CN109866789B - 一种轨道列车车体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种轨道列车车体及其制造方法

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。

欧洲专利申请号为EP 1057574B1专利技术主要涉及一种内外两侧都采用FSW方式的结构，其内侧焊缝由于无筋板支撑，可双轴肩FSW方式，外侧左右两道FSW接头处下方均有筋板，只能采用单轴肩FSW方式。该方案在焊接下方这道焊缝时要增加额外的夹紧固定工装，生产效率低；焊接上方两道时，由于上方筋板位于节点处，不便加工，为保证与连接板的对接间隙，只能对连接板进行修模，对接间隙难以保证，操作性差。

此外，目前国内外尚未有对整车大部件内外两侧连接均采用双轴肩FSW方式。

发明内容

本发明旨在提供一种轨道列车车体及其制造方法，该车体可以解决如下问题：

1）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。

2）轻量化车体的焊接变形问题，尤其是底架与侧墙、侧墙与车顶间的通长焊缝的焊接变形问题。

3）整车组焊过程中，单轴肩FSW需要复杂的夹具固定工装，且在有的部位几乎没有空间布置工装。单轴肩FSW需要一定轴向压力，轴向压力的范围不能过大或过小，轴向压力过大易导致搅拌头下扎，损伤母材，轴向压力过小，母材金属搅拌不充分易导致隧道缺陷的产生。随着压入量的增大，越容易产生飞边。

4）双轴肩FSW焊接过程要求板对齐固定以及焊缝自动跟踪的问题。

5）由于门洞的存在，且门洞下表面一般要和底架地板上表面对齐，因此侧墙和底架的连接一般设置在底架地板的上方，导致侧墙和底架的焊缝在门洞处需打断，不能通长布置，而门洞处通常设置了上下方向的门立柱，这给整车FSW的施焊，尤其是双轴肩FSW实施带来巨大困难。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种轨道列车车体，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；其结构特点是：

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；

位于门洞上方的所述侧顶连接型材用来连接车顶和侧墙，所述侧底连接型材用来连接侧墙和底架，该侧底连接型材设置在底架地板型材上方；所述独立门角位于侧底连接型材的两端，并用来连接侧墙、底架以及侧底连接型材；

优选所述纳米陶瓷铝合金为纳米TiB2颗粒强化6XXX系铝合金，更优选为纳米TiB2颗粒强化6005A铝合金。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述车顶，侧墙和底架均由若干块型材单元拼焊而成，在拼焊的焊接接头处具有导向对接结构，该导向对接结构使得焊接接头处的两块待焊接的型材单元对齐，所述对齐为错边量不大于0.3mm；优选所述焊接接头处的下方设置了中空结构。更优选地，所述导向对接结构包括设置在两块待焊接型材单元中第一型材焊接单元端部的焊接支撑上凸结构，两块待焊接型材单元中第二型材焊接单元端部的焊接支撑下凹结构，所述第一型材焊接单元的焊接支撑上凸结构与第二型材焊接单元的焊接支撑下凹结构对接啮合；优选所述第一型材焊接单元的焊接支撑上凸结构与第二型材焊接单元的焊接支撑下凹结构之间设有焊接支撑间隙；更优选所述焊接支撑间隙不超过0.2mm。

优选地，所述门立柱型材的最下端不超过侧底连接型材的区域，为后续侧墙和底架之间的双轴肩FSW施焊搅拌头提供进入空间。

优选地，所述车顶与侧墙的内侧主要由车顶边梁型材的端部接头和侧墙上梁型材的端部接头通过FSW方式连接；所述车顶与侧墙的外侧主要分别由车顶边梁型材的端部接头与侧顶连接型材的端部接头，以及侧顶连接型材的端部接头与侧墙上梁型材的端部接头通过FSW方式连接；优选所述车顶边梁型材在焊接接头处的两个端部接头设置定位机构，所述侧墙上梁型材在焊接接头处的两个端部接头设置定位机构，该定位机构分别与呈“工”字结构的侧顶连接型材的搭接筋板搭接相连；优选所述定位机构设置为十字筋板；更优选所述车顶边梁型材在焊接接头处的端部接头、侧墙上梁型材在焊接接头处的端部接头、以及侧顶连接型材在焊接接头处的端部接头均处在空腔处。

优选地，所述侧顶连接型材嵌入车顶与侧墙的连接处；所述车顶边梁型材的端部接头、侧顶连接型材的端部接头与侧墙上梁型材的端部接头处于同一个平面；所述侧顶连接型材的搭接筋板与车顶边梁型材的十字筋板以及侧墙上梁型材的十字筋板相接触。

优选地，所述侧墙与底架的内侧主要由侧墙板型材的端部接头和底架边梁型材的端部接头通过FSW方式连接；所述侧墙与底架的外侧分别主要由侧墙板型材的端部接头与侧底连接型材的端部接头，以及侧底连接型材的端部接头与底架边梁型材的端部接头通过FSW方式连接；优选所述侧墙板型材在焊接接头处的两个端部接头设置定位机构，所述底架边梁型材在焊接接头处的两个端部接头设置定位机构，该定位机构分别与呈“工”字结构的侧底连接型材中搭接筋板搭接相连；优选所述定位机构设置为十字筋板；更优选所述侧墙板型材在焊接接头处的端部接头、底架边梁型材在焊接接头处的端部接头、以及侧底连接型材在焊接接头处的端部接头均处在空腔处。

优选地，所述侧底连接型材嵌入侧墙与底架的连接处；所述侧墙板型材的端部接头、侧底连接型材的端部接头与底架边梁型材的端部接头处于同一个平面；所述侧底连接型材的搭接筋板与底架边梁型材的十字筋板以及侧墙板型材的十字筋板相接触。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种所述轨道列车车体的制造方法，其包括如下步骤：

1）制造出独立门角，将车顶边梁型材，空调板型材，圆弧车顶型材组焊出车顶，将侧墙板型材，门立柱型材，侧墙上梁型材组焊出侧墙，将底架边梁型材，底架地板型材组焊成底架的主要承载结构；优选若干块侧墙板型材之间的拼接、若干块底架地板型材之间的拼接、若干块空调板型材之间的拼接、以及若干块圆弧车顶型材之间的拼接采用FSW方式，更优选采用双轴肩FSW方式；

2）将车顶、侧墙及底架支撑并固定住，完成车体的预组装，再分别完成车体内侧端部接头的连接界面、以及内侧端部接头的连接界面的施焊；

3）将侧顶连接型材嵌入车顶边梁型材的端部接头和侧墙上梁型材的端部接头之中，将侧底连接型材分别嵌入侧墙板型材的端部接头和底架边梁型材的端部接头之中，完成车体外侧的FSW施焊；

4）对侧墙及底架的外侧施焊完后，将独立门角嵌入门洞的两侧下门角，然后实施焊接；

5）完成车体主结构的组焊后，再完成各设备安装座的组装与焊接，最终完成车体制造。

在步骤2）之后，步骤3）之前，还包括修配步骤：根据侧顶连接型材、侧底连接型材的宽度，对车体外侧的车顶边梁型材的端部接头、侧墙上梁型材的端部接头、侧墙板型材的端部接头和底架边梁型材的端部接头进行修配，保证车顶边梁型材的端部接头和侧顶连接型材的端部接头之间的间隙、侧墙上梁型材的端部接头和侧顶连接型材的端部接头之间的间隙、以及侧墙板型材的端部接头和侧底连接型材的端部接头之间的间隙、底架边梁型材的端部接头和侧底连接型材的端部接头之间的间隙均不大于0.5mm。

由此，本发明的车体主结构采用纳米陶瓷铝合金挤压型材，利用纳米陶瓷铝合金新材料的高强度、高刚度、高阻尼、耐高温等优越性能，结合轨道列车车体的结构特点，开发一种新型车体，解决车体进一步轻量化以及其他整体性能提高的问题。

本发明的车体结构及其制造方法有以下创新点：

1）车体为整体承载的全焊接轻量化结构，车体主要型材及门角都采用纳米陶瓷铝合金材料。

2）车体整车大部件包括底架、侧墙、车顶之间内、外两侧的通长焊缝均采用双轴肩FSW方式，设置了只从车体外侧便可完成内、外两侧施焊的焊接接头形式。

3）车体大部件间的搅拌摩擦焊接头设置了特殊筋板作为导向机构和支撑结构。

4）提供了克服轻量化车体焊接易变形、克服门洞处施焊困难，且有利于提供车体焊缝强度的制造方法。

通过对轨道列车车体结构的创新设计，与现有技术相比，本发明的轨道列车车体及其制造方法具有以下效果或特点：

1）纳米陶瓷铝合金密度较小，比强度、比刚度高。纳米陶瓷铝合金材质的轨道列车车体在目前传统轻量化铝合金车体基础上自重可再减少15%以上。

2）车体防火性能、减振性能比传统铝合金车体得到较大提高。

3）车体结构及焊缝疲劳性能提高。

4）底架、侧墙、车顶之间的通长焊缝可以只从车体外侧完成内、外表面的进行焊接，操作较简单。

5）提供的车体制造方法具有高效、绿色、变形量小，焊缝质量好、可操作性好、成本较低等特点。

6）实现整车采用FSW技术，侧墙外侧的可视面非常平整，为制造更加绿色环保的免涂装车体提供了良好基础。

附图说明

图1是本发明一种实施例的车体结构示意图；

图2是本发明所述车体断面示意图；

图3是本发明所述焊接接头Ⅰ（图2中放大图Ⅱ）；

图4是本发明所述焊接接头Ⅱ（图2中放大图Ⅲ）；

图5是本发明所述焊接接头Ⅲ（图2中放大图Ⅳ）；

图6是本发明所述焊接接头Ⅳ（图2中放大图Ⅴ）；

图7是本发明所述焊接接头Ⅴ（图2中放大图Ⅵ）；

图8是本发明所述双轴肩FSW内侧焊接示意图一；

图9是本发明所述双轴肩FSW外侧焊接示意图二；

图10是本发明所述双轴肩FSW外侧焊接示意图；

图11是本发明所述独立门角组装示意图（图1中放大图Ⅰ）；

图12是本发明所述制造步骤流程图。

在图中：

车体-1；车顶-2；车顶边梁型材-21；空调板型材-22；圆弧车顶型材-23；侧墙-3；侧墙板型材-31；门立柱型材-32；侧墙上梁型材-33；门洞-34；底架-4；底架边梁型材-41；底架地板型材-42；侧顶连接型材-5；侧底连接型材-6；独立门角-7；FSW焊接设备-8；型材筋板-2a，3a，4a，41d；端部接头-2a1，3a1，4a1，5a1，5b1，a1，6b1，21a1，21b1，31a1，31b1，33a1，33b1，41a1，41b1；焊接支撑上凸结构-2a2，3a2，4a2；焊接支撑下凹结构-2b2，3b2，4b2；焊接支撑间隙-2h，3h，4h；搭接筋板-5c，6c；十字筋板-21c，31c，33c，41c。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种轨道列车车体，如图1、图2所示：车体1主要由车顶2，侧墙3，底架4，侧顶连接型材5，侧底连接型材6，独立门角7构成的主体结构。车顶2和侧墙3、侧墙3和底架4之间的连接采用双轴肩FSW方式。可提高焊缝的质量及强度性能，可极大减少焊接变形，消除车体筋板减薄以及筋板密度降低带来焊接变形增大的影响。

车顶2主要由车顶边梁型材21，空调板型材22和圆弧车顶型材23组焊而成。侧墙3主要由侧墙板型材31，门立柱型材32和侧墙上梁型材33构成整体式结构。底架4由位于两侧的底架边梁型材41和中间位置的底架地板型材42等部件组焊而成。侧顶连接型材5用来连接车顶2和侧墙3，且设置在距门洞34有一定距离的上方，可以车体方向通长布置，避免门洞断开处影响正常施焊。侧底连接型材6用来连接侧墙3和底架4，由于门洞34下表面一般要和底架4的底架地板型材42上表面对齐，因此侧底连接型材6设置在底架地板型材42上方，在门洞34处是打断状态，不能通长布置，为此，门立柱型材32的最下端不超过侧底连接型材6的区域，为后续侧墙3和底架4之间的双轴肩FSW施焊提供搅拌头的进入空间。独立门角7位于侧底连接型材6的两端，同时连接侧墙3、底架4以及侧底连接型材6，用来加强发生结构应力突变的门洞34角落部位。

车体主体结构采用纳米陶瓷铝合金材质，优先采用原位生成的纳米TiB2颗粒增强铝合金，尤其是纳米TiB2颗粒强化6005A铝合金。通过原位生成的纳米颗粒增强铝基复合材料，由于其纳米增强体颗粒是通过化学反应从铝基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此增强体表面无污染，无界面反应，结合强度高，因而其具有高的比强度、比模量，出色的抗疲劳能力，良好的耐热性、耐腐蚀性等，且可通过熔体反应法直接合成，成本大幅降低。

车体主要由挤压型材组焊而成，部分加强结构及安装座由板材、锻件或铸件制成。车体型材所用的纳米TiB2颗粒强化6005A铝合金的材料性能可通过调节TiB2的成分含量（1%-20%）来控制其化学成分、焊接性能与车体常用的6005A类似，可减少车体加工制造及使用风险，同时合理设计其强度、刚度性能，使其适用于轨道车体轻量化需求。具体来讲，车体型材所用的纳米TiB2颗粒强化6005A铝合金的屈服强度值宜为250-400MPa，弹性模量E宜为70-90GPa。

由于纳米陶瓷铝合金的强度高于传统铝合金（215MPa），在车体强度要求不变的情况下，车体型材可适当减薄，车体可整体减重15%以上。且由于纳米陶瓷铝合金的熔点比传统铝合金更高，型材挤压时熔融温度，增加挤压流动性，最小筋板厚度比目前的1.8mm可进一步减薄，提高车体的轻量化程度。

图3-图5是本发明大长板间采用的搅拌摩擦焊焊接接头结构。图3是焊接接头Ⅰ（图2中放大图Ⅱ），图4是焊接接头Ⅱ（图2中放大图Ⅲ），图5是焊接接头Ⅲ（图2中放大图Ⅳ），焊接接头Ⅰ、焊接接头Ⅱ及焊接接头Ⅲ的FSW接头结构都设置了焊接支撑上凸结构2a2， 3a2，4a2和焊接支撑下凹结构2b2，3b2，3b2，在型材间拼焊时上凸结构和下凹结构能相互啮合，并能承受一定的搅拌头搅拌过程中的轴向压力，有利于保证端部接头2a1，3a1，4a1分别与端部接头2b1，3b1，4b1对齐，错边量不大于0.3mm，且焊接支撑间隙2h，3h，4h控制在0.2mm以内。

焊接接头Ⅰ、焊接接头Ⅱ及焊接接头Ⅲ并不限定用于图2中对应的圆弧车顶型材23、侧墙板型材31以及底架地板型材42，可在不同的结构中相互替换。但是其适用的范围有优先顺序，如焊接接头Ⅰ更适用于高度为15-20mm的型材结构。焊接接头Ⅱ更适用于高度大于30mm的型材结构。焊接接头Ⅲ在独立门角7的端部接头7a1，7b1下方均设置了中空结构，适合采用双轴肩焊接方式。

图6是焊接接头Ⅳ（图2中放大图Ⅴ），车顶2与侧墙3的连接主要通过内外两侧的FSW方式连接，内侧由车顶边梁型材21的端部接头21b1和侧墙上梁型材33的端部接头33a1通过FSW方式连接。外侧分别由车顶边梁型材21的端部接头21a1与侧顶连接型材5的端部接头5b1，以及侧顶连接型材5的端部接头5a1与侧墙上梁型材33的端部接头33b1通过FSW方式连接。车顶边梁型材21在端部接头21a1和端部接头21b1设置十字筋板21c，在侧墙上梁型材33端部接头33a1和端部接头33b1中设置十字筋板33c，分别与呈“工”字结构的侧顶连接型材5中的搭接筋板5c搭接相连。车顶边梁型材21的端部接头21b1和侧墙上梁型材33的端部接头33a1、车顶边梁型材21的端部接头21a1和侧顶连接型材5的端部接头5b1以及侧顶连接型材5的端部接头5a1和侧墙上梁型材33的端部接头33b1都处在空腔处，以确保上下双轴肩的工作空间。

图7是焊接接头Ⅴ（图2中放大图Ⅵ）示意图，侧墙3与底架4的连接主要通过内外两侧的FSW方式连接，侧墙3与底架4的内侧由侧墙板型材31的端部接头31b1和底架边梁型材41的端部接头41a1通过FSW方式连接。侧墙3与底架4的外侧分别由侧墙板型材31的端部接头31a1与侧底连接型材6的端部接头6b1，以及侧底连接型材6的端部接头6a1与底架边梁型材41的端部接头44b1通过FSW方式连接。侧墙板型材31在端部接头31a1和端部接头31b1中设置十字筋板31c，底架边梁型材41在端部接头41a1和底架边梁型材41的端部接头41b1设置十字筋板41c，分别与呈“工”字结构的侧底连接型材6中搭接筋板6c搭接相连。侧墙板型材31的端部接头31b1和底架边梁型材41的端部接头41a1、侧墙板型材31的端部接头31a1和侧底连接型材6的端部接头6b1以及侧底连接型材6的端部接头6a1和底架边梁型材41的端部接头41b1都处在空腔处，以确保上下双轴肩的工作空间。

图8和图9是双轴肩FSW内侧焊接示意图，其中y方向为车体的宽度方向，z方向为车体的高度方向。图8-图10描述的是车顶2与侧墙3的连接，侧墙3与底架4的连接类似，一般而言，所述侧底连接型材6嵌入侧墙3与底架4的连接处；所述侧墙板型材31的端部接头、侧底连接型材6的端部接头与底架边梁型材41的端部接头处于同一个平面；所述侧底连接型材6的搭接筋板与底架边梁型材41的十字筋板以及侧墙板型材31的十字筋板相接触。

车顶2与侧墙3焊接时，先利用双轴肩FSW搅拌头从车体1的外部对内侧车顶边梁型材21的端部接头21b1，侧墙上梁型材33的端部接头33a1进行施焊。与FSW搅拌头同步平移运动x向的还有固定在FSW焊接设备8上的导向机构。焊接过程中，导向机构不仅能提供一个跟踪体便于FSW搅拌头始终在对接间隙处工作，同时避免在接头处布置复杂的固定支撑和夹具，极大提高了焊接效率和降低了成本。

图10是双轴肩FSW外侧焊接示意图。焊完内侧后，为了消除前期的焊接变形，需要对外侧车顶边梁型材21的端部接头21a1，侧墙上梁型材33的端部接头33b1进行修配对齐，以保证与侧顶连接型材5的端部接头5b1、5a1对接间隙不大于0.5mm。修配之后，把侧顶连接型材5嵌入车顶2与侧墙3的连接处，使端部接头21a1，侧顶连接型材5的端部接头5b1，侧顶连接型材5的端部接头5a1，侧墙上梁型材33的33b1处在同一个平面，侧顶连接型材5的搭接筋板5c与车顶边梁型材21的十字筋板21c以及侧墙上梁型材33的十字筋板33c相接触，在焊接过程起到支撑作用，利于外侧的端部接头21a1，侧墙上梁型材33的端部接头33b1之间对齐，保证对接错边量不大于0.3mm。后续焊接时分别对车顶边梁型材21的端部接头21a1与侧顶连接型材5的端部接头5b1连接界面，以及侧顶连接型材5的端部接头5a1与侧墙上梁型材33的端部接头33b1连接界面进行施焊。

图11是独立门角组装示意图（图1中放大图Ⅰ）。独立门角7在侧底连接型材6与侧墙3、底架4焊接完后再装车组焊，是为了使FSW搅拌头在跨越门洞34时能直线向前运动，顺利从端头进入下一段侧墙3与底架4的空腔之中，方便双轴肩FSW焊接设备8从车头到车尾x方向（即车体的长度方向为x方向）能无遮挡施焊。在完成侧墙3与底架4的焊接之后，再把独立门角7嵌入门立柱型材32下方，并完成其与门立柱型材32、侧底连接型材6、底架边梁型材41以及侧墙板型材31之间的焊缝连接。锻造的独立门角7圆弧面以及各面都可自由设置板厚，有足够的强度满足门洞34的缺口效应带来的结构刚度应力突变影响，同时还能对门立柱型材32、侧墙板型材31以及底架边梁型材41的外露型腔起到密封作用。

图12是制造步骤流程图，具体制造步骤如下：

S1：将铝锭熔化，加入Mg元素，并添加由KFB4、K2TiF6陶瓷粉末均匀混合的混合盐，搅拌使混合盐与熔体发生反应，取出反应副产物，除气精炼，烧注成铸坯。为阻止陶瓷颗粒的晶粒长大，可在熔铸过程加入微量的稀土元素比如Sc，也可少量加入其它金属元素。

S2：将适用于挤压的铸坯做成圆柱形铸锭，加热至450-550℃，通过定制的模具进行挤压成陶瓷铝合金型材产品，再进行固溶和时效热处理。型材断面的最大外截圆直径一般在600mm以内。

S3：将适用于锻造的铸坯通过锻压制造出特定形状的锻造毛坯。

S4：将锻造毛坯进行精加工，制造出独立门角7。

S5：将车顶边梁型材21，空调板型材22，圆弧车顶型材23组焊出车顶2，其中若干块空调板型材22，圆弧车顶型材23之间的拼接采用FSW方式；

将侧墙板型材31，门立柱型材32，侧墙上梁型材33组焊出侧墙3，其中若干块侧墙板型材31之间的拼接采用FSW方式；

将底架边梁型材41，底架地板型材42组焊成底架4的主要承载结构，其中若干块底架地板型材42之间的拼接采用FSW方式，优先采用双轴肩FSW方式。

S6：用工装将车顶2、侧墙3及底架4支撑并固定住，完成车体1的预组装。然后再分别完成车体1内侧车顶边梁型材21的端部接头21b1，侧墙上梁型材33的端部接头33a1连接界面，以及内侧侧墙板型材31的端部接头31b1，底架边梁型材41的端部接头41a1连接界面的施焊。

S7：根据侧顶连接型材5、侧底连接型材6的宽度，可把双轴肩FSW搅拌头替换为铣刀，对车体1外侧的车顶边梁型材21的端部接头21a1、侧墙上梁型材33的端部接头33b1、侧墙板型材31的端部接头31a1和底架边梁型材41的端部接头41b1进行修配，保证车顶边梁型材21的端部接头21a1和侧顶连接型材5的端部接头5b1之间的间隙、侧墙上梁型材33的端部接头33b1和侧顶连接型材5的端部接头5a1之间的间隙、以及侧墙板型材31的端部接头31a1和侧底连接型材6的端部接头6b1之间的间隙、底架边梁型材41的端部接头41b1和侧底连接型材6的端部接头6a1之间的间隙均不大于0.5mm。

S8：把侧顶连接型材5、侧底连接型材6分别嵌入车顶边梁型材21的端部接头21a1，侧墙上梁型材33的端部接头33b1以及侧墙板型材31的端部接头31a1，底架边梁型材41的端部接头41b1之中，完成外侧的FSW施焊。

S9：对侧墙3及底架4的外侧焊缝实施完后，再把独立门角7嵌入门洞34的两侧下门角，然后实施焊接。

S10：完成车体主结构的组焊后，再完成其它设备安装座等附件的组装与焊接，最终完成车体制造。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围。

Claims (23)

1.一种轨道列车车体，包括由车顶（2），侧墙（3），底架（4），侧顶连接型材（5），侧底连接型材（6）和独立门角（7）构成的主体结构；其特征在于：

所述车顶（2）主要由车顶边梁型材（21），空调板型材（22）和圆弧车顶型材（23）组焊而成；所述侧墙（3）主要由侧墙板型材（31），门立柱型材（32）和侧墙上梁型材（33）组焊而成；所述底架（4）主要由位于两侧的底架边梁型材（41）和中间位置的底架地板型材（42）组焊而成；

所述车顶边梁型材（21）、侧墙板型材（31）、底架边梁型材（41）、底架地板型材（42）、独立门角（7）均采用纳米陶瓷铝合金材质制成；

所述车顶（2）和侧墙（3）之间、侧墙（3）和底架（4）之间均采用双轴肩FSW方式连接；

位于门洞（34）上方的所述侧顶连接型材（5）用来连接车顶（2）和侧墙（3），所述侧底连接型材（6）用来连接侧墙（3）和底架（4），该侧底连接型材（6）设置在底架地板型材（42）上方；所述独立门角（7）位于侧底连接型材（6）的两端，并用来连接侧墙（3）、底架（4）以及侧底连接型材（6）。

2.根据权利要求1所述的轨道列车车体，其特征在于，所述纳米陶瓷铝合金为纳米TiB2颗粒强化6XXX系铝合金。

3.根据权利要求2所述的轨道列车车体，其特征在于，所述纳米陶瓷铝合金为纳米TiB2颗粒强化6005A铝合金。

4.根据权利要求1所述的轨道列车车体，其特征在于，所述车顶（2），侧墙（3）和底架（4）均由若干块型材单元拼焊而成，在拼焊的焊接接头处具有导向对接结构，该导向对接结构使得焊接接头处的两块待焊接的型材单元对齐，所述对齐为错边量不大于0.3mm。

5.根据权利要求4所述的轨道列车车体，其特征在于，所述焊接接头处的下方设置了中空结构。

6.根据权利要求4所述的轨道列车车体，其特征在于，所述导向对接结构包括设置在两块待焊接型材单元中第一型材焊接单元端部的焊接支撑上凸结构，两块待焊接型材单元中第二型材焊接单元端部的焊接支撑下凹结构，所述第一型材焊接单元的焊接支撑上凸结构与第二型材焊接单元的焊接支撑下凹结构对接啮合。

7.根据权利要求6所述的轨道列车车体，其特征在于，所述第一型材焊接单元的焊接支撑上凸结构与第二型材焊接单元的焊接支撑下凹结构之间设有焊接支撑间隙。

8.根据权利要求7所述的轨道列车车体，其特征在于，所述焊接支撑间隙不超过0.2mm。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的轨道列车车体，其特征在于，所述门立柱型材（32）的最下端不超过侧底连接型材（6）的区域，为后续侧墙（3）和底架（4）之间的双轴肩FSW施焊搅拌头提供进入空间。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的轨道列车车体，其特征在于，所述车顶（2）与侧墙（3）的内侧主要由车顶边梁型材（21）的端部接头和侧墙上梁型材（33）的端部接头通过FSW方式连接；

所述车顶（2）与侧墙（3）的外侧主要分别由车顶边梁型材（21）的端部接头与侧顶连接型材（5）的端部接头，以及侧顶连接型材（5）的端部接头与侧墙上梁型材（33）的端部接头通过FSW方式连接。

11.根据权利要求10所述的轨道列车车体，其特征在于，所述车顶边梁型材（21）在焊接接头处的两个端部接头设置定位机构，所述侧墙上梁型材（33）在在焊接接头处的两个端部接头设置定位机构，该定位机构分别与呈“工”字结构的侧顶连接型材（5）的搭接筋板搭接相连。

12.根据权利要求11所述的轨道列车车体，其特征在于，所述定位机构设置为十字筋板。

13.根据权利要求11所述的轨道列车车体，其特征在于，所述车顶边梁型材（21）在焊接接头处的端部接头、侧墙上梁型材（33）在焊接接头处的端部接头、以及侧顶连接型材（5）在焊接接头处的端部接头均处在空腔处。

14.根据权利要求10所述的轨道列车车体，其特征在于，所述侧顶连接型材（5）嵌入车顶（2）与侧墙（3）的连接处；所述车顶边梁型材（21）的端部接头、侧顶连接型材（5）的端部接头与侧墙上梁型材（33）的端部接头处于同一个平面；所述侧顶连接型材（5）的搭接筋板与车顶边梁型材（21）的十字筋板以及侧墙上梁型材（33）的十字筋板相接触。

15.根据权利要求1-8中任一项所述的轨道列车车体，其特征在于，所述侧墙（3）与底架（4）的内侧主要由侧墙板型材（31）的端部接头和底架边梁型材（41）的端部接头通过FSW方式连接；

所述侧墙（3）与底架（4）的外侧分别主要由侧墙板型材（31）的端部接头与侧底连接型材（6）的端部接头，以及侧底连接型材（6）的端部接头与底架边梁型材（41）的端部接头通过FSW方式连接。

16.根据权利要求15所述的轨道列车车体，其特征在于，所述侧墙板型材（31）在焊接接头处的两个端部接头设置定位机构，所述底架边梁型材（41）在焊接接头处的两个端部接头设置定位机构，该定位机构分别与呈“工”字结构的侧底连接型材（6）中搭接筋板搭接相连。

17.根据权利要求16所述的轨道列车车体，其特征在于，所述定位机构设置为十字筋板。

18.根据权利要求16所述的轨道列车车体，其特征在于，所述侧墙板型材（31）在焊接接头处的端部接头、底架边梁型材（41）在焊接接头处的端部接头、以及侧底连接型材（6）在焊接接头处的端部接头均处在空腔处。

19.根据权利要求15所述的轨道列车车体，其特征在于，所述侧底连接型材（6）嵌入侧墙（3）与底架（4）的连接处；所述侧墙板型材（31）的端部接头、侧底连接型材（6）的端部接头与底架边梁型材（41）的端部接头处于同一个平面；所述侧底连接型材（6）的搭接筋板与底架边梁型材（41）的十字筋板以及侧墙板型材（31）的十字筋板相接触。

20.一种权利要求1-19中任一项所述轨道列车车体的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）制造出独立门角（7），将车顶边梁型材（21），空调板型材（22），圆弧车顶型材（23）组焊出车顶（2），将侧墙板型材（31），门立柱型材（32），侧墙上梁型材（33）组焊出侧墙（3），将底架边梁型材（41），底架地板型材（42）组焊成底架（4）的主要承载结构；

2）将车顶（2）、侧墙（3）及底架（4）支撑并固定住，完成车体（1）的预组装，再分别完成车体（1）内侧端部接头的连接界面、以及内侧端部接头的连接界面的施焊；

3）将侧顶连接型材（5）嵌入车顶边梁型材（21）的端部接头和侧墙上梁型材（33）的端部接头之中，将侧底连接型材（6）分别嵌入侧墙板型材（31）的端部接头和底架边梁型材（41）的端部接头之中，完成车体外侧的FSW施焊；

4）对侧墙（3）及底架（4）的外侧施焊完后，将独立门角（7）嵌入门洞（34）的两侧下门角，然后实施焊接；

5）完成车体主结构的组焊后，再完成各设备安装座的组装与焊接，最终完成车体制造。

21.根据权利要求20所述的轨道列车车体的制造方法，其特征在于，在步骤2）之后，步骤3）之前，还包括修配步骤：根据侧顶连接型材（5）、侧底连接型材（6）的宽度，对车体（1）外侧的车顶边梁型材（21）的端部接头、侧墙上梁型材（33）的端部接头、侧墙板型材（31）的端部接头和底架边梁型材（41）的端部接头进行修配，保证车顶边梁型材（21）的端部接头和侧顶连接型材（5）的端部接头之间的间隙、侧墙上梁型材（33）的端部接头和侧顶连接型材（5）的端部接头之间的间隙、以及侧墙板型材（31）的端部接头和侧底连接型材（6）的端部接头之间的间隙、底架边梁型材（41）的端部接头和侧底连接型材（6）的端部接头之间的间隙均不大于0.5mm。

22.根据权利要求20所述的轨道列车车体的制造方法，其特征在于，步骤1）中若干块侧墙板型材（31）之间的拼接、若干块底架地板型材（42）之间的拼接、若干块空调板型材（22）之间的拼接、以及若干块圆弧车顶型材（23）之间的拼接采用FSW方式。

23.根据权利要求22所述的轨道列车车体的制造方法，其特征在于，步骤1）中若干块侧墙板型材（31）之间的拼接、若干块底架地板型材（42）之间的拼接、若干块空调板型材（22）之间的拼接、以及若干块圆弧车顶型材（23）之间的拼接采用双轴肩FSW方式。

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