白英浩，许世涛，李金龙，王忠平，王国钰
中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）
摘要：轨道交通制造业是当今世界高度关注的高端装备制造行业和战略性新兴产业，我国也在积极抢抓轨道交通制造业发展的重大窗口期和机遇期。轨道交通制造业的制造材料与材料连接工艺发展迅猛，逐渐形成了完备的材料连接工艺体系。本文主要介绍当前轨道交通行业所用材料与材料连接工艺的发展历程，并阐述了材料连接技术在未来轨道交通制造业的发展趋势。
关键词：轨道交通；焊接技术；粘接技术
0前言
随着我国交通强国战略和交通运输现代化建设概念的提出，我国的轨道交通的普及将是新型城镇化与中小城市地区高质量发展的命脉。在轨道交通发展的同时，耐用性、精度、使用安全性都是衡量机车车辆质量的关键。随着新型材料的应用，对材料的连接技术也带来了前所未有的挑战。
1 制造材料的发展与应用
1.1 碳钢材料
目前在机车制造领域，由于碳钢的焊接性好，在焊接过程中变形小，故大量地应用于转向架构架与不锈钢地铁的端部底架。地铁端部底架所用碳钢材料牌号主要为Q355GNHD，属于低合金高强度钢，含碳量低，淬硬倾向小，热裂敏感性好。在动车组转向架构架中使用的碳钢主要是SMA490BW耐候钢，耐候钢是在低合金高强度钢中添加适量的Cu、P、Cr和Ni等合金元素，使母材更耐大气腐蚀。
1.2 不锈钢材料
不锈钢材料可以耐腐蚀与耐高温，具有良好的冲压加工性能。在轨道交通制造业常用的不锈钢牌号是SUS301L-HT，是超低碳经济型奥氏体不锈钢，其屈服强度高达800 MPa。由于不锈钢材料具有较低的热传导率、较高的电阻率与热膨胀系数，目前不锈钢地铁车体大范围使用电阻焊进行焊接，辅以MAG焊工艺。
1.3 铝合金材料
车体轻量化是实现动车低能耗与高速度的快捷路径，铝合金的轻量化与成本效果排名较为靠前，因此高速动车组的车体已经完全应用铝合金。不同系别的铝合金在动车组车体中的应用场景有所不同：A5083铝合金焊接性与耐腐蚀性好，应用于司机室的端墙；A6A01铝合金挤压性好，应用于车顶与侧墙；A7B05铝合金轻量化效果好、强度高，主要应用于底架。
1.4 碳纤维
碳纤维是含碳量90%以上的低质量、高强度纤维材料[1]。碳纤维材质地铁整车减重达13%，可节约能耗15%左右，还能实现车辆智慧驾驶服务，提高舒适性。碳纤维材料地铁主要有以下优点：
1.轻量化、高强度
2.可设计性强
3.耐腐蚀性能优异
4.碳纤维材料结构内阻大，抗震吸能效果好
2 材料连接技术的发展与应用
轨道交通制造材料在发展，材料的连接技术与工艺也是不断优化改善，针对碳钢、不锈钢、铝合金以及最新应用的碳纤维地铁，都有不同的材料连接手段，并且已经证实了这些连接工艺是完全满足列车可靠性要求的。下面将分别介绍目前轨道客车制造中常用的焊接、粘接方法与工艺。
2.1 MAG/MIG焊
MAG焊是在碳钢、不锈钢车体与转向架制造过程中最常见的焊接方法。MIG焊主要用于铝合金材料的焊接，由于铝合金易与氧元素结合产生氧化膜，所以焊接时需要采用纯度较高的惰性气体隔绝空气中的O2与CO2。
MAG/MIG焊的工艺适应性强，操作简便，易于实现自动化与机械化生产，所以在轨道客车制造时，一些长直焊缝，如铝合金地板拼焊时，大多结合IGM自动焊机进行全自动生产，这样不仅提高了生产效率，而且可以对焊接过程进行有效检测，确保焊缝质量。
为了提高MAG/MIG焊的熔覆效率，许多学者相继提出在轨道交通行业引用双丝MAG/MIG焊，通过双丝的方式可以提高熔覆率，提升焊接速度。
2.2 电阻焊
电阻焊是用大电流、电压，伴随加压的方式将薄板进行固相连接。电阻焊焊后变形小，焊缝性能可靠，焊接工艺成熟，在不锈钢地铁车体侧墙骨架、顶棚焊接过程中大量应用。
不锈钢地铁车体制造过程中应用的电阻焊主要分为电阻点焊与电阻缝焊。电阻点焊又根据电极的不同分为单面单点型、单面双点型与双面单点型。单面单点型电阻点焊机主要用于部分车体的侧墙骨架与侧墙板的焊接；单面双点型点焊主要用于顶棚与弯梁的焊接和地板与底架横梁的焊接。双面单点型点焊主要是使用BC点焊机器人将端部底架的边梁与横梁进行焊接。电阻缝焊主要用于不锈钢地铁中地板波纹板与顶棚波纹板的拼焊。
2.3 激光焊与激光-电弧复合焊
电阻点焊在不锈钢车体中的焊接日渐成熟，但是电阻点焊焊后在车体表面会出现裸露的凹坑，凹坑会影响车体的美观与结构密封性，为此各大轨道交通制造企业相继引进激光焊的方法焊接不锈钢车体。激光焊工艺具有焊速快、焊缝热影响区窄、焊接变形小、焊缝美观等优点。中车青岛四方机车车辆股份有限公司通过引进激光焊技术相继完成了北京地铁14号线、青岛地铁1号与13号线等项目[2]。
激光焊也存在着一些工艺难点，如对工件装配精度要求高、焊接工艺窗口窄等缺点。中车青岛四方机车车辆股份有限公司引进激光-电弧复合焊技术，对不锈钢与铝合金车体进行焊接，激光-电弧复合焊利用电弧焊熔池金属搭桥能力强的优势弥补激光焊装配要求高的缺点，具有激光焊与电弧焊两者的优点，获得了“1+1＞2”的协同效应，对装配间隙适应性强，增大焊接工艺窗口，提升焊接效率与质量，是一种极具应用前景的先进焊接工艺方法。目前该焊接技术已经在600 公里高速磁浮列车中得到应用，并将用于中国下一代地铁列车枕梁焊接。
2.4 搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊1991年发明以来，已经成为焊接历史上从发明到工业应用所用时间最短的一项焊接技术。搅拌摩擦焊在焊接过程中没有烟尘、气泡和飞溅，焊后工件残余应力小、变形小，焊缝微观组织细密、晶粒细化且均匀，焊接轻质合金(铝、镁、铜)有其他焊接方法无可比拟的优越性。
在轨道交通行业，搅拌摩擦焊技术也逐步在轨道装备制造企业用于铝合金动车组与地铁的制造，搅拌摩擦焊技术由于自身特点，在焊接长、直焊缝时优势明显，效率高，质量好。目前主要用于焊接动车组的司机室气密隔墙、枕梁、牵引梁、端墙板，铝合金地铁地板、侧墙、车顶、端墙板等零部件。
2.5 粘接技术
随着复合材料、轻金属材料开始广泛在车体外饰应用，粘接技术逐渐用于轻质材料的连接。在轨道客车制造领域使用的粘接剂主要有化学固化胶粘剂、物理固化胶粘剂、压敏胶（无固化胶粘剂）三大类[3]。化学固化胶粘剂主要用于螺栓锁固、司机室前窗玻璃等；物理类固化剂主要用于粘接橡胶件与电器件；压敏胶粘剂可以适应各种材料，并重复的使用。
3 前景展望
随着轻量化材料与结构设计的创新，必将在保留传统材料连接工艺优势的基础上进行深度创新。今后的材料连接工艺将有以下发展趋势：
1. 电弧-激光复合焊接技术涉及复杂的多物理场耦合作用机制，下一步需要揭示这类机制，丰富焊接工艺理论，找寻焊接智能制造基础数据和理论依据。
2. 对复杂结构、新型工艺的焊接模拟仿真技术以及焊接过程的控制也将是未来的研究重点。
3. 碳纤维材料粘接剂的选型与匹配、接头的选择与优化、接头的检测与修复技术也将是行业热点。
参考文献
[1]王茂章,贺福,碳纤维的制造、性质及其应用,科学出版社,北京,1984。
[2]韩晓辉，轨道客车轻量化材料及其连接技术的发展与展望[J].焊接，2020（10）：34-42.
[3]杜慧勇，吴鹤翔，粘接技术在机车车辆行业的应用[J]. 时代汽车,2018（3）：33-34.