鋁合金在高速鐵路上的應用現狀及發展趨勢

　　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節，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，其輕量化設計就成為一個關鍵的問題。高速列車的輕型化對于發展交通運輸、改善機車車輛運行平穩性、降低能源消耗、減少輪軌磨耗都是至關重要的。當今世界上，大多數發達國家采用鋁合金為材質制造車體結構，介紹目前國內外鐵路運輸中鋁材的應用優勢及其主要障礙，通過使用鋁材來代替傳統的鋼鐵材料，可大大減輕自重以降低能耗、減少環境污染、提高經濟性。并對鋁材的發展趨勢做了猜測。

　　關鍵詞鋁合金；現狀；發展趨勢

　　1引言

　　鐵路運輸工業正面臨越來越嚴重的三大課題：能源、環保、安全。減輕火車自重以降低能耗，減少環境污染，節約有限資源已成為火車運輸關注的焦點。輕量化是火車發展的一個重要趨勢，通過使用輕質材料來替代傳統的鋼鐵材料，可以減輕火車的質量，以達到節省燃料的目的。因此，越來越多的輕質或高比強度的材料受關注，如板、鋁合金。本文就高速鐵路客車用鋁合金材料的現狀及發展趨勢做些討論。

　　2鋁合金的特點及其應用優勢

　　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，易于制造各種復雜外形的零件。鋁中加入一種或幾種元素后即構成鋁合金，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輕的特點，但機械性能明顯提高。鋁合金材料的應用有以下三個方面：一是作為受力構件；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的優點

　�。�1）輕量化，節能降耗，有利環保。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，還與材料的導熱性相關。鋁合金材料與鋼鐵相比具有優良的導熱性，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著色、上漆、噴涂，通過這些方法大大提高了鋁構件的耐腐性�？墒管圀w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、復雜斷面鋁塑材的開發應用，鋁材焊接技術的不斷進步，鋁合金車輛制造技術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%。從綜合經濟效益來看，采用鋁合金車輛時經濟合理的，最終成本是適中的。

　　3鋁合金在高速鐵路的應用現狀

　　在全世界要求節能環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良性能。在鐵道車輛上，鋁合金主要作為車體結構，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國內的應用情況

　　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雜美觀曲面車體的優點,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到3萬多輛,發展中國家如韓國和中國也在大力發展鋁合金車體,并具備批量生產鋁合金車體的能力..由此可以看出,在世界范圍內,生產制造鋁合金車體是鐵路運輸事業和城市軌道車輛發展的必然趨勢.目前鋁合金車體制造技術在中國的發展歷程我國開發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.由于該車體在設計上采用板梁結構,制造工藝煩瑣,平整度差,成本高而沒有在市場上大規模推廣使用.1996年,鐵道部組織人力,物力開發了2型結構鋁合金車體,采用德國進口材料,用簡易自動焊設備和自制窗口機加設備成功制造出了中國第一臺混合結構鋁合金車體.該車體的制造成功,客觀上促進了國內企業對車輛用鋁合金型材的技術開發,經過8年的鋁合金大型型材的基礎產業研究,目前在關鍵材料配套上已經實現國產化,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年建成國內第一條鋁合金車體自動化焊接生產線,并利用國產材料,開發制造了國內第一輛磁懸浮列車, ,武漢地鐵,廣州2號線地鐵車體,深圳地鐵和上海地鐵車體.南京蒲鎮車輛廠,株洲電力車輛廠和唐山車輛廠等也相繼建立生產線,開始生產鋁合金車體.鐵道部為實現鐵路的跨越式發展,引進國外先進技術,準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的發展。鋁合金車體制造的關鍵技術鋁合金車體完全不同于碳鋼車體的制造. 4鋁合金應用的主要障礙

　　初期國內的鋁合金車體,只是模仿國外的結構和工藝,但在具體的生產過程中,工程技術人員逐漸意識到鋁合金車體制造是一個綜合的復雜技術,單純追求設計技術和工藝技術都不能獲得很好的效果,例如,在結構中某個成形槽深度尺寸過大,過小,橫向尺寸過寬,過窄均有可能對結構造成致命的質量隱患,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是制造鋁合金車體的關鍵,關鍵技術有車體設計技術,自動焊接技術,焊接變形控制技術,焊接變形校形技術,厚鋁板彎曲成形技術,大斷面型材彎曲成形技術,部件分體裝配技術,質量保證和檢測技術等.

　　4.1鋁合金車體設計技術

　　4.1型材設計技術：型材的設計是鋁合金車體設計中很重要的部分.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整間隙,直接后果是無論如何優化焊接參數,仍然不能保證焊接質量.型材寬度公差不對,型材焊接后會導致整個部件變窄或變小,而這些問題產生后,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部件設計技術：鋁合金車體部件的設計,要充分考慮等強度設計原則,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量產生致命隱患,因此設計要充分考慮焊接技術,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鋁合金良好的焊接質量需要投入更大的資金進行人員培訓，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,車頂及側墻自動焊;總成自動焊一般指側墻和車頂,側墻和底架連接縫自動焊，小部件焊接中,枕梁等關鍵部件也經常使用機械手進行焊接。鋁合金車體制造中投入大型關鍵焊接設備,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鋁合金焊接過程中,在自由狀態下將產生比鋼大2倍的焊接變形,而過大的焊接變形,很難有合適的調修手段可以解決.因此,鋁合金車體制造過程中,必須嚴格控制焊接變形.焊接變形的控制,一般采用大部件整體反變形技術,壓鐵防變形技術,真空吸盤固定防變形和大剛度卡具防變形等.在國內,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修技術最好的工藝措施,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修,變形調修一般采用火焰調修加壓鐵配重和機械加壓的方法,變形調修溫度需要控制在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構.空心鋁型材

　　鋁材應用在高速鐵路上會碰到許多技術上的難題，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，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別：一是鋁合金的熱導率和電導率是鋼的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，所以二者的焊接設備也不完全相同。鋁合金的連續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。對于大型的強度和質量要求較高的鋁合金部件之間的連接，應用的鋁合金汽車板對質量要求比較高，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結論

　　高速鐵路中，火車的輕量化與高強度對于高速列車節能降耗、提高安全系數具有顯著作用，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點，被越來越多地應用到高速鐵路中。因此，實現輕量化，已經成為當今制造業技術進步的一個重要環節。預計在未來，國內外高速鐵路對鋁材的需求量會大大增加。

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