上，通過使用輕質材料、優化結構設計以及制造工藝革新三大途徑[2]，實現列車車體輕量化與綠色制造，以最終達到節能降耗的目標。采用鋁合金可降重50%。成為車體輕量化的首選材料，目前已占據全世界地鐵市場70%的市場份額，高鐵市場的95%。就結構而言，鋁合金車體采用大型中空寬幅擠壓型材，取消鋼制車體上的各種梁、柱及補強結構，在提高車體整體剛度的同時也減少了制造成本、延長了使用壽命；從生產工藝上看，鋁合金車體由鉚接革新為焊接后每輛車減重約500kg，顯著提高密封性能，滿足高速運行情況下空氣動力學的要求，同時也減少了缺陷產生，外觀平整度高。

本文基于軌道車輛全周期壽命理論，從材料特性、生產成本、結構優化等方面，對鋁合金車體熔焊、激光焊與攪拌摩擦焊工藝的優劣進行了比較研究，重點討論了國內軌道車輛生產企業采用攪拌摩擦焊工藝大規模生產鋁合金車體的可能性，對于提升我國在軌道交通車輛裝備制造水平、列車服役穩定性及可靠性具有重要意義。

1 鋁合金車體研究

1.1 材料特性

由表1可知，鋁合金比強度為耐候鋼的2.6倍、不銹鋼的2.3倍，參考EN 12663-2003《鐵路應用鐵道車輛車體結構要求》標準[3]，相比鋼制車體，鋁合金車體在碰撞時由慣性產生的動能較小，因此乘客受到的沖擊力也較低，安全性不降反升。

圖1是國外車輛用鋁的使用及減重情況比對圖。

表1三種材料比強度性能比較

圖1國外城軌車輛使用鋁材減重情況

1.2 生產成本

軌道車輛的全壽命周期成本[4]（Life Cycle Cost，LCC）是指綜合考慮采購成本Ck、維修成本Cm、運營能耗成本Co和回收處置成本Cd全過程并使總費用最小的優化理念。

（1）采購成本Ck：我國各城市軌道交通服役車輛中鋁合金車的平均采購成本為115萬美元，約為不銹鋼車體的1.6倍、耐候鋼車體的1.9倍。

（2）維修養護成本Cm：資料表明，在30年使用期內，不銹鋼車體的維修費用低于1萬美元，鋁合金車體在2萬美元左右，碳鋼車體的維修費用超過10萬美元[4]。

（3）運營能耗成本Co：鋁合金車體比不銹鋼車體約輕1t，以每日走行500km、每1km耗電約0.137MJ計算，則一年節約電能25000MJ[5]，壽命期內節約電費2.3萬美元。

（4）回收處置成本Cd：以車輛出廠10年的檢修工時對比為例，鋼材車輛為100%，鋁合金車輛為52%；報廢車輛的回收價值，鋼材車輛為100%，而鋁合金車輛為480%[6]。

耐候鋼、不銹鋼和鋁合金這3種車用材料的采購、維修費用比較如圖2所示。

圖2不同材料軌道交通車輛采購、維修費用比較圖

綜上所述，從車輛采購成本Ck與維修養護成本Cm來看，不銹鋼要略優于鋁合金；但在運營能耗成本Co與回收處置成本Cd方面，鋁合金要明顯優于兩類鋼材。從30年的運營周期來看，鋁合金車體LCC優于不銹鋼與耐候鋼全壽命周期成本。

1.3 結構優化

如表2所示，軌道交通車輛上有5000、6000和7000系三種系列鋁合金應用在車體的不同結構與部位[7]，以滿足軌道車輛運營的強度、剛度與防腐性能要求。從剛度考慮，鋁合金材料的密度與彈性模量僅為鋼材的1/3，必須考慮構件和車體結構優化。因而鋁合金車體通過采用大型中空擠壓型材及其組合件、加大板厚及車體端面等方法來提高車體的抗彎剛度，以減少變形量、提高列車運行安全性。

表2 5000、6000、7000系鋁合金機械性能與用途

2 焊接工藝

鋁合金在軌道交通車輛制造中的應用日益增長，但存在獨特的物理化學性質（熱導率大（約為鋼的4倍）、易產生氣孔裂紋、表面有氧化膜等）導致的焊接難點，因此如何選取合適的焊接工藝是鋁合金車體進行大規模工業化推廣的關鍵問題。

2.1 熔焊方法

目前，鋁合金軌道車輛主要采用鎢極氣體保護電弧焊（TIG）與熔化極/惰性氣體保護電弧焊（MIG/MAG）為主的熔焊焊接生產工藝。交流TIG焊焊接質量好，但工效較低，主要應用在焊接3mm以下的薄板，僅適合小件、薄板操作和修補作業，而對中厚板的焊接效率較低且成本高，因此在鋁合金車體上使用十分受限；直流MIG/MAG焊效率高，但焊接接頭性能不佳，在軌道車輛鋁合金車體上一般用于端墻、側墻、車頂、底架等長大部件的焊接，適合手工焊及半自動焊[8]。總而言之，TIG、MIG/MAG兩種熔焊方法均存在各自局限性，且工藝復雜，因而無法完全實現自動焊接。

2.2 激光焊

為了降低勞動強度，同時提高生產效率與焊接質量，目前軌道車輛生產普遍采用激光焊代替TIG、MIG焊等熔焊工藝，車體零部件也逐漸采用攪拌摩擦焊、激光-電弧復合焊接工藝等新技術。

激光焊接（LaserWelding，LW）在20世紀80年代開始應用于汽車車身制造領域并逐漸發展為汽車制造業的標準工藝，在焊接20～30m長焊縫時可取代MIG、MAG和電阻焊。據統計，歐美發達國家50%～70%的汽車部件都是用激光焊接完成的[9]，但在焊接鋁合金時仍存在如下問題[10]：鋁合金對激光能的初始反射率達到90%，能源浪費嚴重；最大可焊厚度受到滲透厚度限制，不適合焊接超過19mm厚的工件。就現有的激光焊接技術而言，尚無法勝任對于鋁合金車體長厚板及中大型零部件的大規模工業化生產要求，迫切需要一種能量密度大、熱量高度集中且高效節能的焊接方法。

2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（Friction StirWelding，FSW）是一種用于低熔點合金板材焊接的新型固相連接技術。針對鋁合金列車接頭抗撞性能、疲勞性能和抗腐蝕性能等問題，歐洲FSW相關單位進行了“ALJOIN”、“EuroStir”以及“GSP”等多個項目的聯合開發與共同研究[11]。Radisavljevic[12]、Sato[13]以及王希靖[14]等人分別研究了不同系列鋁合金的FSW工藝與接頭性能。上述研究共同促進了FSW焊接在船舶、航空、航天、軌道車輛、汽車等各個領域的焊接結構優化，簡化設計、降低成本。

FSW在汽車、軌道交通車輛以及航空航天領域都已經進入工程化后期和工業自動化階段。1998年，日本日立公司對A-Train系列車制造過程中采用FSW技術進行3m單面側板及25m雙蒙皮列車頂板的焊接并批量制造；日本住友輕金屬公司采用FSW技術焊接超過3000m的無損焊縫[15]。同年，英國龐巴迪公司采用FSW技術生產了300多輛地鐵列車[16]。自2008年開始，我國南車株洲電力機車有限公司進行FSW技術在鋁合金車體焊接中的試制研究工作，2010年開始進行鋁合金車體側墻、地板、平頂板的焊接生產。

2.4 三種工藝與接頭性能比較

以軌道車輛車體常用型材6005A鋁合金為例，對FSW、激光焊與MIG 3種方法適用的焊接厚度范圍、焊接速度參數作對比[17]，并對焊接頭拉伸與疲勞性能試驗進行比較，結果如表3所示。

表3 FSW、激光焊和MIG焊接各項性能對比

由表3可知：（1）FSW幾乎可焊接所有厚度的板材，MIG對于小于3mm的薄板和大于10mm的厚板焊接性能不佳，激光焊由于滲透厚度限制無法焊接超過19mm的厚板；（2）FSW焊接速度約為手工MIG焊的10倍、激光焊的4倍，焊接效率同比大幅度提升；（3）FSW的最高焊接溫度為480℃，比MIG與激光焊（660℃）低得多；（4）FSW的連接斷面比MIG焊光滑得多，可直接用于產品；（5）FSW固相連接，不會形成氣孔、裂紋等缺陷，焊接變形量僅是MIG焊的1/10～1/20，焊接殘余應力較MIG焊降低15%以上；（6）FSW焊接頭抗拉強度與疲勞強度均優于MIG焊；（7）FSW焊成本低，在焊接過程中不需要消耗其他材料，能源消耗少，所需的能量僅為激光焊接的2.5%。因此，FSW更符合鋁合金車體全壽命周期成本優化的條件，也更加適合軌道車輛工業化生產要求。

3 結論

通過上述分析表明，隨著鋁合金車體工業化的不斷拓展，其焊接工藝逐漸由TIG、MIG/MAG等常規熔焊向激光焊、攪拌摩擦焊等先進焊接方法過渡，從全周期壽命理論的角度來看，攪拌摩擦焊技術很好地滿足了鋁合金輕質材料對車體結構制造提出的挑戰與要求，FSW工藝有可能成為現今軌道交通車輛裝備制造的最佳解決方案。