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铝制列车:用中空型材减轻重量并确保刚性
作者:滨本 笃    来源:日经BP社
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铝制列车的诞生

铁路的190年历史中,很早就出现了利用铝合金来减轻车体(担负车身基本强度的构造体)重量的想法,1934年前后美国出现了特快列车的车身外板使用铝合金的例子。虽然日本在二战后才开始在列车上使用铝合金,不过真正的全铝列车问世也已有50多年的历史了。

在日本,将飞机用硬铝材料应用于车身外板的电气化列车及客运列车于1946年问世,但由于耐腐蚀性不佳的硬铝外板与普通钢制骨架铆接在一起,因此电腐蚀速度加快,导致使用寿命缩短。

在海外,真正的铝合金列车是从1952年开始面向伦敦地铁量产的,在德国也实现了实用化。经过向这些欧洲列车厂商学习,日本第一代全铝列车终于在1962年到1963年期间诞生了。其基本构造继承了原来的钢制列车,主要使用铝镁(Al-Mg)系5083合金板材及型材。部件的接合以MIG焊(熔化极惰性气体保护电弧焊)及MIG点焊为基础。早期列车同时还使用铆接,以防止采用铝镁硅(Al-Mg-Si)系6061合金的部分的强度降低。

开发出三元合金

日本在1962年开发的铝锌镁(Al-Zn-Mg)系7N01合金被应用在1964年生产的列车上,为第二代铝合金列车拉开了帷幕。当时也被称为三元合金的7N01合金强度高,焊接性出色,焊接后可通过自然时效恢复强度,挤压加工性也高于原来的5083合金,因此被作为型材广泛应用于需要较高强度的车身结构侧梁(作为侧面与地板交叉边的长部材)及底架构造等。5083、5052、5005合金型材与板材也按照车身结构的强度分配比例被应用在适合的部位,通过组合使用MIG电弧焊与MIG点焊,实现了全焊构造的车身结构体。

1970年前后,日本开发出了减少7N01合金中镁的含量来提高挤压性的7003合金。1971年9500吨卧式油压驱动挤压设备开始投入使用,1972年以后,大型薄壁型材开始被应用在桁板(侧面与车顶的衔接部分)上,第2.5代铝合金列车由此诞生。1980年前后,开始使用9500吨挤压设备生产7N01及5083等硬质铝合金大型中空型材。

生产中空型材时,如果是软质和半硬质材料,采用会产生熔线的异形孔(Porthole)挤压法也没有问题。但是,如果是很难熔化的硬质材料,就只能采用生产无缝管时使用的芯棒(Mandrel)挤压法了。虽然车身结构体用途的非轴对称中空型材容易出现截面偏差,但经过努力,最终还是实现了实用水平的型材制造。

双层壳结构体出现

Al-Mg-Si系6005合金从1978年开始被巴黎地铁的列车采用,车身结构体全部由型材构成。日本通过对其进行改进,1980年开发出了6N01合金。这种合金具有出色的挤压性,以前一直使用板材的侧外板及车顶外板也能用宽幅薄壁型材来设计制造了,第3代铝合金列车由此诞生。以之前一直使用7N1合金开口截面型材的侧梁为开端,地板结构件也开始使用6N01合金中空型材了。

长型材之间的接合实现了自动化,除了MIG电弧焊之外,1998年以后还使用了搅拌摩擦焊。这是1991年前后英国开发的焊接技术,因焊接部位的温度低于弧焊,可减小焊接后的翘曲变形,接合部表面十分平滑。另外,1996年开始生产的500系新干线电力列车在侧外板和地板中使用了6951合金铝蜂窝面板,预示了新一代列车材料的方向。

由于6N01合金拥有出色的挤压特性,大型中空型材开始被应用于包括地板、侧板及顶板在内的所有车身结构体部分,从而进入了一直延续至今的第4代铝合金列车时代。大型中空型材为双层壳状截面,拥有较高的刚性,仅用这种型材即可构成车身侧面和车顶,因此实现了不需要侧柱及桁板的双层壳结构。而且,业界还试着通过用6N01合金统一型材(单合金化),来提高铝合金的循环周期性。接合型材时,搅拌摩擦焊得到了广泛使用,此外,近几年也开始使用激光MIG混合焊。这种焊接技术输入的热量较少,但却可以获得较大的焊透深度,从而可以实现高精度结合。

如上所述,在铝制列车的发展过程中,合金技术、加工技术、焊接技术、设计技术相互促进和融合,创造出了辉煌的历史。现在仍在寻求新技术的融合,研发活动也在不断推进。(特约撰稿人:滨本 笃,川崎重工业车辆公司)(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (10/22/2015)
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