轨道列车碳钢焊接技术进展研究

轨道列车碳钢焊接技术进展研究

张鹏程 ,李欢, ,张志丹

中车大连机车车辆有限公司

摘要:轨道列车是国家的基础设施、经济动脉，大众的出行工具。为了更好地推进高速列车的快速发展，对碳钢材料性能的提高，焊接工艺的改善，一直是研究的重点，其中碳钢材料和焊接技术是影响轨道列车制造的核心因素。对新型碳钢材料、配套的焊接工艺的探索和研究，是轨道列车行业发展的必然趋势。

关键词:轨道列车；碳钢；焊接技术

近年来，随着社会的进步，生产技术的革新，轨道列车制造业发展迅速，列车运行的安全性和轻量化，对制造材料有了更高的要求。碳钢材料的焊接性和可成形性良好，价格较低，维修方便，在轨道列车制造业中得到了广泛的应用。

一、轨道碳钢列车焊接材料、焊接技术的研究进展

（一）焊接材料

对于轨道列车低合金钢、耐候钢焊接运用的焊丝材料，已有了一定的研究基础。郭希烈等人，将09MnCuPTi与日本SAP钢进行对比，并研制了焊条和焊丝，经验证，设计的耐候钢焊条、焊丝，均符合轨道车辆的制造要求，有着良好的性能。史维义等人，深入研究了Q345的4种耐候钢焊接用焊条，J502WCu、J506WCu有着稳定的电弧，易再起弧，自动脱落焊渣，没有咬边，焊缝美观等优点。李德明试验了Q460高强钢实心焊丝工艺，与3家品牌的ER50-G焊丝进行分析对比，指出ER50-G焊丝均符合Q460材料焊接性的要求。与高强钢、低碳钢、低温钢所用的新焊丝标准进行对照，发现Q460E高强钢焊接最适合的焊丝是ER55-G。杜宝帅等人，对Q460钢用ER55-G焊丝进行气体保护焊，并对接头性能、组织进行研究。当前轨道碳钢列车，主要用的是E4303、ER50-6、ER55-G等焊接材料。从熔敷金属情况看，合金元素、保护气体成分，影响着接头的组织和性能。金燕研究了耐候钢用ER50-6焊丝熔敷金属，不同保护气体对其性能的影响，发现对熔敷金属的抗拉、屈服强度等影响很小，但能够使接头的低温冲击热性显著提高。在焊丝中，经常将Ti、Nb等作为微合金元素进行添加，如耐候钢用ER50-G，在金属熔敷当中，可以发挥出细晶强化作用，从而能够对熔敷金属力学性能进行改善。在20世纪末，我国耐候钢得到了迅速的发展，使得研发及制造碳钢焊材的企业蓬勃发展。当前有上百家保护气体实心焊丝企业，已从发达国家引进了50余套各种生产设备，国内自行研制的生产线也达到了百余条。国产的轨道碳钢车辆，ER50-6、ER55-G等焊丝，主要厂家有大西洋、天津金桥等，而进口G0焊丝，主要厂商有德国博乐等。从碳钢列车来看，因涉及较多的焊缝位置，有着多样的接头形式，接头位置结构复杂，焊接中易发生不稳定。多道焊时，会发生气孔、夹杂等问题，会有咬边等问题出现在角焊缝、塞焊等位置处，需二次补焊，却会引起焊后发生变形的问题。另外，我国有着很大的地域跨度，少数地区环境较为恶劣，如青藏线，对铁路的安全运行有着更加苛刻的要求，轨道列车材料与焊材不仅需要较强的耐腐蚀性和疲劳性，还需要低温冲击韧性较好。在恶劣环境下，为了满足轨道列车的安全运行要求，设计出了Q345E高强低合金钢材料。更替母材的同时，也改变了焊接材料，李玉生研究了高强钢Q345E焊接材料，将ER50-6焊丝与韩国SM-70焊丝进行了对比，结果韩国的焊接接头的低温冲击韧性更优。随着我国轨道列车事业向着国际化发展，新研发的轨道列车，会面临更大的温差变化，轨道列车材料及焊材需要进一步提升，研制更高性能的产品，来满足严酷自然条件的要求。

（二）焊接技术

在轨道列车制造中，熔化焊是主要的焊接方法，而气体保护焊是其主要的分支，在工业生产中有着重要的地位，其应用程度和范围，代表着国家焊接技术的水平。因碳钢材料的特点，在对熔化焊方法选择的过程中，优先选择GMAW，能够保障焊接中电弧更稳定。在发展轨道列车的初期，对耐候钢Q345产品，主要运用的是J506WCu、J502WCu等焊条。在焊接设备不断升级下，自动焊接逐渐应用于轨道列车行业中，当前MAG焊应用广泛。在焊接薄板时，出现的短路过渡，不但能够平焊、立焊，还能全位置进行焊接。轨道列车碳钢材料焊接技术，一直以来主要研究的是MAG焊，板材焊后会有一定的热变形，尤其是在薄板焊接中，对轨道列车的平整度有明显的影响，在高速轨道列车中限制了碳钢材料的应用。近年来，对于这一问题，国内外学者尝试运用较低热输入量的方法，比如，电阻点焊、激光焊接。李贵中等人，研究了电阻点焊碳素钢Q235，对熔核的大小、形态进行了深入分析。郭丽娟等人，研究了碳钢材料T型接头激光填丝焊，观察与性能测试了Q310、Q345耐候钢的T型激光焊接头。

二、轨道列车碳钢材料焊接技术的发展前景

（一）研制新材料

在高速列车行业中，轻量化发展已成为主旋律。当前的低合金钢、耐候钢不能确保构件刚性、强度的情况下，来对板材厚度进行减小，减轻列车的重量。在汽车行业，成功开发和应用的轻量化汽车，给轻量化高速列车的发展提供了新思路，但在焊接中高强钢暴露的问题，使其很难广泛用于高速列车中。所以，需要依据其特殊要求，对新的碳钢材料进行研制，从而碳钢型材有着更高的强度和刚性，这样才能全面推动高速列车的发展。

（二）引入数字模拟技术

在实际过程中，列车的高速运行难以模拟和复制，这给材料的初期研制与技术开发带来了困难，近年来现代信息技术的发展，使数字模拟技术得到了快速的发展，模拟结果更加的可靠。通过数字模拟技术，能够在不同运行状况下，再现材料和焊接工件的工作情况，可对研制材料和开发焊接技术起到有效的指导作用。

（三）开发新焊接技术

对于高速列车来说，为了确保其运行的安全性和稳定性，需严格要求车体表面的平整度和接头质量，运用小热输入焊接法，能改善因热变形造成的平整度问题，同时会缩小焊接热影响区范围，对接头组织进行改善，提高接头质量。加强对激光技术的应用，能革新高速列车的制造技术。

结束语：

轨道列车碳钢材料已发展到第四代，从开始的低合金钢、到耐候钢，再到碳钢材料高强钢，越来越成熟，其焊接技术也得到了主机厂的广泛应用，其产品的发展，愈加标准化、参数化和系列化。但碳钢产品主要用于时速160km的轨道列车中，且仅用在高速动车组转向架中。在轨道列车行业中，碳钢因价格较低、维修方便等优势，使其占有重要地位，但随着高速列车向着高可靠性、轻量化方向发展，给碳钢材料带来了巨大的挑战。突破焊接材料与技术，能够使高速列车制造技术，在碳钢材料的引领下，更快、更好地发展。

参考文献：

•[1]刘超. Q345NQR2耐候钢薄板激光焊接接头拉伸与疲劳性能研究[D].吉林大学,2020.

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•[2]凌攀,黄洋.碳钢材料在HXD1C中的应用研究[J].技术与市场,2020,27(01):34-35.