郭峰 张忠海 王强 张文杰 江鑫
中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000
摘要：铝合金车体具有重量轻、耐腐蚀、外观平整度好、易于制造等优点，广受世界各地城市交通公司的欢迎。基于此，本文详细探讨了高速动车组车体的关键制造技术。
关键词：高速动车组；车体；制造技术
随着我国高速动车组的成功运营，铝合金车体将逐步取代碳钢应用于轨道车辆。铝合金车体作为交通设备的载体，其结构强度、力学性能和抗疲劳性能对车辆的运营稳定性及使用寿命有着重要影响。因此，研究分析高速动车组车体的关键制造技术具有重要意义。
一、铝合金车体制造技术在我国的发展历程
我国开发铝合金车体的起步较晚。1989年,长春客车厂参照日本模式开发了首辆铝合金地铁车体,目前该车体仍在北京运行。由于该车体在设计上采用板梁结构,制造工艺繁琐、平整度差、成本高而未在市场上大规模推广使用。1996年,铁道部组织人力、物力开发了ICE2型结构铝合金车体,采用德国进口材料,用简易自动焊设备和自制窗口机加设备成功制造出了中国第一台混合结构铝合金车体。该车体的制造成功,客观上促进了国内企业对车辆用铝合金型材的技术开发,经多年铝合金大型型材的基础产业研究,目前在关键材料配套上已实现国产化,为铝合金车体降低成本和市场化提供了前期条件。
二、关键制造技术
1、整体加工和加工仿真技术。传统客车车体加工采用大部件机械加工后组焊形成车体的加工工艺，这种加工工艺会导致大部件产生应力变形，车体总成装配精度低，不能满足高速动车组车体加工要求。
高速动车组车体制造采用整体加工技术。车体组焊调修后，用专用测量仪对转向架支撑部位进行称重测量，计算出转向架支撑部位受力情况和加工余量，同时，采用专用机床探头探测车体加工部位位置尺寸，将测量结果存入加工程序参数中，最后调用数控加工程序对车体进行整体加工。此技术解决了因焊接应力变形而影响车体加工精度的问题，保证了车体与转向架连接部位的安装精度。
高速动车组车体制造中采用了数控加工仿真技术，提高了车体大部件加工精度，缩短了制造周期。具体以五轴联动加工中心为载体，以Pro/E软件为图形平台，以DELCAM仿真软件为工具，构建三维工件、机床、刀具、工装等实体模型，实现对车体三维加工的工艺仿真，并进行无过切和干涉检验。数控加工仿真技术提供了从定性到定量、从模糊到精确和从直觉到科学的工具，与传统通过零件试制来验证数控加工程序正确与否的方式相比，能显著降低成本、缩小风险、缩短制造周期。另外，自动编程技术的应用还能解决复杂曲线和曲面在加工中的问题。
2、焊接技术。铝合金焊接技术是整个高速动车组铝合金车体制造中，最重要也是最常用的关键技术，目前铝合金车体焊接技术有CMT焊接、MIG焊接(专机、手工、机械手焊接)、电阻焊接等。随着我国焊接技术的发展，在动车组的车体焊接制造中，较大或较长的焊缝以机器自动焊接完成，焊接效率高，焊缝均匀，但对一些精度要求高的重要部件和焊缝短且小的部件，机械焊接难以达到要求的情况下使用其他人工焊接。
动车组铝合金车体各个大部件在焊接中技术重点各有不同，车顶一般采用双枪双丝自动焊接，侧墙用单丝自动焊接，车体组装采用专机、人工焊接相结合。焊接操作现场环境要求温度高于18℃，湿度小于60％，部分部件进行焊接时要用熔化极惰性气体和钨极惰性气体保护，焊接前要清理工件的焊接区表面、焊丝，焊接速度不能过快，弧长不能太长。
3、三维司机室制造。司机室铝结构采用中空型材骨架结构和三维弯曲蒙皮型材组成，采用模块化制造，先完成各大部件生产，然后组装，从而完成司机室的组成。制造难点在于各部件的变形控制，避免在组成时变形积累过大。
采用过程化质量控制，每道工序进行严格的质量控制。
以司机室挡风玻璃框架为例，其三维件制造方法：单件型材进行三维激光检测，调整单件尺寸，保证焊接前装配质量，并预制反变形；三维工件组焊工装进行三维激光检测，预制一定的反变形量；并制造挡风玻璃框架三维检测工装和矫形安装工装，对焊接后的挡风玻璃框架进行检测及矫形。矫形合适后再使用安装工装压卡状态下进行司机室组成焊接，以保证整体焊接尺寸。
通过以上方式，可保证每个大部件在进入司机室组成工序时，尺寸偏差处于可控范围内，满足司机室组成焊接前的装配质量，从而有效保证焊后尺寸。焊接完后，司机室吊出总成工装并辅以适当的火焰调修和机械调修，可保证司机室轮廓满足设计尺寸要求。
4、调修技术。动车组铝合金车体调修技术应严格遵循铝合金车体调修工艺规程，目前调修主要有火焰、机械调修。调修技术是车体制造和小问题纠正的关键技术，也是车体制造的关键技术；机械调修用于调整端侧门口不平度、小而积局部凹凸等部位，它以传统的机械链镐、尼龙大锤为调修工具，对形状不达标或变形部位依靠工具施加合适的外力，使工件达到所需技术标准。而火焰调修用于调整车体侧墙处外轮廓、长度和宽度尺寸、大部件轮廓、车体挠度等，采以火焰加热，使调修部位产生200℃以内高温形变、自然冷却的方式消除焊缝内应力，从而达到调整工件轮廓和弧度的目的。
5、检测定位技术
1)焊缝气密性检测技术。为美观需要，高速动车组的侧墙、车顶等大部件外侧长焊缝最终需磨平，由于这些焊缝暴露于车外，所以还需进行气密性检测。
在CRH3型动车组侧墙、车顶制造时，采用着色渗透检测(PT)法进行检测，这种检测法工作效率低、对人员资质要求高且观察结果具有局限性。
目前，采用真空检测焊缝气密性技术，其原理是在检测区域涂抹肥皂水，利用抽吸容器和真空泵使焊缝处于密封状态，然后改变密封腔内的气压到规定压力，根据该压力保持时间来确定焊缝密封程度。若形成气泡，表明有泄漏，必须进行补焊修理，返修完后再通过真空试验确认。此技术降低了检测成本，提高了检测效率，目前已在侧墙等大部件生产中普遍应用。
2)激光莱卡技术。高速动车组司机室等大部件不仅长，而且形状复杂，要求确定尺寸多，采用传统的测量方法不仅测量精度低，而且测量时间长，难以满足批量化测量要求。为此，引入了航空航天领域使用的API激光莱卡检测技术。
激光莱卡检测技术主要采用莱卡全站仪，配合针对部件图样专门编制的测量软件，通过专门的测量靶标，实现了对司机室等大部件的轮廓尺寸、测量孔偏移量、车门尺寸、纵梁倾斜位置等尺寸的精确测量，效率高，精度高。
6、车体四角称重技术。车体重心位置偏移对高速动车组的高速运行影响大，同样的偏移量，速度越高影响越大，特别是对隧道和弯道稍多的高速铁路而言，重心偏移、高速运行危险性很大。利用车体称重设备分别对车体前后端进行称重，然后通过数据计算得出车体的整体质量是传统的车体称重方法，该方法只能称量车体的前后轴重，不能确定重心是否偏移。我国高速动车组采用了四角称重技术，方法为利用4个车体称重设备同时对所需重心测量的车体四角进行称重，称重设备自动将质量转换成电信号并传递给接入的计算机，由编制好相关计算规则的计算机计算出车体的实际重心位置、总质量及车体各轴质量，此技术能精确计算出车体重心位置，称重质量也更为准确，符合高速动车组车体的称重需要。
总之，我国的高速动车组以轻质高强铝合金材料制作车体框架结构，铝合金车体焊接结构和车体梁板制造等关键技术领先世界。此外，生产制造铝合金车体是城市轨道车辆发展的必然趋势。
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