[发明专利]一种轨道列车车体及其制造方法

说明书

本发明公开了一种轨道列车车体及其制造方法。所述车体主要包括由车顶，侧墙，底架，侧顶连接型材，侧底连接型材和独立门角构成的主体结构；所述车顶主要由车顶边梁型材，空调板型材和圆弧车顶型材组焊而成；所述侧墙主要由侧墙板型材，门立柱型材和侧墙上梁型材组焊而成；所述底架主要由位于两侧的底架边梁型材和中间位置的底架地板型材组焊而成；所述车顶边梁型材、侧墙板型材、底架边梁型材、底架地板型材、独立门角均采用纳米陶瓷铝合金材质制成；所述车顶和侧墙之间、侧墙和底架之间均采用双轴肩FSW方式连接。本发明的车体解决了传统铝合金车体由于材料自身强度限制，进一步轻量化困难的问题，且避免了焊接变形的问题。

技术领域

本发明涉及一种轨道列车车体及其制造方法，属于轨道交通车辆车体结构及焊接技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展，轨道列车车辆对轻量化、防火安全、振动舒适等性能要求变得更加苛刻。目前轨道列车车体采用最广泛的是碳钢、不锈钢、铝合金三种材料。其中铝合金仍然是目前最成熟的轻量化轨道列车车体材料，主要包括5XXX系、6XXX 系和7XXX系三个系列，其中6XXX 系中的6005A铝合金具有中高等强度，良好的挤压性能及耐蚀性，且焊接性好，可进行热处理强化等特性被广泛当作车体主结构型材使用。但其屈服强度只有215MPa左右，且由于挤压流动性不高限制了最小板厚，影响其进一步轻量化。7XXX系铝合金由于高强度、综合成型性能好等特点，曾经是取代6005A铝合金的重点研究对象，但由于其应力腐蚀敏感性，暂被限制使用。

近年来，原位纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料（即纳米陶瓷铝合金，也称陶铝）的制备技术取得了突破性发展，申请号为CN201711114899.X的发明专利，通过纳米颗粒的Orowan强化、细晶强化、纳米增强体增韧和纳米析出相的弥散强化、阻尼效应以及稀土本身的细化和变质效应的作用，打破强塑性倒置的关系，获得了强塑性、抗冲击性和抗疲劳性且可挤压成型的铝基复合材料。中国专利申请号为CN201810321256.0的发明专利申请公开了一种通过搅拌摩擦焊的搅拌头进行搅拌实现纳米颗粒弥散分布的方法，为铝基复合材料构件之间的连接提供了更优的方法。

综上所述，通过在铝合金中增加纳米陶瓷颗粒，获得的新材料在保持了原基体的良好性能，纳米陶瓷铝合金密度仅2.7gcm^-3-3gcm^-3，为钢的1/3，但是强度和普通碳钢强度相当，具备高强度高塑性的同时，还具有高的比刚度和比模量，给车体进一步轻量化带来希望。

但是铝合金本身的热膨胀系数大，焊后易产生变形，一般情况下铝合金工件的焊接都需设计使用专用的工装夹具，且焊后多需调修矫形来保证最终的工件尺寸，制造工艺复杂，成本也相对较高。随着车体轻量化程度的提高，车体型材筋板板厚及其分布密度需进一步减少，给车体焊接变形控制带来更大难度。

搅拌摩擦焊接（简称FSW，Friction Stir Welding）作为一种先进的固相焊接方法，其热输入量低，焊接接头强度高、焊接变形小，是解决轻量化车体焊接变形问题的重要手段。但目前铝合金车体采用FSW主要限于一些子部件，如侧墙板型材、底架地板型材等。对于车顶、侧墙、底架大部件间的FSW技术尚在研究阶段，未得到推广。

日本三菱公司公开的PCT/JP2011/050275发明专利提供一种整车采用FSW技术方案，但该专利采用的方案是焊枪设备在车体内侧，且首先对车体外侧接头进行FSW施焊；然后再焊内侧，焊内侧时主要采用电弧焊或单轴肩FSW，采用单轴肩方式的FSW在工作时需要对工件施加巨大轴向压力，对车体制造工艺要求很高，且工装设备复杂，焊接难度大，成本较高等劣势。且从车内实施焊接，极易收到空间限制，操作难度大。

双轴肩FSW技术是在单轴肩搅拌摩擦焊基础上研发出的先进焊接技术，搅拌头工作部分由上、下两个轴肩以及搅拌针组成，焊接时上、下两个轴肩以及搅拌针均与母材产生摩擦热，同时驱使焊缝金属流动。由于双轴肩FSW技术是对工件的上、下表面同时进行焊接，从根本上消除了根部未焊透或根部连接较弱的问题。