铝合金在高速铁路上的应用现状及发展趋势

铝合金在高速铁路上的应用现状及发展趋势摘要：铁路运输是我国主要的交通运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用。而铁路车辆是铁路运输中直接载运旅客和货物的工具，是铁路中的一个主要环节，随着社会的进步，运输对车辆的要求越来越高。车体作为车辆的一个主要部件，其轻量化设计就成为一个关键的问题。高速列车的轻型化对于发展交通运输、改善机车车辆运行平稳性、降低能源消耗、减少轮轨磨耗都是至关重要的。当今世界上，大多数发达国家采用铝合金为材质制造车体结构，介绍目前国内外铁路运输中铝材的应用优势及其主要障碍，通过使用铝材来代替传统的钢铁材料，可大大减轻自重以降低能耗、减少环境污染、提高经济性。并对铝材的发展趋势做了猜测。关键词铝合金；现状；发展趋势1引言铁路运输工业正面临越来越严重的三大课题：能源、环保、安全。减轻火车自重以降低能耗，减少环境污染，节约有限资源已成为火车运输关注的焦点。轻量化是火车发展的一个重要趋势，通过使用轻质材料来替代传统的钢铁材料，可以减轻火车的质量，以达到节省燃料的目的。因此，越来越多的轻质或高比强度的材料受关注，如板、铝合金。本文就高速铁路客车用铝合金材料的现状及发展趋势做些讨论。2铝合金的特点及其应用优势2.1铝合金的特点铝的密度小，仅为2.7（属轻金属），约为钢的1/3。由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜，所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性，由于铝的融化温度低，流动性好，易于制造各种复杂外形的零件。铝中加入一种或几种元素后即构成铝合金，铝合金相对于纯铝可以提高强度和硬度，除固溶强化外，有些铝合金还可以热处理强化，使有些铝合金的抗拉强度可超过600MPa，与低碳钢相比，比强度则胜过某些合金钢。铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。铝合金仍然保持了质轻的特点，但机械性能明显提高。铝合金材料的应用有以下三个方面：一是作为受力构件；二是作为门、窗、管、盖、壳等材料；三是作为装饰和绝热材料。利用铝合金阳极氧化处理后可以进行着色的特点，制成各种装饰品。铝合金板材、型材表面可以进行防腐、轧花、涂装、印刷等二次加工，制成各种装饰板材、型材，作为装饰材料。成本低，而且使用一种加工工艺可以大量生产同样的零部件，这也是他的特点之一。它的材料特性是轻、容易加工、以及在可耐强度方面不象碳素纤维有一个最大受力范围。这是什么意思呢？也就是说，碳素纤维因为有纤维的特性所以在一定的纤维方向上受力能力很强，但是在在别的方向上的受力就会很差。在制造一个比较大的零部件时可能会使用好几层碳素纤维，在超过受力能力时该零部件就会象酥饼一样变得一层一层的。而铝合金在承受了一定的力量后，会慢慢变形再损坏。还有就是铝合金容易加工和具有高度的散热性。特别是车辆引擎部分特别适合使用铝合金材料。这里几乎完全是铝合金的一家天下。此外，铝合金的加工工艺多种多样。通用性较强。2.2铝合金在高速铁路运输的优点（1）轻量化，节能降耗，有利环保。在强度刚性满足安全要求的同时，使用铝合金可大大减轻机车车辆的自重，一般来说铝合金车辆比钢质车辆轻30%~50%，对于高速列车车辆的轻量化最有效的途径就是尽可能多地提高车辆的运功铝比例。（2）具有优良的耐火与耐电弧性。虽然铝的熔点大大低于钢的熔点，但车体的耐火耐电弧性不仅和材料的熔点相关，还与材料的导热性相关。铝合金材料与钢铁相比具有优良的导热性，其散热性比刚要好。（3）耐腐蚀性。铝合金表面易形成一层致密的氧化膜，在大气中具有很好的抗氧能力。因此铝合金比钢质车体具有更好的耐腐蚀性，特别是车体不易涂覆的部位。同时铝合金表面可以化学着色、上漆、喷涂，通过这些方法大大提高了铝构件的耐腐性。可使车体表面美观，给人舒适的感觉。（4）便于加工、制造、维修。随着大型中空、复杂断面铝塑材的开发应用，铝材焊接技术的不断进步，铝合金车辆制造技术日趋成熟铝合金件的易于更换，不需除锈，适用于各种表面处理，便于维护，还可以回收的特点，是制造工艺大大简化，制造所需工作量也较钢质车体大大减少。（5）价格适中。铝材价格较高，使得车辆制造成本增加，但由于铝合金使得车辆轻量化，车辆的轻量化带来了运能的增加，耗能的减少，维修的费用降低。以车辆出厂10a的检修工时对比为例，钢车为100%，铝车为52%。报废车辆的回收价值，钢车为100%，而铝车为480%。从综合经济效益来看，采用铝合金车辆时经济合理的，最终成本是适中的。3铝合金在高速铁路的应用现状在全世界要求节能环保的呼声日益高涨的大形势下高速铁路正向轻量化、低能耗方向发展。铝及其合金作为轻量化的首选材料，具有其他材料无法比拟的优良性能。在铁道车辆上，铝合金主要作为车体结构，在铝合金车体上型材约占总量的70%、板材约占27%，铸锻件约占3%左右。3.1国内的应用情况铝合金车体具有重量轻,耐腐蚀,外观平整度好和易于制造复杂美观曲面车体的优点,因而受到世界各城市交通公司和铁道运输部门的欢迎,世界各国逐渐停止制造碳钢车体,转向制造不锈钢和铝合金车体.不锈钢车体密封性差,而且,只能应用在城市轨道车辆和中等速度运行的铁路车辆上,铝合金车体不仅能应用在城市轨道车辆上,而且在高速铁路车辆制造上具有其它材料不可替代的功能,因此,铝合金车体的发展比不锈钢车体前景更好,目前投入运营的铝合金城市轨道车辆和铁道运输车辆达到3万多辆,发展中国家如韩国和中国也在大力发展铝合金车体,并具备批量生产铝合金车体的能力..由此可以看出,在世界范围内,生产制造铝合金车体是铁路运输事业和城市轨道车辆发展的必然趋势.目前铝合金车体制造技术在中国的发展历程我国开发铝合金车体的起步比较晚.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,目前该车体仍然在北京运行.由于该车体在设计上采用板梁结构,制造工艺烦琐,平整度差,成本高而没有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2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,经过8年的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经实现国产化,为铝合金车体降低成本和市场化提供了前期条件.长春客车厂于2001年建成国内第一条铝合金车体自动化焊接生产线,并利用国产材料,开发制造了国内第一辆磁悬浮列车,,武汉地铁,广州2号线地铁车体,深圳地铁和上海地铁车体.南京蒲镇车辆厂,株洲电力车辆厂和唐山车辆厂等也相继建立生产线,开始生产铝合金车体.铁道部为实现铁路的跨越式发展,引进国外先进技术,准备在中国运营高速铁路.如果该项目投入运营,将有1000多辆的高速车体需求,这一巨大的市场,必将推动中国铝合金车体制造技术的发展。铝合金车体制造的关键技术铝合金车体完全不同于碳钢车体的制造.4铝合金应用的主要障碍初期国内的铝合金车体,只是模仿国外的结构和工艺,但在具体的生产过程中,工程技术人员逐渐意识到铝合金车体制造是一个综合的复杂技术,单纯追求设计技术和工艺技术都不能获得很好的效果,例如,在结构中某个成形槽深度尺寸过大,过小,横向尺寸过宽,过窄均有可能对结构造成致命的质量隐患,而这些问题,又不能象碳钢车体那样,可以处理解决.因此,研究铝合金车体综合技术是制造铝合金车体的关键,关键技术有车体设计技术,自动焊接技术,焊接变形控制技术,焊接变形校形技术,厚铝板弯曲成形技术,大断面型材弯曲成形技术,部件分体装配技术,质量保证和检测技术等.4.1铝合金车体设计技术4.1.1型材设计技术：型材的设计是铝合金车体设计中很重要的部分.型材的插口形式,宽度公差,各部分的壁厚偏差和肋板位置,厚薄直接关系到焊接的熔透性和部件装配后的尺寸公差和焊接刚度.如果插口槽尺寸公差不对,大型材插接后又很难调整间隙,直接后果是无论如何优化焊接参数,仍然不能保证焊接质量.型材宽度公差不对,型材焊接后会导致整个部件变窄或变小,而这些问题产生后,很难有办法解决;型材模具决定了材料的不可逆性,因此设计型材要考虑车体焊接,部件刚度和整体尺寸公差.4.1.2部件设计技术：铝合金车体部件的设计,要充分考虑等强度设计原则,不宜采用补强方案.由于铝合金焊接比钢焊接难度大得多,任何不合理位置的补焊均对质量产生致命隐患,因此设计要充分考虑焊接技术,尺寸公差综合控制,部件分体装配的可行性,各大部件接口的合理性等问题.4.1.3铝合金车体自动焊接技术铝合金良好的焊接质量需要投入更大的资金进行人员培训,为降低人员成本,铝合金焊接适合采用自动化焊接.铝合金车体焊接通常分为车体大部件自动焊和总成自动焊,大部件自动焊一般指车顶板,地板,边梁,底架,车顶及侧墙自动焊;总成自动焊一般指侧墙和车顶,侧墙和底架连接缝自动焊.小部件焊接中,枕梁等关键部件也经常使用机械手进行焊接.铝合金车体制造中投入大型关键焊接设备,是制造铝合金车体的必备条件4.1.4铝合金车体制造过程中的焊接变形控制技术铝合金焊接过程中,在自由状态下将产生比钢大2倍的焊接变形,而过大的焊接变形,很难有合适的调修手段可以解决.因此,铝合金车体制造过程中,必须严格控制焊接变形.焊接变形的控制,一般采用大部件整体反变形技术,压铁防变形技术,真空吸盘固定防变形和大刚度卡具防变形等.在国内,目前基本上采用以上方法进行综合防变形.4.1.5铝合金车体制造过程中的变形调修技术最好的工艺措施,只能保证焊接变形量为最小,但不可能完全消除焊接变形.部件焊接后,需要进行一次综合的变形调修,变形调修一般采用火焰调修加压铁配重和机械加压的方法,变形调修温度需要控制在200以下.4.1.6厚铝合金板和空心型材弯曲成形技术铝合金板材由于材料延伸性能差,表面硬度低,弯曲成形比钢困难,因此压制厚铝板需要特殊的模具,模具一般采用橡胶和钢座粘合结构.空心铝型材铝材应用在高速铁路上会碰到许多技术上的难题，加工难度比钢材大很多。例如车身大部分的工件是靠冲压成形，假如用冲压钢板的方法上去冲压铝板，会出现裂缝和褶皱；典型的浅冲铝合金车身板的冲压性能与钢板基本相同。但是，由于铝合金深冲压性能较差，为防止断裂，应尽量减少集中拉伸，深拉时要进行良好的润滑并采用异形坯料，以促使金属顺利流进模具。铝合金的冲压成形模具与钢的几乎可以通用，但在必要时可将工具外形稍加修改以提供不同的反弹特性。对于某些非凡的铝合金可实施局部或分步作业，例如弯曲、下翻边、折边和空翻边等。车身大部分的工件都是用焊接组装，而铝的焊接要比钢材难度大得多；铝合金和钢的连接特性主要有两点区别：一是铝合金的热导率和电导率是钢的3倍；二是铝点焊焊缝的强度是钢焊缝的1/2。由于焊接铝合金所需电流密度是钢的3倍左右，所以二者的焊接设备也不完全相同。铝合金的连续焊接必须按顺序进行，但由于其焊接周期时间短，所以总的焊接时间与钢的相当。对于大型的强度和质量要求较高的铝合金部件之间的连接，应用的铝合金汽车板对质量要求比较高，外观要求表面光滑。为了使零件在服役过程中不受恶劣环境的破坏，还要对零件进行电泳和喷涂，这就要求铝合金汽车板有较好的涂装附着力。涂装前对铝合金前舱盖的表面进行更细致的手工打磨。涂装工艺基本不需要变化。铝合金前舱盖完全可以和碳钢白车身整体进行电泳涂装，但是这样时间长了以后就会在电泳液里积存下大量的Al离子。只需要在电泳液里定期的添加氟化钠和氟化钾的混合物，形成富氯酸钠钾的沉淀物后移出磷化槽之外就可以吧Al离子除掉。5结论高速铁路中，火车的轻量化与高强度对于高速列车节能降耗、提高安全系数具有显著作用，铝合金因为具有良好的成型性能和较好的强度、耐腐蚀性且成本低等优点，被越来越多地应用到高速铁路中。因此，实现轻量化，已经成为当今制造业技术进步的一个重要环节。预计在未来，国内外高速铁路对铝材的需求量会大大增加。