船舶用铝合金槽加工工艺

          高铁车厢是用铝材焊接的，有的高铁线经过零下三四十摄氏度的高寒地带；南极科考船上的一些仪器、装备与起居用品是以铝材制造的，需要经受零下六七十摄氏度的考验；由中国经北极到欧洲的商船上有些装备也是用铝材制造的，其中的一部分露在外面，环境温度也在零下五六十摄氏度；它们能在这样的寒冷环境中正常运转吗？没问题，铝合金及铝材是*不怕寒冷酷热的。说说铝合金的低温性能--铝及铝合金是*好的低温材料，没有低温脆性，不像普通钢材、镍合金等那样有明显的低温脆性，它们的强度性能虽然随着温度的降低而升高，但是塑性与韧性却随着温度的下降而降低，即有明显的低温脆性。可是铝及铝合金则大不一样，没有一丝丝低温脆性，它们的一切力学性能均随着温度的降低而明显上升，与材料的成分无关，不管是铸造铝合金还是变形铝合金，也不管是粉末冶金合金，还是复合材料；与材料状态也没有关系，不管是加工状态的，还是热处理状态的；也与锭坯制备工艺无关，不管是用铸锭轧制的，还是用熔体连续铸轧的或连续连轧的；与铝的提取工艺更无关系，电解的、碳热还原的、化学提取，通通都没有低温脆性；与纯度也无关，不管是99.50%~99.79%的工艺纯铝，还是99.80%~99.949%的高纯铝、99.950%~99.9959%的超纯铝（Super Purity）、99.9960%~99.9990%的极纯铝（extreme purity）、>99.9990%的超高纯铝等都没有低温脆性。有趣的是，另两个轻金属——镁、钛跟铝一样也没有低温脆性。高铁车厢铝材有Al-Mg系的5005合金板材、5052合金板材、5083合金板材及型材，Al-Mg-Si系的6061合金板材及型材、6N01合金型材、6063合金型材，Al-Zn-Mg系7N01合金板材及型材、7003合金型材。标准状态有O、H14、H18、H112、T4、T5、T6。由表中的数据可明显地看出，不管哪种铝合金，它的力学性能均随着温度的降低而上升，所以铝材是一类绝妙的低温结构材料，火箭的低温燃料（液氢、液氧）储罐、液化天然气（LNG）运输船上与岸基储罐、低温化工产品容器、冷库、冷藏车等都可以用铝材制造。在地球上跑的高速列车的车厢与车头的结构件凡是可用铝合金制造的零部件都可以用现行的相应铝合金制造，不需要另辟蹊径研究一种在高寒地区运营的厢体结构铝合金及其生产工艺，当然如果能研发一种各项性能比6061合金大10%左右的6XXX合金，或比7N01合金约大8%的7XXX合金，那当然是功劳很大的。实际上，在我国黑龙江省，以及以后在内蒙古自治区、新疆维吾尔族自治区、西藏自治区、青海省跑的高铁对铝合金结构来说算不了“高寒”，不需要对合金成分作特殊处理，也不需要对材料生产工艺参数作专门调整。只要为高张高铁或以后为在其他寒冷地区运营的高铁车辆厢体生产的铝材性能符合中国GB、欧洲EN、日本JIS、美国ASTM等标准要求，就是合格的产品，不需要采取特殊措施，以免加大成本。车厢铝合金的发展趋势：在现在轨道车辆厢体制造和维护中用的板材合金有5052、5083、5454、6061等合金，用的挤压型材有5083、6061、7N01等，此外一些新的合金诸如5059、5383、6082等也有所应用。它们都有良好的可焊性，焊丝为5356或5556合金，当然*好是采用摩擦搅拌焊（FSW），不但焊接质量高，而且不用焊丝。后来日本研发的7N01合金（Mn0.20~0.7、Mg1.0~2.0、Zn4.0~5.0，单位%），在轨道车辆制造中获得广泛应用；德国在制造高铁Trans Rapid车厢时采用5005合金板制作壁板，用6061、6063、6005合金挤压所用的型材。总之，直到目前无论是中国还是其他 制造高铁车辆基本上仍沿用这些合金。200km/h~350km/h列车厢体铝合金：我们可根据列车运营速度将厢体铝合金分为：速度<200km/h的车辆用的可称为 代合金，它们是常规的合金，多用于制造城市轨道车辆厢体，如6063、6061、5083合金等；第二代铝合金如6N01、5005、6005A、7003、7005合金等用于制造速度为200km/h~350km/h的高铁车辆厢体；第三代合金是6082、含钪的铝合金等。除了6N01、7N01合金（它们是日本合金，N代表Nippon）外，还有7003合金，它的Mg含量比7N01合金的低，是一种低Mg的Al-Zn-Mg合金，它的可焊性及强度与7N01合金的相当，并具有更高的可挤压性能。日本东北和上越新干线、札幌地铁大量采用7003、7N01合金生产壁厚3mm的宽幅型材6005A合金（Si0.50~0.9、Mg0.40~0.7、Mn和Cr 0.12~0.50,%）是法国注册的，与美国6005合金相比，Mg与Si的含量相等，但增加了0.12%~0.50%的Mn的Cr，不但有与6063合金相当的可挤压性能，而且强度性能也有所提高。6N01合金也如此，日本山阳电化铁路3050型车辆厢体侧板（宽507mm、壁厚2.5mm）、宽558mm的地板，以及制造侧板挂钩、檐梁等的大型宽幅空心型材都是用6N01合金挤压的。350ktm/h~450km/h列车厢体铝合金：这是厢体用的新一代铝合金，列车速度高达450m/h，车辆须承受更大的外力，受到的震动也更强烈，因此应研发新一代轻量化高铁铝合金。含钪的铝合金。钪是铝及铝合金*有效的晶粒细化剂，也是优化铝合金性能有效的元素之一，钪的含量都<0.5%，凡含有钪的合金，不管含量多少都统称铝-钪合金。Al-Sc合金有强度高、塑性好、可焊性优良、抗蚀性强等优点，是舰船、航空航天器、反应堆、国防军工器械等领域选用的新一代铝合金之一，当然也可以用于制造铁路车辆结构。不过向现行铝合金添加钪，对组 织性能的改善如何，尚有待系统的研究，钪是一种稀土元素，中国是世界上的钪生产国，在Al-Sc合金研究方面居世界前列，但总的来看还不如俄罗斯，在Al-Sc合金研究与应用方面俄罗斯是领跑者。东北轻合金有限责任公司、中南大学、航天材料及工艺研究所对Al-Sc合金的研发作了许多工作，他们研究的“大尺寸5B70铝-镁-钪合金板材”获2017年度中国有色金属工业科学技术一等奖，获二等奖的也有一项，为“航天用可焊高强Al-Zn-Mg-Sc合金”。

         铝合金是世界上应用zui为广泛的合金材料之一，除了铝合金门窗外，zui常见铝合金非铝合金轮毂莫属。人人都喜欢铝合金轮毂，但是知道铝合金轮毂来由的人却是少之又少，所以今天我们就来简单说一下铝合金轮毂的起源。铝合金轮毂以其质量轻、散热快、减震性能好可靠，外观漂亮等优点深得人们喜爱。而赛车运动所需要的正是要具备这些的特质的轮毂，因此早在1920年，赛车设计师哈利米勒（harry a.miller）就萌生了制作铝合金轮毂的想法，并为此申请了概念 。可惜的是由于种种原因，他并未制作任何铝合金轮毂。但是，布加迪汽车的创始人埃托雷布加迪（ettore bugatti）十分中意这一创意，并于1924年在莫尔塞姆的铸造厂成功地用自己设计的模具铸造了铝轮、辐条以及刹车鼓，并将其安装在布加迪Type 35上。一般来说，簧下质量越低，惯性矩越小，操纵性也就越好。铝合金刚好具有质量较轻的特质，这也就使得安装铝合金轮毂的布加迪Type 35在操纵方面十分得心应手。对于早期长达几小时甚至几天的赛车比赛来说，铝合金轮毂无疑是给车手叠了一层“buff”，这也是布加迪能能够在1925年至1930年间统治世界赛道的原因之一。不过，铝合金轮毂的首次实战就没有这么顺利了。在1924年8月3日的里昂大奖赛上，布加迪将铝合金轮毂安装在参加比赛的Type 35赛车上，该轮毂由8个扁平辐条，一个可移动的轮缘和一个集成的制动鼓构成。埃托雷·布加迪称这款铝合金轮毂为一款精美的雕塑艺术品，一次艺术与技术的完美融合。往往打脸就是来得这么快。当日大奖赛上，所有安装铝合金轮毂的布加迪Type 35赛车都没有完成比赛。原因是赛车使用的轮胎并没有采用正确地硫化处理，导致了胎面在高速运动中飞了出去。但问题是出在轮胎上，对于铝合金的轮毂影响不大，所以埃托雷布加迪依旧对自己的轮毂创新充满心。在接下来的几年里，埃托雷布加迪制造了七种不同类型的铝合金轮毂，还分别为Type 35、Type 39型和Type 51赛车设计了三种不同的刹车系统。一般来说，车轮的空气流动性越好，涡流越低，对于车轮的设计就越严苛复杂。而同样的，对于空气动力学要求严格的赛车对于制动器的散热要求同等严苛。在高负荷的赛车运动中，制动器产生的热量必须迅速且充分地消散，而扁平化与开放式的轮毂设计刚好可以满足这一点。为此，埃托雷布加迪开始不断改进铝合金轮毂的造型，并顺手注册了“关于与冷却盘的车轮有关的改进”“弹性车轮与径向和轴向弹簧轮辋相对于车轮中心”等 。值得一提的是，这些与铝合金轮毂有关的 只不过是他个人所拥有的500项 中的寥寥一笔。也就从此时起，多辐条轮毂成为了布加迪的标志性特征。后来，布加迪的工程师则是将轮毂造型改为多辐条Y型布局，这种布局更加稳定，能承受的压力也更大。到了现在，铝合金轮毂的普及度已经不用多说了。想成为一家立足于世界的车企，着眼于未来必不可少，很显然，布加迪做到了，布加迪成功地把铝合金轮毂带向了世界。

        工业铝型材表面经过氧化后，外观非常漂亮，且耐脏，一旦涂上油污非常容易清洗，组装成产品时，根据不同的承重采用不同规格的型材，并采用配套铝型材配件，不需要焊接，较环保，而且安装、拆卸，轻巧便于携带、搬移极为方便。相对于其他金属材质而言，铝型材的可塑性强，生产性好，对于生产制作有很好的优势；铝型材具有很好的延展性能，可以与很多金属元素制作轻型合金，材质优质；铝型材具有模组化和多功能化，可快速架构出理想机械设备外衣。表面处理性能良好，外观色泽艳丽，无需油漆，弹性系数小，碰撞摩擦不起火花，在汽车工艺中表现*佳，没有金属污染，没有毒性。工业铝型材用途广泛，例如：1、建筑用铝型材：建筑铝型材主要包括门窗铝型材和幕墙铝型材；2、散热器铝型材：主要应用于各类电力电子设备散热、LED照明灯具散热、及电脑数码产品的散热等。3、工业铝型材：一般工业铝型材是指主要用于工业生产制造用的，如自动化机械设备、封罩的骨架以及各公司根据自己的机械设备要求定制开模，比如流水线输送带、机、点胶机、检测设备、货架等等，电子机械行业和无尘室等。4、汽车零部件铝型材：主要用于汽车零部件、连接件等。5、家具铝型材：主要用于家具装饰框、桌椅支撑件等6、太阳能光伏型材：包括太阳能铝型材边框、太阳能光伏支架、太阳能光伏瓦扣件等。7、轨道车辆结构铝合金型材：主要用于轨道车辆车体制造。8、装裱铝型材：制作成铝合金画框，装裱各种展览、装饰画。9、医用设备铝型材：主要应用于：担架车框架、医疗器械、医疗床等。
          铝合金压铸件可以被制造为压铸汽车配件、压铸汽车发动机管件、压铸空调配件、压铸汽油机气缸缸盖、压铸气门摇臂、压铸气门支座、铸电力配件、压铸电机端盖、压铸壳体、压铸泵壳体、压铸建筑配件、压铸装饰配件、压铸护栏配件、压铸轮等等零件。....铝合金压铸件可以被制造为压铸汽车配件、压铸汽车发动机管件、压铸空调配件、压铸汽油机气缸缸盖、压铸气门摇臂、压铸气门支座、铸电力配件、压铸电机端盖、压铸壳体、压铸泵壳体、压铸建筑配件、压铸装饰配件、压铸护栏配件、压铸轮等等零件。随着国内制造装备业发展水平的不断提高，压铸机的装备水平也显著提高，可以制造的零件种类也在不断得到扩大，压铸出来的零件的精度、零件的复杂程度也得到了较大的。铝合金压铸件擦伤问题是难以避免的。特征是顺着脱模方向，由于金属粘附，模具制造斜度太小而造成铸件表面的拉伤痕迹，严重时成为拉伤面。
产生原因：1、合金粘附模具。2、铝合金中含铁量低于0.6%。3、铸件顶出偏斜，或型芯轴线偏斜。4、型芯、型壁有压伤痕。5、型壁表面粗糙、6、型芯、型壁的铸造斜度太小或出现倒斜度。7、涂料常喷涂不到。排除措施：1、修正模具，保证制造斜度。2、打光压痕。3、合理设计浇注系统，避免金属流对冲型芯、型壁，适当降低填充速度。4、修正模具结构。5、打光表面。6、涂料用量薄而均匀，不能漏喷涂料。7、适当增加含铁量至0.6~0.8%。铝合金压铸件可以被制造为压铸汽车配件、压铸汽车发动机管件、压铸空调配件、压铸汽油机气缸缸盖、压铸气门摇臂、压铸气门支
            智能化焊接的应用前提工业铝型材材料制作的车体具有重量轻、耐腐蚀、外观平整度好及材料可再生利用等优点，因而受到世界各城市交通公司和铁道运输部门的青睐。工业铝型材车体在高速铁路车辆制造上具有不可替代的功能，因此工业铝型材车体的发展速度特别快。目前，全铝结构工业铝型材车辆已经广泛应用于我国铁路车辆动车组的制造和城市轨道交通车辆的制造，尤其高速动车组的钢结构全部是工业铝型材车体，应用*为广泛。在工业铝型材车体制造过程中，由于结构大量采用型材拼接，接头长且规则，便于自动化作业的实现，因此在该行业大量使用各种智能化焊接技术。智能化焊接在动车组工业铝型材车体上的应用实例：2001年，我公司建成了国内 条工业铝型材车体自动化焊接生产线，并利用国产材料，先后开发制造了210km/h工业铝型材车体电动车组、270km/h工业铝型材高速试验列车等动车组工业铝型材车体。2002年，实现了可批量生产工业铝型材车体生产的硬件条件。2004年，我公司从法国阿尔斯通公司引进了200km/h工业铝型材车体动车组CRH5。在成功引进200km/h动车组的前提下，又从德国西门子公司引进了300km/h工业铝型材车体动车组CRH3。自动焊在工业铝型材车体焊接中占有举足轻重的地位，它以焊接质量稳定，生产效率高等优点，得到焊接企业的广泛认可。现在，随着公司的发展与壮大，对于智能化焊接领域的需求大幅度提高。我公司高速动车组工业铝型材车体焊接生产，自动焊焊接量约占整车焊接总量的75%。主要采用的智能化焊接技术是自动MIG焊技术和搅拌摩擦焊技术，其中自动MIG焊应用*为广泛，约占自动焊焊接总量的95%，而搅拌摩擦焊还仅处于小面积应用和探索阶段，相在不久的未来，搅拌摩擦焊技术也会得到长足的发展。（1）高速动车组工业铝型材车体结构特点：高速动车组工业铝型材车体，主要分为中间车工业铝型材车体和头车工业铝型材车体。中间车工业铝型材车体主要由底架、侧墙、车顶、端墙等四个部位组成，头车工业铝型材车体主要由底架、侧墙、车顶、端墙及车头等五个部位组成。图1为CRH380型动车组中间车工业铝型材车体，图2为CRH380型动车组头车工业铝型材车体。CRH380型动车组工业铝型材车体，底架组成主要由地板、底架边梁、KK端/FE端、裙板以及各种小件组合而成。车顶主要由圆顶、平顶、车顶边梁、空调框、端顶组成，通过台组成以及各种小件组合而成。侧墙组成主要由侧墙板、门立柱、应接板以及各种小件组合而成。端墙主要由端墙板、端角柱、车顶连接梁、车顶侧弯梁以及各种小件组合而成。车头组成主要由左右侧墙、前墙、前窗框、环形框以及各种小件组合而成。（2）自动MIG焊技术在高速动车组工业铝型材车体制造上的应用：高速动车组工业铝型材车体焊接通常分为车体大部件自动焊、小部件自动焊和总组成自动焊。大部件自动焊一般指车顶板、平顶板、地板、车顶及侧墙自动焊；小部件自动焊一般指端墙、车头、隔墙、裙板及车钩座自动焊；总组成自动焊一般指侧墙和车顶、侧墙和底架连接缝自动焊。工业铝型材车体制造中投入大型关键焊接设备，是制造工业铝型材车体的必备条件。在高速动车组工业铝型材车体的制造过程中，为了提高整机产品的焊接质量，焊接生产效率，降低劳动强度，公司曾先后投入了龙门式IGM机械手、悬臂式ESAB专机、SMC专机、FOOKE专机、OTC专机及小型IGM机械手、CLOOS机械手、OTC机械手等自动焊设备，以此实现自动MIG焊接技术的应用。大部件自动焊主要采用龙门式IGM机械手和悬臂式ESAB专机等设备，焊缝跟踪方式为激光跟踪。送丝机构形式分为单丝焊接和双丝焊接，其中，单丝焊接只是用在初期的设备系统上。总组成自动焊主要采用SMC专机和FOOKE专机等设备，焊缝跟踪方式为机械跟踪，送丝机构形式为单丝焊接。小部件自动焊主要采用小型IGM机械手等设备，焊缝跟踪方式为激光跟踪。图3是大型的龙门式IGM机械手，图4是FOOKE专机。在高速动车组工业铝型材生产初期，CRH5型动车组侧墙中间两块板、车顶中间三块板、车顶合成和CRH380型动车组圆顶板、平顶板等部件的生产采用双枪单丝的IGM机械手进行自动焊接；CRH5型动车组侧墙合成部件的生产采用双枪单丝悬臂式的ESAB专机进行自动焊接；底架地板的生产采用双枪双丝的IGM机械手进行自动焊接；端墙板、车头等小部件生产采用CLOOS、小型IGM机械手进行自动焊接。然而，随着动车组产能的扩大和工艺布局的调整，单丝的IGM机械手由于生产效率较低，已被弃用。截止目前，高速动车组所有工业铝型材车体大部件生产采用的都是双枪双丝的IGM机械手进行焊接；小部件生产采用的都是小型IGM机械手进行焊接；总组成自动焊接主要采用SMC专机和FOOKE专机两种设备，其中，CRH5型动车组总组成焊接采用SMC专机，CRH380型动车组总组成焊接采用FOOKE专机。图5是动车组侧墙自动焊接。图6是动车组端墙墙板自动焊接。自动MIG焊技术在高速动车组工业铝型材车体制造上的广泛应用，使得公司的焊接技术水平得以大幅度提高，生产线的制造能力也大大，从而保证了高速动车组工业铝型材车体的产品质量，为高铁生产制造领域做出了突出贡献。（3）搅拌摩擦焊技术在高速动车组工业铝型材车体制造上的应用：搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，焊接接头具有优良的力学性能和小的焊接变形，焊接过程中不需要添加保护气和焊丝，没有熔化、烟尘、飞溅及弧光，是一种环保型的新型连接技术。实际情况也的确如此，在FSW技术问世后的短短几年内，在焊接机理、适用材料、焊接设备以及工程化应用方面均取得了很大的进展。高铁车身地板搅拌摩擦焊：我公司从2008年初开始，就针对搅拌摩擦焊技术在工业铝型材车体材料上开展试验研究工作，经过反复的试验摸索获得了一定的试验结果后，于2010年7月开始在高速动车组车钩座等关键部件上进行工艺试制。通过试验团队的不断努力，此技术*终于2013年在高速动车组车钩座上取得了实质性的应用，届时使得产品实物质量显著提高，生产效率飞速，劳动强度大幅降低，获得了公司上下的一致好评。鉴于该技术的优越性，2014年在中国标准动车组项目研制过程中，搅拌摩擦焊在车体小部件上进行了大面积的应用，并取得了良好的经济价值和社会效益，为高速动车组走出去奠定了丰富的技术基础。图7是小部件FSW设备。图8是FSW焊接车钩座。智能化焊接在动车组工业铝型材车体上的建议（1）自动MIG焊接技术继续在高速动车组工业铝型材车体制造上应用：由于自动MIG焊接技术现今比较成熟、稳定，所以优先建议其在平顶附件组焊、端墙合成组焊、KK组焊、FE组焊、车头组焊及底架合成组焊等复杂工序继续应用。针对部件结构和制造工艺特点，选择合适的自动焊设备，如平顶附件组焊可以利用现有的IGM机械手进行自动焊接应用研究，端墙组焊、KK组焊、车头组焊等小部件工序可以引进机器人并利用变位机的多方向旋转功能实现自动焊接应用。相在不久的将来，在各专业技术专家的不断努力下，我公司能够成为真正意义上的智能化制造企业。（2）加快搅拌摩擦焊的应用步伐：搅拌摩擦焊是将来高速动车组工业铝型材车体焊接的发展方向，值得开展相关方面的研究和应用。目前，搅拌摩擦焊在CRH380和CRH5型动车组两个批量生产的项目上，仅在CRH380型动车组车钩座和车钩梁两个小部件上有所应用，建议应向CRH380型动车组端墙板、平顶板和CRH5型动车组垂直墙、水平墙、前端墙等小部件上加快应用的步伐。另外，也应在工业铝型材车体大部件（底架地板、侧墙、车顶）上开展FSW基础性的试验研究，如开展型材结构设计、工装夹具开发、搅拌头设计及焊接工艺试验等工作，为将来的实际生产应用积累丰富的试验数据，并打下坚实的实践基础。