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文|晨晨不爱吃豆腐c编辑|晨晨不爱吃豆腐c前言：随着人类文明的快速发展，由此带来的空气污染和温室气体排放已经威胁了人类多年。
在交通运输行业的发展中，节能减排成为一个越来越重要的优先事项。
有许多方法可以提高能源效率和减少二氧化碳排放，例如减少空气动力阻力、传动损耗、轮胎滚动阻力和重量。
在这些选项中轻量化结构目前被认为是最有效的解决方案之一。
近年来轻量化已经成为世界范围内交通运输行业的一个重要研究主题。
材料替代是轻量化的一种有前途的选择。
传统上钢材，如低碳钢和不锈钢，被用作交通设备主要结构的主要材料。
钛、铝和镁是有望替代钢铁和铸铁的轻质金属材料。
在这些材料中，铝具有平衡的性能，如轻质、良好的耐腐蚀性、良好的成形性、高比强度和相对较低的成本。
铝合金的密度仅为钢的三分之一。
考虑到由于材料替代而进行的结构优化，当使用铝时，铁路车体的整体重量降低了50%。
这种降低程度值得在工程应用中进行努力。
尽管铝在地壳中的含量约为8 wt%，但铝对氧的高亲和力以及铝氧化物和硅酸盐的稳定性长期以来阻碍了其分离。
因此铝合金直到19世纪末才在工程应用中经济可行。
铝合金最初用于航空工业，航空工业是交通运输行业的重要组成部分。
它首次在1920年的Junker F13机身上使用了2017-T4合金。
随着列车速度的提高，它开始用于列车制造，直到1980年代。
到目前为止，它已广泛应用于时速200km/h以上的客车，如德国ICE系列高速动车组车体、法国ALSTOM双层TGV高速动车组车体、意大利Pendolino系列摆式高速动车组车体、日本新干线和中国CRH高速动车组车体等。
铝合金的特性列车的特殊运行环境和铝合金的独特性能促进了它们的结合，这推动了高速列车的普及和铝合金在交通运输行业中的深入应用。
在轨道交通车辆的工程应用中，铝占据的优势有车辆的净重可以大大降低。
使用铝合金可以在满足强度和刚度安全要求的同时，大大降低铁路客车的净重。
一般来说铝合金制成的车体比钢铁车体轻30%~50%。
对于高速和双层列车来说，使车辆轻量化的最有效方法就是尽可能增加车辆中使用铝的比例。
铝合金具有良好的耐火性。
虽然铝的熔点比钢低得多，但车体的耐火性不仅与材料的熔点有关，还与材料的热导率有关。
与钢相比铝合金具有良好的热导率和更好的散热性能。
其中铝合金易于加工、制造和维护。
随着大型中空复杂截面铝型材的开发和应用，铝焊接技术不断提高，车辆制造技术越来越成熟。
铝合金零部件易于更换，并适用于各种表面处理。
与钢相比制造铁路车体的工作量也大大减少。
典型铝合金及其性能在高速列车中常用的铝合金包括5000系列、6000系列和7000系列。
5000系列合金在 typ非热处理合金中具有最高强度和高耐腐蚀性，适用于焊接结构。
6000系列合金具有适中的强度和良好的耐腐蚀性，以及完美的挤压成形性，可以制造复杂而薄壁的中空截面。
7000系列合金在时效硬化铝合金中表现出优异的强度，为减轻重量提供了广阔空间。
在铁路车辆中，铝合金主要用于制造车体及其辅助结构。
车体是一个延长的六面体结构。
铝被用于制造结构的所有部件，包括车顶、底架、端壁和侧壁。
然而不同的铝合金牌号被选用于车体的不同部位。
同时使用挤压型材和板材。
挤压型材占铝合金车体总重量的约70%，而板材占约27%，铸件和锻件占约3%。
另一方面铝合金在车体以外的结构，如齿轮箱和轴箱，也开始逐渐应用。
铝合金材料和大型挤压型材的发展为铁路车辆的现代化和轻量化铺平了道路。
近年来随着铁路车辆轻量化设计理念的普及，以及对简化施工和维护的要求，大型整体薄板和中空复杂薄壁型材已经成功开发出来。
然而当谈到头车时，结构就有很大不同。
为了在高速运行时实现最佳的空气动力性能，头车采用了流线型设计。
这种独特的形状使得使用相对规则和直线型材无法进行制造。
因此梁板结构成为头车的最佳选择。
根据对刚度和强度的要求，设计了一个框架来支撑前部外皮以防止塑性变形。
在固定外皮之前，使用数百块铝板制成的梁进行焊接。
然后根据易加工的原则，将外皮分割成小块。
每块外皮根据设计轮廓形成特定的形状。
然后一块块外皮逐个固定在框架上。
关键制造技术铁路交通领域中铝合金的工程应用面临一系列挑战，这促进了一系列关键制造技术的发展，包括铸造、成形、焊接和防腐蚀等工艺。
其中确保齿轮箱表面、法兰、悬挂等关键部位没有过度收缩气孔、缩孔等缺陷，以满足铸件射线检测的内部质量要求。
对于易产生针孔缺陷的铝合金铸件，要求加工表面和非加工表面具有较高的防孔要求。
在生产高速列车动车组的铝合金齿轮箱时，常见的铸造缺陷包括气孔、针孔和缩孔。
为了消除这些气孔，需要采取两项措施，前提是控制造型砂的气体产生含量。
首先应通过开设更多的通气孔和挖空外部造型的泥炭芯改善内部导流和浇口附近的通气情况。
再加上使用具有较高热导率的涂层来减少砂表面空隙，以保证涂层的厚度。
适当增加充填压力和保持压力，以增加气体进入金属液体的阻力。
消除针孔的关键主要依赖于液态铝中氢含量的控制。
通过精炼工艺可以减少液态铝中的氧化夹杂物和氢含量，从而有效减少针孔的形成倾向。
对于齿轮箱顶部的缩孔问题，通过使用MAGMAsoft进行凝固过程模拟，证明了优化冷却块和浇注系统定位，以确保合理的温度分布下顶部浇冒孔的供料通道畅通。
生产头部车厢前面板的方法有四种不同的技术可供选择。
其中最常用的是锤击成形，利用锤击机方便地制造目标形状。
然而由于锤击成形的产品尺寸公差很大程度上依赖于工人的经验，所以在将面板安装在结构框架上后，对几何特征的进一步修改只能通过使用锤子等手工工具来完成。
这种手工过程几乎无法实现制造部件的高重复性。
第二种技术是扩展-拉伸成形工艺。
它适用于具有曲线轮廓的面板，但仅限于一定程度。
除此之外还使用旋转压力机来制造具有小且均匀曲率的面板，而对于具有复杂和小曲率的面板，则采用了一种称为模具压制的工艺。
而搅拌摩擦焊接头的缺陷主要包括孔洞、未焊接的接头、翻边和槽口。
这些缺陷主要是由于在焊接过程中，焊缝金属的不同部分经历了不同的热机械过程，从而导致过热或塑性材料流动不足。
焊缝的顶部同时受到搅拌针和轴肩的强烈摩擦和搅拌效应的影响，即使焊接速度很高或搅拌头速度不够高，仍然能够确保一定的热输入并形成无缺陷的连接。
它的中部热输入少于顶部，但热输出也少于顶部和底部，因此总吸热量大于顶部和底部，材料的软化程度最高。
其中激光-MIG焊接是一种新的焊接技术，具有广阔的发展前景。
激光-MIG混合焊接技术有机地结合了激光焊接技术和MIG焊接技术，克服了彼此的缺点，有利于获得高质量的焊接接头。
与MIG焊接相比，激光-MIG焊接的焊接池更小。
相对于MIG焊接，激光-MIG焊接的热输入较低，热影响区较小，工件变形也较小。
基于集中热源、较强穿透力和电弧填丝焊接的特点，通过实验优化和验证，对激光-MIG混合焊接的接头和凹槽进行了新设计。
与传统的MIG焊接相比，激光-MIG混合焊接的上部凹槽角度较小，深度较小。
防腐蚀工艺列车运行速度的增加使其在几个小时内经历了不同环境的考验。
当列车从内陆到沿海城市、从高纬度到低纬度、从低海拔到高海拔时，环境变化非常复杂。
天气可能从晴朗变成多雨。
温度可能从零下变成40摄氏度。
湿度可能从非常干燥变成非常潮湿。
空气可能从清新干净变成污染的，含有灰尘、氧化硫、氧化氮或氯离子。
这些成分会导致铝合金腐蚀，对列车的安全性和长期可靠性产生不利影响，尤其是当列车以超过200公里/小时的速度行驶时。
众所周知铝在大气环境中能够形成钝化膜，具有良好的耐腐蚀性能。
然而合金元素和恶劣的环境因素也会威胁到其腐蚀抗性。
对于铁路车辆，采用有机涂层系统来保护铝免受腐蚀。
为了应对不同的环境，外表面的涂层系统与内表面的涂层系统是不同的。
外表面的涂层系统用于抵御恶劣的自然环境，而内表面的涂层则处理冷凝水和洗车间的渗水。
因此外表面的涂层系统对要求更高。
它需要经过一系列加速腐蚀测试，包括盐雾测试、湿热测试和高低温测试。
外表面的涂层系统包括喷砂预处理、环氧底漆、聚氨酯填补胶、聚氨酯中间层、聚氨酯面漆和清漆。
结合铝合金的独特特性，从中体现出在高速列车上常用的典型高强度铝合金。
通过对铸造、成形、焊接和防腐等关键制造技术进行分析。
希望这项技术创新能持续为人类文明做出贡献。
参考文献：[1] 6005A铝合金挤压型材热处理工艺研究[J]. 王彦俊;孙巍;李鹏伟;李延军;刘兆伟;曹振华.轻合金加工技术,2012(07)[2] 基于现场实测的轨道交通车辆基地大型车库岗位空调室内计算参数监测研究[J]. 汤高辉;郑晋丽;许建丰;唐钺.隧道与轨道交通,2022(04)[3] 基于现场实测的轨道交通车辆基地大型车库岗位空调室内计算参数监测研究[J]. 汤高辉;郑晋丽;许建丰;唐钺.隧道与轨道交通,2022(04)[4] 基于大数据云平台的轨道交通车辆装备远程运维服务新模式探讨[J]. 路瑶;雷银亮;徐培丽;唐玉强.交通世界,2022(09)[5] 全自动无人驾驶轨道交通车辆技术研究[J]. 吕元颖.上海电气技术,2021(04)