高速列车车体的不锈钢搭接焊技术和口琴式

高速列车车体的不锈钢搭接焊技术和口琴式

文章编号:100726077(2007)02013204

车体的不锈钢搭接焊技术和口琴式

铝型材的FSJ技术

[日本]平山鸟利行等

摘　要:川崎重工公司开发了使用激光焊接和称为FSJ的接合方法用于下一代不锈钢及铝合金车体的制造。通过有效利用低热输入特性,提高了外观品质和附加价值,这是一项有许多特点和潜能的技术。本文介绍了这些开发概念和在实际车辆上的应用情况。

关键词:不锈钢车体;口琴式铝合金型材车体;激光搭接焊;FSJ接合技术中图分类号:U270.6　　　文献标识码:B

引言

从节能和减轻环境负担的观点来看,铁道运输

比其他交通工具更具有优势,正如近年常见的运输模式所表明的那样,铁道作为清洁、大运量运输手段,社会对其期望值提高。

人们对铁道车辆车体的要求是:提高安全性,不断降低产品寿命成本和提高环保性能。例如,钢铁是便宜而且特性优良的材料,铁道车辆中的客车车体就经常采用不锈钢或铝合金制造。钢铁材料由于腐蚀问题,必须具有板厚余量,这就难避免增重。另外,对使用超过30a的铁道车辆由于必须再进行涂装,或对腐蚀部分进行材料更换,所以在维修上也需要花费很高的成本。

不锈钢的耐蚀性强,具有不需要涂装和表面处理及维修等优良特点,所以,以通勤车辆为中心而被广泛采用。另外,铝材比钢材的耐蚀性强,所以被要求轻量化的高速车辆重点采用。

这2种材料的车辆,估计今后的需求量仍将增加。为了满足性价比和减轻环境负担的迫切需求,努力提高生产技术和车辆性能是必要途径。

因此,川崎重工公司开发了采用激光焊接和称为磨擦点接合(FSJ:FrictionSpotJoining)的新接合法用于下一代车体的制造。这2种方法都能抑制焊接痕迹和焊接变形,不仅能提供美观的车体外板,而且有强度高,尺寸精度高、焊接工艺自动化、速度快、品质高等许多优点。本文就开发过程及目标,对不

锈钢车体和铝合金车体进行介绍。1　开发背景

1.1　激光焊接不锈钢车体

不锈钢车体不存在腐蚀,故能采用极薄的外板,实现轻量化。但因为它有因焊接热引起变形的问题,所以组装多采用热输入小的电阻点焊。虽然如此,由于焊接点非常多,也容易发生外板变形。通常车体由侧墙板、端墙板、车顶板、地板组成,在特别显眼的侧墙板中,点焊就成为突出的问题。

为此,历来对不锈钢车体是通过将车体纵向布置的外板加工出细长的凹凸,消除明显的变形,但是,近年特别是侧墙板的凹凸就形成了不完全平滑的外板,何时淘汰该工艺还有待于强度解析技术和生产技术的提高。

电阻点焊由于电极的压紧力和热输入的作用会像图1(a)所示的那样,导致在外板表面残存着直径约1cm左右的压痕,在近年应用的平滑外板中,这类问题就显得格外突出,成了有待解决的课题。车辆是公共交通工具,同时也代表铁路公司的形象,所以注重车辆的外观就是不容忽视的问题。

为了制作具有平滑外板的不锈钢车体,很有必要开发新的接合方法。另外,不仅是美观,还必须进一步解决维修性、成本、环保、安全之类的课题。

因此,作为具有众多潜在优点的新接合技术,主要着眼于激光焊接(见图1(b))的基础技术研究,致力于不锈钢车体应用技术的开发。

第3期车体的不锈钢搭接焊技术和口琴式铝型材的FSJ技术 　13

高速列车车体的不锈钢搭接焊技术和口琴式

图1　电阻点焊和激光焊接接头的外观及断面

1.2　FSJ口琴式铝合金车体

一般说来,车体采用铝合金比不锈钢更轻。为

此,以轻量化新干线车辆为中心,多应用铝合金车体。

构成铝合金车体的侧墙板、端墙板、顶板、地板的结构以单壳或双壳结构为主流。

单壳结构(见图2a)是在带加强筋的大型单壳型材上安装骨架的面板骨架结构。在外板上安装轻量型骨架时,采用铆钉接合就有制造成本高的问题,但采用电弧焊接又有热变形问题。

另外,采用空心挤压型材的双壳结构(见图2b)可以不用骨架,具有生产性优良的特点。但反过来看,由于结构为均匀断面,所以会增大质量。为此,利用空心型材的薄壁化和结构的优化,实现轻量化。但质量减轻是有限度的。另外,由于空心型材要满足一定厚度(40～60mm),所以就有使主结构和内装饰壁面间距变小的问题,致使隔声、绝热的结构及窗户、管道、电路的布置受到制约。为了满足这些功能,所以对主结构越来越要求薄壁化,必须根据要求的功能,恰如其分地采用最优结构

。

图2　铝合金车体的结构形式

由于以上原因,所以不仅要满足外板品质要求,

而且还必须满足轻量化和薄结构化的要求,因而提出口琴式结构(见图2c)的方案。口琴式结构是采用口琴形断面(刚性骨架结构)的空心型材作为外板,利用骨架增强外板刚度,构成外板板件。口琴式型材和骨架的结合,就采用了低热输入接合的FSJ的结合方法(见图3)。

图3　FSJ的施工方法

　14 国　外　机　车　车　辆　工　艺2007年5

月

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2　激光焊接不锈钢车体的开发2.1　激光焊接

激光焊接是通过聚焦高能量的激光束,一边移动,一边照射到接合构件的表面进行高速焊接的方法。由于能将加热范围控制在极小的区域,所以热变形极小,而且能精确地控制焊接条件。

由于这些特点,对重叠的2块薄板照射激光束,从而开发了在激光束达到下板板厚的途中,就使钢板熔化成一体的搭接激光焊接。

电阻点焊是构成“点”接头,而激光焊接的特点是能构成“线”接头,进行焊接的构件是板厚1mm(外板补强)和1.5mm以上(外板)的SUS304钢板,是餐制作具等用的一般高耐蚀性不锈钢。

图1(b)为激光焊接的搭接接头的外观和断面。激光焊接能用比电阻点焊快5倍以上的5～6m/min的焊接速度,焊接下板里面不产生焊接痕迹的美观焊接接头。另外,还确认焊接接头强度(每单位长度的抗拉强度)比通常的电阻点焊焊接头高出1倍左右。2.2　车体结构

图4　激光焊接车体的结构形式

而且,通过在焊接头上安装挤压滚柱,一边挤压

搭接构件,一边进行焊接。这种方法既可省去大规模的压紧夹具,又能确保焊接头的移动,进行密合可靠的焊接。2.4　接头强度和接合品质

这种激光焊接是对重叠的2块板聚焦激光束,在激光束到达第2块板的途中,止住激光束的一种精确焊接方法。

假如激光功率恒定,焊接速度越慢,激光束的熔深就越大,接头的强度就越高,但熔深过大,游光束就会贯穿到里面或发生烧伤(氧化变色),影响外板品质。

在生产现场,为了完成这种微妙的焊接,就必须周密地选定焊接参数,找出最优板厚组合和焊接条件。另外,通过积累构件的良好约束位置、焊接方向、顺序等技巧技术,加上适当的施工管理,就能进行稳定的焊接。2.5　在实际车辆上的应用首先对引人注目的车体侧墙板应用了激光焊接(见图5所示的具有美观外板的车体)。另外,通过车体载荷试验,确认车体强度超过传统车体的强度,从而打下了在实际车辆上应用设计的基础。3　FSJ口琴式铝合金车体的开发3.1　材料开发

搭接激光焊接是精巧的焊接,假如结构复杂就

容易造成焊接条件复杂,增加生产成本。因此,要从根本上重新评价能否构成简单焊接的车体工艺结构(车体结构)。

传统的不锈钢车体是外板骨架结构,外板和纵骨架(柱)、横骨架接合,所以必须进行车体纵向焊接的同时,也要进行与纵向成垂直方向的焊接。对此,新结构如图4所示,首先在外板上沿车体纵向配置长尺寸的外板增设加强件,并将它们用激光焊接合,然后,对与外板加强件成垂直配置的骨架在其补强筋的头顶部位用激光焊接接合。这样一来,表现在外板面上的激光焊接就被统一在车体纵向,从而实现板厚组合和周边条件的统一。2.3　生产技术

为了进行良好的搭接激光焊接,必须确保搭接构件之间没有间隙,完全密贴。这时,如何准确地移动激光焊接头、保证构件密贴、确保持续有效的焊接是待解决的课题。

20世纪90年代后半期,YAG激光出现了向大

之所以采用口琴形断面型材,是因为它具有较高的挤压特性,能制成薄壁和尺寸精度高的中空型材、将轻量化发挥到终极。试制的口琴式空心型材的最小面板厚度是1.3mm±0.2,具有足够薄的水平。另外,桁架式断面的空心型材标准厚度是2mm±0.3。

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功率方向发展的趋势,由于能用柔软的光纤自激光

振荡器向焊接头传输激光了,所以采用多关节机器人实现精密的位置控制和较广范围的焊接

。

第3期

车体的不锈钢搭接焊技术和口琴式铝型材的FSJ技术

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3.2　接合技术

FSJ是使具有小凸起(销)的特殊工具,一边在

搭接构件上回转,一边进行插入,利用摩擦热加热材料,经过搅拌使之一体化后,再照原样退出工具的接合方法。由于热输入低,热变形受抑制。另外,由于接合过程简单,所以强度误差也小。

在单板上现已采用FSJ接合技术。但应用于空心型材,迄今还没有先例。正如图6那样,在口琴式型材的工字梁腹板上进行FSJ作业,通过基础试验,找到了最优工具形状和接合条件。3.3　接合强度

新干线车体采用FSJ接合时,必须确保静态接合强度和足够的疲劳强度。为此,如图7所示,从焊件上对FSJ焊缝取样,进行要素试验,建立了疲劳设计的基准。另外,采用模拟FSJ焊件的外板板件,实施气密疲劳试验,确认FSJ接头有足够的疲劳强度

。

3.4　在实际车辆上的应用

JR东日本公司的E955型新干线高速试验电动

车的车顶采用了口琴式结构(见图8)。其质量比双

壳结构减轻30%。结构上通过将减轻的质量改作隔音材料以及由于薄结构化带来的空气层用于吸音,提高了新车的隔音性能。4　结束语

从制作美观车体的观点来看,本文介绍了不锈钢和铝合金车体的制造新技术。这些技术突破了原有的概念,瞄准更高功能、更高附加值的目标进行结构改进。今后,我们仍将致力于进一步的研究开发。

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译自日本《川崎重工技报》2006,№1,50～53

蔡千华译　彭惠民校

收稿日期:2006-12-23

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9ogj.html