20世纪中国铁路货车结构演变：从铆接钢木混合到全钢焊接的现代化进程

20世纪中国铁路货车结构演变：从铆接钢木混合到全钢焊接的现代化进程

20世纪50年代，我国铁路货车主要采用铆接钢制底盘和钢架木板车体结构，采用热铆接技术。 20世纪60年代末，开始生产全钢结构卡车。焊接结构逐渐取代铆接结构。卡车从钢木混合结构转向全钢结构。采用剪切、氧乙炔手工切割、焊条电弧焊等下料方法。这一阶段主要以手工作坊式生产为主。

20世纪70年代后期，开始使用少量气体保护焊机和埋弧焊机，为半自动化生产方式的实施奠定了基础。 20世纪80年代以来，随着我国现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展，为适应铁路货车批量生产的要求，冲压工艺已实现机械化、模压化。与此同时，各货车制造企业也陆续从国外引进型钢。和板材预处理生产线，提高了零件的表面质量，改善了工作环境。这一阶段，流水生产作业开始形成。

20世纪90年代末，随着铁路货车的多元化、市场化，小批量、多品种、高品质成为生产主流。专用设备和模具逐渐被通用设备和数控柔性设备取代。各企业相继引进数控等离子切割。机、数控折弯机、数控转塔冲床、数控剪板中心等先进下料设备采用焊接操作机和专用焊接机，推进自动化焊接。同时，柔性装配夹具、加工组合单元等技术开始在生产中应用。模块化、柔性制造模式逐步形成。

十年来，根据铁路货车的发展趋势和国际国内市场的需求，铁路货车的制造技术、效率和质量不断提高。自动化焊接得到广泛推广。焊接小车、专用焊机、焊接操作机得到广泛应用；柔性装配治具、柔性装配生产线持续创新；铁路货车制造技术发展迅速，先后为国内外客户制造了敞车、平车、罐车、漏斗车、大型专用卡车等。

1.材料的应用与开发

20世纪50年代至70年代，车用钢采用Q235普通碳素结构钢，采用以J422为代表的结构钢焊条进行焊接。 20世纪80年代后期，屈服强度为50%的Cu-P合金耐候钢和屈服强度为50%的Cu-P-Cr-Ni合金耐候钢开始推广使用。焊接采用耐候钢焊条。同时开始使用II级耐候钢。钢丝焊接。

进入21世纪后，不同于Cu-P-Cr-Ni高耐候钢成分体系，屈服强度等级为,,,高强度高耐候钢系列问世，采用,,,系列焊条进行焊接，具有TH500-NQ-Ⅱ、TH550-NQ-Ⅱ、TH600-NQ-Ⅱ系列气体保护焊丝焊接、TH500-NQ-Ⅲ、TH550-NQ-Ⅲ、 TH600-NQ-Ⅲ系列埋弧焊丝焊接、药芯焊丝焊接同时开始。

2005年开始，采用防腐耐磨性能较好的TCS、T4003经济型铁素体不锈钢，焊接采用E309L-G、E308L-G不锈钢焊丝。铝合金汽车采用板材和型材，采用铝合金丝焊接和铆接。

焊接材料由普通碳钢变为低合金耐候钢、不锈钢、铝合金；焊条改为实芯焊丝和药芯焊丝；焊接保护气体已由CO2气体改为富氩混合气体和惰性气体。焊接材料的进步和发展为铁路货车焊接自动化奠定了基础。

2、焊接技术的应用与发展

20世纪60年代和70年代，车辆焊接采用焊条电弧焊和少量埋弧焊进行。 20世纪70年代末，开始尝试采用效率高、焊接变形小的CO2气体保护焊方法。到了 20 世纪 80 年代，它们被广泛应用于新的卡车制造厂。采用CO2气体保护焊工艺。 20世纪90年代末开始推广飞溅小、外观好的富氩混合气体保护焊方法，焊接生产效率和产品质量大大提高。 2003年，具有更好防腐性能的经济型铁素体不锈钢首次应用于卡车行业。由于新材料、新技术的应用，MIG（熔化极惰性气体保护焊）、MAG（混合气体保护焊）、TIG（非熔化极惰性气体保护焊）等先进焊接方法在卡车行业的应用。

近十年来，随着我国铁路货车重载提速技术的发展和新材料的应用，对焊接质量的可靠性提出了更高的要求。为了减少制造过程中人为因素的影响，减轻工人的劳动强度，提高焊接生产效率，保证焊接质量的稳定性，自动化焊接在汽车车身结构中的应用比例逐年增加。大力推广先进的自动、半自动切割工艺、焊接工艺和专用焊机、焊接操作机、自动线或柔性生产线。 2013年，南车长江公司首次在煤斗车端壁和侧壁上采用搅拌摩擦焊。卡车制造和焊接自动化水平全面提升，自动化卡车焊接迈出一大步。

3、焊接设备的应用与发展

焊接设备包括切割设备、焊接设备和焊接辅助机。切割工艺在20世纪60年代至80年代使用剪床和手动氧乙炔切割。从20世纪90年代开始，开始使用数控火焰切割机、数控等离子切割机、精细等离子切割机、激光切割机、水射流切割机。机等先进切割设备。

在20世纪50年代和1970年代，工厂一般只有手动交流焊机和手动直流焊机。 20世纪70年代和80年代，有少量气体保护焊机和埋弧焊机。 20世纪90年代，气体保护焊机和埋弧焊机的数量开始增加。 2000年后大幅上升，采用了数字焊机、专用焊机、焊接操作机等先进设备。例如，吊船的侧壁​​和端壁采用专用焊接机，C80B不锈钢吊船的焊接采用数字焊机和焊接操作机。

(1)数控切割机械手和专用焊机焊接的必要条件是工件下料和装配的高精度。没有良好的装配精度，就很难实现自动化焊接技术。因此，数控下料技术、半自动和全自动“氧气”被广泛应用。 ——丙烷”切割、数控精细等离子切割、水下等离子切割、激光切割、水射流切割等，大大提高了下料精度，为装配焊接打下了良好的基础。如图1至图6所示。

图1 数控火焰切割

图2 数控精细等离子切割

图3 水下等离子切割

图4 切割机器人进行中心光束切割

图5 水射流切割

图6 激光切割机切割

(2)焊接操作机焊接的工件在装配精度、表面清洁度等方面比半自动焊接要求高得多。因此，它们一般用于焊接机械加工量较大的零件，如转向架零件，或者焊接结构复杂、不便实施的零件。由半自动或专用机器焊接的零件。如图7至图10所示。

图7 焊接机器人焊接吊篮端壁

图8 焊接机器人焊接吊篮侧壁

图9 焊接机器人焊接弹簧支撑板

图10 焊接操作机焊接侧架支撑座

(3)焊接专用机铁路货车的结构形式适合采用专用焊机进行焊接。多为钢材与板材搭接，未经机械加工的长直缝焊缝，如吊船侧壁、端壁的连接角焊缝等，如图11、图12所示。

图11 侧壁自动焊接机

图12 端壁专用自动焊接机

上述先进下料、焊接设备的采用，为重型增速卡车的精益制造奠定了坚实的基础，满足了重型卡车技术要求不断提高所需要的设备配置要求。

焊接新技术应用典型实例

1、铁素体不锈钢焊接工艺

传统耐候钢制造的卡车重量重，车体耐腐蚀性能差，综合技术经济效益差。原株洲车辆厂于2003年开始采用经济型铁素体不锈钢研制80t级运煤敞车（见图13）。 2005年后开始批量生产煤炭运输专用铁素体不锈钢敞车。不锈钢具有良好的耐腐蚀性和机械性能，但对焊接热输入敏感。焊接接头晶粒粗大，低温冲击韧性低。焊接时，钢水粘度高，流动性差，极易造成焊接缺陷和焊缝成型不良。

图13 2003年研制的第一台铁素体不锈钢吊篮

通过对中国、日本RW、日本、德国四类铁素体不锈钢的化学成分、金相组织及焊接试验分析，得出焊接过程中铁素体晶粒长大趋势减少，热焊缝的影响得到改善。为了确定该区域的晶粒尺寸，必须对TCS材料的微合金成分进行进一步优化。

钢铁企业优化化学成分，调整钛（Ti）、氮（N）、镍（Ni）或锰（Mn）元素含量。改进后的不锈钢命名为T4003，焊缝热影响区马氏体组织比例增加。抑制焊接时铁素体晶粒的长大，细化焊缝及热影响区的组织，显着提高热影响区的低温冲击韧性。对铁素体不锈钢同种材料以及铁素体不锈钢和耐候钢异种材料的各种焊接接头形式和不同焊接方式的焊接试样进行拉伸、弯曲、-40℃冲击和热影响区金相观察热量输入。通过组织、断裂韧性等试验和检验，全面掌握了铁素体不锈钢的焊接特性。

根据铁素体不锈钢的焊接特点，提高下料尺寸精度，保证对准间隙，有效控制焊缝宽度；采用合理的焊接顺序，避免重叠焊缝，减少起弧、收弧次数；采用数字脉冲配合焊机，自动进行长直焊缝焊接，精确控制焊接工艺参数；保持焊接区域清洁并采用惰性气体保护；采用机械定位、水平位置焊接；有效控制焊接热输入，减少焊接缺陷，这是保证铁素体不锈钢焊接质量和提高焊缝疲劳可靠性的关键要素。

经过大量试验研究，在运煤敞车上批量应用。实现了铁路货车制造用钢种的升级，填补了铁素体不锈钢焊接工艺在铁路货车制造中的空白。其开发应用为我国重载铁路运输提供了新型现代化适用装备，为大秦线的完善做出了贡献。煤炭运输能力为实现秦皇岛港务局年煤炭运输量达到2亿吨的目标提供了有力保障。已成功应用于澳大利亚矿石漏斗车等出口车辆（见图14），技术水平达到国际先进水平。

图14 出口澳大利亚煤斗车

2.搅拌摩擦焊工艺

由于铝合金材料具有耐腐蚀、密度低、减轻车辆重量等优点，我国煤炭运输通道大秦线上有多辆铝合金运煤车。该卡车使用 5083-H321 板材和 6061-T6 型材。铝合金板材和型材一般采用铆接和熔焊的方式连接。

铆接连接除了增加车辆自重外，通过实际观察还发现，钢铆钉周围出现了电偶腐蚀斑点。铝合金熔焊时，母材本身易氧化，导热系数大，变形大，容易产生气孔、裂纹等缺陷。搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，具有热输入低、接头性能好、焊接变形小等优点。与传统熔焊相比，焊接过程不需要焊丝和保护气体，不受工厂温度和湿度影响，无烟雾。 、气体和电弧辐射无污染，具有绿色环保等显着优点。

搅拌摩擦焊在国外轨道车辆上的应用已有10多年的历史，并且发展十分迅速。从一开始，它只焊接铝合金地板、车顶板、侧墙板，几乎覆盖了车身的所有焊缝。搅拌摩擦焊设备也从原来的小型固定设备发展到大型多焊头龙门工作站。国内南车株机公司、四方股份、浦镇公司等铁路客车制造企业已在地铁、城轨、高铁上广泛应用搅拌摩擦焊。但国内外尚无其在货车领域应用的先例。

2013年初，南车长江公司与中铝萨帕公司合作，开展搅拌摩擦焊技术在铁路货车上应用的性能研究（见图15）。搅拌摩擦焊技术首次应用于铁路货车，实现铝合金煤 斗车端壁、侧壁长直焊缝搅拌摩擦焊技术工程应用，2017年为神华集团提供120辆煤斗车2013 年（见图 16）。这些车辆目前正在进行操作测试。

图15 搅拌摩擦焊

图16 搅拌摩擦焊焊接的煤斗车

前景

根据铁路货车的发展趋势和多品种、个性化的市场需求，车辆产品不仅要高效、保证焊接质量，还要降低焊接成本。高效熔化极焊接技术（CMT、TIME、AC-MIG、STT、双丝等）、高效埋弧焊技术（多丝、粉末、条极等）、窄间隙焊接（TIG 、GMAW和SAW）、混合热源（激光-MIG、PAW-MIG、CMT-Twin）焊接和FSW搅拌摩擦焊，同时采用双面成型技术等。

卡车制造应采用柔性化、模块化、精益化的开发方式，在现有基础上拓展推广在线测试、动态监控、ERP管理方式等。快速的数据处理使焊接分析和监控更加准确，提高卡车制造和质量水平。上升到一个新的水平。

出口到不同国家的卡车采用不同的焊接标准体系，包括澳大利亚标准AS、欧洲标准EN、国际标准ISO、美国标准AWS、德国标准DIN等，我国标准包括国家标准GB、行业标准TB等系列。当然，出口产品会根据用户要求执行相关标准，但国产卡车应尽量采用国际先进标准ISO和等效国家标准GB、TB，其他标准为辅助，同一焊缝标志应避免重复信息。避免了。

结论

对重载铁路货车承受动载荷的要求越来越高。以往的车辆设计、试验方法和制造水平已不能满足要求。产品设计和焊接质量控制必须参照先进标准进行，以提高车辆的结构稳定性。整体水平和制造质量完全满足货主对快速、重载、安全、可靠的铁路货运的要求。