铝合金焊接技术的研究现状及发展趋势

图５龙门焊接专机示意　

图６激光跟踪焊接路径示意　

图７机械跟踪焊接路径示意　３．机械手自动焊　

机械手焊接铝合金车体大部件主要采用龙门式和　

悬臂式两种方式。在焊缝跟踪上，只能采用激光跟踪　的方法，机械手焊接大部件普遍采用双丝，单丝焊接　

一般用在初期设备系统上。机械手焊接最大的优点是　持枪结构牢固，焊接过程稳定，焊接状态一致性容易　

保证，焊接质量好。机械手焊接的最大缺点是更换焊　

丝慢，操作复杂度高，维护难。机械手和焊接专机在　

应用上，没有绝对的好和坏，根据企业自身条件灵活　运用，都能取得最终的目标。图８为龙门式机械手自　

动焊设备工作模式。　

图８龙门式机械手自动焊设备工作模式　二、目前铝合金车体自动焊接存在的问题　

１．焊接效率问题　

目前铝合金车体部件自动焊如地板、侧墙等，效率　

不高，一般１．２ｒａｍ单丝自动焊只能达到８００ｍｍ／ｍｉｎ，　双丝自动焊最大达到１８００ｍｍ／ｍｉｎ。如果现场操作者或　

焊接工程师没有很好的经验或部件组对质量较差时，焊　

接效率还得降低２０％左右。由于铝合金车体需要大量的　自动焊接，只能配置更多的自动焊接设备。在某工厂铝　

合金生产线上，配置大部件焊接的大型龙门设备就达到　

１５台，加上其他配套焊接设备，设备配置数量多达２０　余台。设备数量的增加，将伴随劳动力和生产场地的增　

加，因此，如何提高自动焊接的效率是铝合金自动焊接　

追求的重要目标。　

２．强度下降过大问题　

车辆所用铝合金一般都是时效强化型铝合金，该种　

铝合金焊接将带来焊接ＨＡＺ强度的损失。一般强度损　失取决于两种因素：材料受热时间和温度。　

（１）焊接时间对强度的影响试验研究证明，时效　

强化型铝合金材料受热时间越长，强度损失越大。在铝　合金车体部件焊接过程中，过慢的焊接速度会导致ＨＡＺ　

加热时间过久、强度过低而被母材收缩应力撕裂，出现　区域裂纹。因此，在铝合金工件导热速度过慢的情况　

下，限制过慢的焊接速度是必须的，但实际操作过程中　

铝及铝合金的焊接性分析

铝及其合金化学活泼性很强，表面易形成氧化膜，且多具有难熔性质（如Al2O3的熔点约为2050℃，MgO的熔点约为2500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。由于氧化膜密度同铝的密度极其接近，所以也容易成为焊缝金属的夹杂物。同时，氧化膜（特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可以吸收较多的水分而常常成为形成焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线胀系数大（约为钢的2倍），导热性又强（比钢约大一倍多），焊接时容易产生翘曲变形。

一． 焊缝气孔

（一）铝及铝合金熔焊时形成气孔的特点

铝及其合金熔焊时最常见的缺陷是焊缝气孔，尤其是纯铝和防锈铝的焊接。

氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因，氢的来源，主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分。其中，焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分，对焊缝气孔的产生，常占有突出地位。

1.弧柱气氛中水分的影响弧柱空间总是或多或少存在一定量的水分，尤其是在潮湿季节或湿度大的地区进行焊接时。由弧柱气氛中水分分解而来的氢，熔入过热的熔融金属中，可成为焊缝气孔的主要原因。此时所形成的气孔，具有白亮内壁的特征。

弧柱气氛中的氢之所以能使焊缝形成气孔，与它在铝及其合金中的溶解度变化特性有关。在平衡条件下，氢在铝中的溶解度在凝固点时可从1.69突降到0.036ml/100g，相差约20倍（在钢中只相差不到2倍），其次，由于铝的导热性很强，在同样的工艺条件下，铝熔合区的冷却速度可为高强钢的4-7倍，不利于气泡的逸出，而残留在焊缝金属中形成气孔。实际的冷却条件下并非平衡状态，伴随着凝固过程的发展，在已结晶的枝晶前沿形成许多微小气泡，枝晶晶体的交互生长致使气泡的成长受到限制，并且不利于浮出，因而可沿结晶的层状线形成均布形式小气孔。 不同的合金系统，对弧柱气氛中水分的敏感性是不同的，纯铝对气氛中水分最为敏感。Al-Mg合金含Mg量增加，氢的溶解度和引起气孔的临界分压PH2均随之增大，因而对吸收气氛中的水不太敏感，相比起来，仅对焊接气氛中的水分而言，同样焊接条件下，纯铝焊缝产生气孔的倾向要大些。

铝及铝合金的焊接性分析

铝及其合金化学活泼性很强，表面易形成氧化膜，且多具有难熔性质（如Al2O3的熔点约为2050℃，MgO的熔点约为2500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。由于氧化膜密度同铝的密度极其接近，所以也容易成为焊缝金属的夹杂物。同时，氧化膜（特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可以吸收较多的水分而常常成为形成焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线胀系数大（约为钢的2倍），导热性又强（比钢约大一倍多），焊接时容易产生翘曲变形。

一． 焊缝气孔

（一）铝及铝合金熔焊时形成气孔的特点

铝及其合金熔焊时最常见的缺陷是焊缝气孔，尤其是纯铝和防锈铝的焊接。

氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因，氢的来源，主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分。其中，焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分，对焊缝气孔的产生，常占有突出地位。

1.弧柱气氛中水分的影响弧柱空间总是或多或少存在一定量的水分，尤其是在潮湿季节或湿度大的地区进行焊接时。由弧柱气氛中水分分解而来的氢，熔入过热的熔融金属中，可成为焊缝气孔的主要原因。此时所形成的气孔，具有白亮内壁的特征。

弧柱气氛中的氢之所以能使焊缝形成气孔，与它在铝及其合金中的溶解度变化特性有关。在平衡条件下，氢在铝中的溶解度在凝固点时可从1.69突降到0.036ml/100g，相差约20倍（在钢中只相差不到2倍），其次，由于铝的导热性很强，在同样的工艺条件下，铝熔合区的冷却速度可为高强钢的4-7倍，不利于气泡的逸出，而残留在焊缝金属中形成气孔。实际的冷却条件下并非平衡状态，伴随着凝固过程的发展，在已结晶的枝晶前沿形成许多微小气泡，枝晶晶体的交互生长致使气泡的成长受到限制，并且不利于浮出，因而可沿结晶的层状线形成均布形式小气孔。 不同的合金系统，对弧柱气氛中水分的敏感性是不同的，纯铝对气氛中水分最为敏感。Al-Mg合金含Mg量增加，氢的溶解度和引起气孔的临界分压PH2均随之增大，因而对吸收气氛中的水不太敏感，相比起来，仅对焊接气氛中的水分而言，同样焊接条件下，纯铝焊缝产生气孔的倾向要大些。

高速列车铝合金车体焊接技术及其发展趋势

[摘要]：本文阐述了现代高速列车铝合金车体的焊接技术研究和应用现状，介绍了目前应用较多的焊接技术方法及其发展趋势。

[关键词]：高速列车 铝合金车体 焊接 发展趋势

中图分类号：u292.3+5 文献标识码：u 文章编号：1009-914x（2013）01-

0159-02

随着轨道车辆速度的加快，车体轻量化变得越来越迫切。不锈钢因其密封性较差且密度较高，一般适于制造准高速列车，而铝合金材料制造 200 km/h 以上的高速列车有着很大的优越性[1]。

铝合金密度小、耐蚀性好、比刚度高，可以大大降低列车的自重并提高其安全性。在现代轨道车辆结构中大量采用高强度铝合金材料替代钢铁材料，铝合金车体约占世界份额95%[2，3]。随着近几年中国高速列车技术的引进消化吸收和国内铝合金型材加工技术的日益成熟，国内的高速列车车体材料也都大量采用铝合金。高速列车时速的进一步提高对列车车体材料及连接工艺尤其是焊接工艺提出了更高的要求。

一、高速列车铝合金车体焊接技术研究现状

1.金属极惰性气体保护焊（mig焊）

mig焊是目前世界上高速列车铝合金车体焊接应用最为广泛、经济、有效的焊接工艺。在铁路车辆制造行业，传统mig焊接技术主要由自动或半自动mig焊、手工焊接技术构成。为了适应高速列车

的使用条件，近几年出现一些新的mig焊接技术[4]。双丝脉冲mig焊技术现在已成熟应用在高速列车车体的焊接中，如南车青岛四方机车车辆股份有限公司采用奥地利生产的rit330—s型双枪双臂龙门igm焊接机器人设备对铝合金车体侧墙进行焊接。高速列车的车体侧墙、车顶所用的基本为6005a铝合金，端墙板所用的6082铝合金，国外铝合金车体常用的7020铝合金，国内外相关科研单位和轨道车辆生产制造厂家针对不同铝合金材料的双丝脉冲mig焊接技术都已展开相关研究[5，6]。国外还发展了双头或多头双弧双丝共熔池焊接[4]。