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鋁合金在高速鐵路上的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
摘要：鐵路運輸是我國主要的交通運輸方式，在國民經(jīng)濟中起著非常重要的作用。而鐵路車輛是鐵路運輸中直接載運旅客和貨物的工具，是鐵路中的一個主要環(huán)節(jié)，隨著社會的進步，運輸對車輛的要求越來越高。車體作為車輛的一個主要部件，其輕量化設(shè)計就成為一個關(guān)鍵的問題。高速列車的輕型化對于發(fā)展交通運輸、改善機車車輛運行平穩(wěn)性、降低能源消耗、減少輪軌磨耗都是至關(guān)重要的。當(dāng)今世界上，大多數(shù)發(fā)達(dá)國家采用鋁合金為材質(zhì)制造車體結(jié)構(gòu)，介紹目前國內(nèi)外鐵路運輸中鋁材的應(yīng)用優(yōu)勢及其主要障礙，通過使用鋁材來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵材料，可大大減輕自重以降低能耗、減少環(huán)境污染、提高經(jīng)濟性。并對鋁材的發(fā)展趨勢做了猜測。
關(guān)鍵詞鋁合金；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢
1引言
鐵路運輸工業(yè)正面臨越來越嚴(yán)重的三大課題：能源、環(huán)保、安全。減輕火車自重以降低能耗，減少環(huán)境污染，節(jié)約有限資源已成為火車運輸關(guān)注的焦點。輕量化是火車發(fā)展的一個重要趨勢，通過使用輕質(zhì)材料來替代傳統(tǒng)的鋼鐵材料，可以減輕火車的質(zhì)量，以達(dá)到節(jié)省燃料的目的。因此，越來越多的輕質(zhì)或高比強度的材料受關(guān)注，如板、鋁合金。本文就高速鐵路客車用鋁合金材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢做些討論。
2鋁合金的特點及其應(yīng)用優(yōu)勢
2.1鋁合金的特點
鋁的密度小，僅為2.7（屬輕金屬），約為鋼的1/3。由于鋁的表面易氧化形成致密而穩(wěn)定的氧化膜，所以耐蝕性好。鋁有較好的鑄造性，由于鋁的融化溫度低，流動性好，易于制造各種復(fù)雜外形的零件。鋁中加入一種或幾種元素后即構(gòu)成鋁合金，鋁合金相對于純鋁可以提高強度和硬度，除固溶強化外，有些鋁合金還可以熱處理強化，使有些鋁合金的抗拉強度可超過600MPa，與低碳鋼相比，比強度則勝過某些合金鋼。鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，如鋁—錳合金、鋁—銅合金、鋁—銅—鎂系硬鋁合金、鋁—鋅—鎂—銅系超硬鋁合金。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學(xué)性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號，以供使用者選用。
鋁合金仍然保持了質(zhì)輕的特點，但機械性能明顯提高。鋁合金材料的應(yīng)用有以下三個方面：一是作為受力構(gòu)件；二是作為門、窗、管、蓋、殼等材料；三是作為裝飾和絕熱材料。
利用鋁合金陽極氧化處理后可以進行著色的特點，制成各種裝飾品。鋁合金板材、型材表面可以進行防腐、軋花、涂裝、印刷等二次加工，制成各種裝飾板材、型材，作為裝飾材料。
成本低，而且使用一種加工工藝可以大量生產(chǎn)同樣的零部件，這也是他的特點之一。
它的材料特性是輕、容易加工、以及在可耐強度方面不象碳素纖維有一個最大受力范圍。這是什么意思呢？也就是說，碳素纖維因為有纖維的特性所以在一定的纖維方向上受力能力很強，但是在在別的方向上的受力就會很差。在制造一個比較大的零部件時可能會使用好幾層碳素纖維，在超過受力能力時該零部件就會象酥餅一樣變得一層一層的。而鋁合金在承受了一定的力量后，會慢慢變形再損壞。
還有就是鋁合金容易加工和具有高度的散熱性。特別是車輛引擎部分特別適合使用鋁合金材料。這里幾乎完全是鋁合金的一家天下。
此外，鋁合金的加工工藝多種多樣。通用性較強。
2.2鋁合金在高速鐵路運輸?shù)膬?yōu)點
（1）輕量化，節(jié)能降耗，有利環(huán)保。在強度剛性滿足安全要求的同時，使用鋁合金可大大減輕機車車輛的自重，一般來說鋁合金車輛比鋼質(zhì)車輛輕30%~50%，對于高速列車車輛的輕量化最有效的途徑就是盡可能多地提高車輛的運功鋁比例。
（2）具有優(yōu)良的耐火與耐電弧性。雖然鋁的熔點大大低于鋼的熔點，但車體的耐火耐電弧性不僅和材料的熔點相關(guān)，還與材料的導(dǎo)熱性相關(guān)。鋁合金材料與鋼鐵相比具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，其散熱性比剛要好。
�。�3）耐腐蝕性。鋁合金表面易形成一層致密的氧化膜，在大氣中具有很好的抗氧能力。因此鋁合金比鋼質(zhì)車體具有更好的耐腐蝕性，特別是車體不易涂覆的部位。同時鋁合金表面可以化學(xué)著色、上漆、噴涂，通過這些方法大大提高了鋁構(gòu)件的耐腐性。可使車體表面美觀，給人舒適的感覺。
（4）便于加工、制造、維修。隨著大型中空、復(fù)雜斷面鋁塑材的開發(fā)應(yīng)用，鋁材焊接技術(shù)的不斷進步，鋁合金車輛制造技術(shù)日趨成熟鋁合金件的易于更換，不需除銹，適用于各種表面處理，便于維護，還可以回收的特點，是制造工藝大大簡化，制造所需工作量也較鋼質(zhì)車體大大減少。
�。�5）價格適中。鋁材價格較高，使得車輛制造成本增加，但由于鋁合金使得車輛輕量化，車輛的輕量化帶來了運能的增加，耗能的減少，維修的費用降低。以車輛出廠10a的檢修工時對比為例，鋼車為100%，鋁車為52%。報廢車輛的回收價值，鋼車為100%，而鋁車為480%。從綜合經(jīng)濟效益來看，采用鋁合金車輛時經(jīng)濟合理的，最終成本是適中的。
3鋁合金在高速鐵路的應(yīng)用現(xiàn)狀
在全世界要求節(jié)能環(huán)保的呼聲日益高漲的大形勢下高速鐵路正向輕量化、低能耗方向發(fā)展。鋁及其合金作為輕量化的首選材料，具有其他材料無法比擬的優(yōu)良性能。在鐵道車輛上，鋁合金主要作為車體結(jié)構(gòu)，在鋁合金車體上型材約占總量的70%、板材約占27%，鑄鍛件約占3%左右。
3.1國內(nèi)的應(yīng)用情況
鋁合金車體具有重量輕,耐腐蝕,外觀平整度好和易于制造復(fù)雜美觀曲面車體的優(yōu)點,因而受到世界各城市交通公司和鐵道運輸部門的歡迎,世界各國逐漸停止制造碳鋼車體,轉(zhuǎn)向制造不銹鋼和鋁合金車體.不銹鋼車體密封性差,而且,只能應(yīng)用在城市軌道車輛和中等速度運行的鐵路車輛上,鋁合金車體不僅能應(yīng)用在城市軌道車輛上,而且在高速鐵路車輛制造上具有其它材料不可替代的功能,因此,鋁合金車體的發(fā)展比不銹鋼車體前景更好,目前投入運營的鋁合金城市軌道車輛和鐵道運輸車輛達(dá)到3萬多輛,發(fā)展中國家如韓國和中國也在大力發(fā)展鋁合金車體,并具備批量生產(chǎn)鋁合金車體的能力..由此可以看出,在世界范圍內(nèi),生產(chǎn)制造鋁合金車體是鐵路運輸事業(yè)和城市軌道車輛發(fā)展的必然趨勢.目前鋁合金車體制造技術(shù)在中國的發(fā)展歷程我國開發(fā)鋁合金車體的起步比較晚.19xx年,長春客車廠參照日本模式開發(fā)了首輛鋁合金地鐵車體,目前該車體仍然在北京運行.由于該車體在設(shè)計上采用板梁結(jié)構(gòu),制造工藝煩瑣,平整度差,成本高而沒有在市場上大規(guī)模推廣使用.1996年,鐵道部組織人力,物力開發(fā)了2型結(jié)構(gòu)鋁合金車體,采用德國進口材料,用簡易自動焊設(shè)備和自制窗口機加設(shè)備成功制造出了中國第一臺混合結(jié)構(gòu)鋁合金車體.該車體的制造成功,客觀上促進了國內(nèi)企業(yè)對車輛用鋁合金型材的技術(shù)開發(fā),經(jīng)過8年的鋁合金大型型材的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)研究,目前在關(guān)鍵材料配套上已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化,為鋁合金車體降低成本和市場化提供了前期條件.長春客車廠于20xx年建成國內(nèi)第一條鋁合金車體自動化焊接生產(chǎn)線,并利用國產(chǎn)材料,開發(fā)制造了國內(nèi)第一輛磁懸浮列車, ,武漢地鐵,廣州2號線地鐵車體,深圳地鐵和上海地鐵車體.南京蒲鎮(zhèn)車輛廠,株洲電力車輛廠和唐山車輛廠等也相繼建立生產(chǎn)線,開始生產(chǎn)鋁合金車體.鐵道部為實現(xiàn)鐵路的跨越式發(fā)展,引進國外先進技術(shù),準(zhǔn)備在中國運營高速鐵路.如果該項目投入運營,將有1000多輛的高速車體需求,這一巨大的市場,必將推動中國鋁合金車體制造技術(shù)的發(fā)展。鋁合金車體制造的關(guān)鍵技術(shù)鋁合金車體完全不同于碳鋼車體的制造. 4鋁合金應(yīng)用的主要障礙
初期國內(nèi)的鋁合金車體,只是模仿國外的結(jié)構(gòu)和工藝,但在具體的生產(chǎn)過程中,工程技術(shù)人員逐漸意識到鋁合金車體制造是一個綜合的復(fù)雜技術(shù),單純追求設(shè)計技術(shù)和工藝技術(shù)都不能獲得很好的效果,例如,在結(jié)構(gòu)中某個成形槽深度尺寸過大,過小,橫向尺寸過寬,過窄均有可能對結(jié)構(gòu)造成致命的質(zhì)量隱患,而這些問題,又不能象碳鋼車體那樣,可以處理解決.因此,研究鋁合金車體綜合技術(shù)是制造鋁合金車體的關(guān)鍵,關(guān)鍵技術(shù)有車體設(shè)計技術(shù),自動焊接技術(shù),焊接變形控制技術(shù),焊接變形校形技術(shù),厚鋁板彎曲成形技術(shù),大斷面型材彎曲成形技術(shù),部件分體裝配技術(shù),質(zhì)量保證和檢測技術(shù)等.
4.1鋁合金車體設(shè)計技術(shù)
4.1型材設(shè)計技術(shù)：型材的設(shè)計是鋁合金車體設(shè)計中很重要的部分.型材的插口形式,寬度公差,各部分的壁厚偏差和肋板位置,厚薄直接關(guān)系到焊接的熔透性和部件裝配后的尺寸公差和焊接剛度.如果插口槽尺寸公差不對,大型材插接后又很難調(diào)整間隙,直接后果是無論如何優(yōu)化焊接參數(shù),仍然不能保證焊接質(zhì)量.型材寬度公差不對,型材焊接后會導(dǎo)致整個部件變窄或變小,而這些問題產(chǎn)生后,很難有辦法解決;型材模具決定了材料的不可逆性,因此設(shè)計型材要考慮車體焊接,部件剛度和整體尺寸公差.
4.2部件設(shè)計技術(shù)：鋁合金車體部件的設(shè)計,要充分考慮等強度設(shè)計原則,不宜采用補強方案，由于鋁合金焊接比鋼焊接難度大得多,任何不合理位置的補焊均對質(zhì)量產(chǎn)生致命隱患,因此設(shè)計要充分考慮焊接技術(shù),尺寸公差綜合控制,部件分體裝配的可行性,各大部件接口的合理性等問題。
4.3鋁合金車體自動焊接技術(shù)鋁合金良好的焊接質(zhì)量需要投入更大的資金進行人員培訓(xùn)，為降低人員成本,鋁合金焊接適合采用自動化焊接。鋁合金車體焊接通常分為車體大部件自動焊和總成自動焊,大部件自動焊一般指車頂板,地板,邊梁,底架,車頂及側(cè)墻自動焊;總成自動焊一般指側(cè)墻和車頂,側(cè)墻和底架連接縫自動焊，小部件焊接中,枕梁等關(guān)鍵部件也經(jīng)常使用機械手進行焊接。鋁合金車體制造中投入大型關(guān)鍵焊接設(shè)備,是制造鋁合金車體的必備條件。
4.4鋁合金車體制造過程中的焊接變形控制技術(shù)鋁合金焊接過程中,在自由狀態(tài)下將產(chǎn)生比鋼大2倍的焊接變形,而過大的焊接變形,很難有合適的調(diào)修手段可以解決.因此,鋁合金車體制造過程中,必須嚴(yán)格控制焊接變形.焊接變形的控制,一般采用大部件整體反變形技術(shù),壓鐵防變形技術(shù),真空吸盤固定防變形和大剛度卡具防變形等.在國內(nèi),目前基本上采用以上方法進行綜合防變形.
4.5鋁合金車體制造過程中的變形調(diào)修技術(shù)最好的工藝措施,只能保證焊接變形量為最小,但不可能完全消除焊接變形.部件焊接后,需要進行一次綜合的變形調(diào)修,變形調(diào)修一般采用火焰調(diào)修加壓鐵配重和機械加壓的方法,變形調(diào)修溫度需要控制在200以下. 4.1.6厚鋁合金板和空心型材彎曲成形技術(shù)鋁合金板材由于材料延伸性能差,表面硬度低,彎曲成形比鋼困難,因此壓制厚鋁板需要特殊的模具,模具一般采用橡膠和鋼座粘合結(jié)構(gòu).空心鋁型材
鋁材應(yīng)用在高速鐵路上會碰到許多技術(shù)上的難題，加工難度比鋼材大很多。例如車身大部分的工件是靠沖壓成形，假如用沖壓鋼板的方法上去沖壓鋁板，會出現(xiàn)裂縫和褶皺；典型的淺沖鋁合金車身板的沖壓性能與鋼板基本相同。但是，由于鋁合金深沖壓性能較差，為防止斷裂，應(yīng)盡量減少集中拉伸，深拉時要進行良好的潤滑并采用異形坯料，以促使金屬順利流進模具。鋁合金的沖壓成形模具與鋼的幾乎可以通用，但在必要時可將工具外形稍加修改以提供不同的反彈特性。對于某些非凡的鋁合金可實施局部或分步作業(yè)，例如彎曲、下翻邊、折邊和空翻邊等。
車身大部分的工件都是用焊接組裝，而鋁的焊接要比鋼材難度大得多；鋁合金和鋼的連接特性主要有兩點區(qū)別：一是鋁合金的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率是鋼的3倍；二是鋁點焊焊縫的強度是鋼焊縫的1/2。由于焊接鋁合金所需電流密度是鋼的3倍左右，所以二者的焊接設(shè)備也不完全相同。鋁合金的連續(xù)焊接必須按順序進行，但由于其焊接周期時間短，所以總的焊接時間與鋼的相當(dāng)。對于大型的強度和質(zhì)量要求較高的鋁合金部件之間的連接，應(yīng)用的鋁合金汽車板對質(zhì)量要求比較高，外觀要求表面光滑。為了使零件在服役過程中不受惡劣環(huán)境的破壞，還要對零件進行電泳和噴涂，這就要求鋁合金汽車板有較好的涂裝附著力。涂裝前對鋁合金前艙蓋的表面進行更細(xì)致的手工打磨。涂裝工藝基本不需要變化。鋁合金前艙蓋完全可以和碳鋼白車身整體進行電泳涂裝，但是這樣時間長了以后就會在電泳液里積存下大量的Al離子。只需要在電泳液里定期的添加氟化鈉和氟化鉀的混合物，形成富氯酸鈉鉀的沉淀物后移出磷化槽之外就可以吧Al離子除掉。
5結(jié)論
高速鐵路中，火車的輕量化與高強度對于高速列車節(jié)能降耗、提高安全系數(shù)具有顯著作用，鋁合金因為具有良好的成型性能和較好的強度、耐腐蝕性且成本低等優(yōu)點，被越來越多地應(yīng)用到高速鐵路中。因此，實現(xiàn)輕量化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)技術(shù)進步的一個重要環(huán)節(jié)。預(yù)計在未來，國內(nèi)外高速鐵路對鋁材的需求量會大大增加。
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