軌道客車制造激光焊技術(shù)應(yīng)用幾何

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序言近年來，隨著人們出行品質(zhì)的提升，城市軌道交通也隨之蓬勃發(fā)展，對地鐵車輛的需求和品質(zhì)也逐步提升。不銹鋼材料具有強(qiáng)度高、焊接性能好、易冷加工、價格低廉等特點(diǎn)，符合軌道車輛的選材標(biāo)準(zhǔn)，因此不銹鋼材質(zhì)地鐵車輛更是地鐵市場領(lǐng)域的重要構(gòu)成部分，特別是在國際地鐵車輛市場上，不銹鋼車身的地鐵更是占據(jù)了主導(dǎo)地位。不銹鋼地鐵車體材料通常采用SUS301L系列奧氏體不銹鋼板，由于不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小而線脹系數(shù)大，所以不銹鋼車體多采用電阻點(diǎn)焊工藝。由于不銹鋼車體不需要涂裝，因而對車體的表面質(zhì)量要求較高。電阻點(diǎn)焊雖然有效減小了車體的焊接變形，但焊點(diǎn)處存在明顯的壓痕，降低了車體外觀質(zhì)量。為此，不銹鋼車體側(cè)墻采用部分熔透型激光疊焊成為國內(nèi)外軌道車輛制造行業(yè)研發(fā)推廣應(yīng)用的新技術(shù)。目前，我公司使用的部分熔透型激光疊焊技術(shù)已較成熟。國外日本、韓國也開始采用激光焊技術(shù)生產(chǎn)軌道車輛，歐洲的德國、法國也在軌道車輛生產(chǎn)中采用激光焊技術(shù)。2

激光疊焊技術(shù)激光焊具有焊接速度高、熱輸入量小、熱影響區(qū)小、工件變形小的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的產(chǎn)品制造，在軌道客車行業(yè)作為不銹鋼和碳素鋼車體長大側(cè)墻板拼焊也有15年的成熟應(yīng)用。隨著自動化技術(shù)的日趨成熟及激光焊接功率精確控制技術(shù)的完善，以及沖壓工藝制造技術(shù)的逐步提高，為軌道車輛行業(yè)開發(fā)不銹鋼車體部分熔透型激光搭接疊焊技術(shù)提供了可行性和穩(wěn)定可靠的支撐，主要形式為激光束照射在外墻板內(nèi)側(cè)搭接的補(bǔ)強(qiáng)骨架上或其他需要與墻板連接的工件，通過控制焊接參數(shù)使激光束貫穿補(bǔ)強(qiáng)板或者其他工件，而在熔入外墻板某一深度時中止，如圖1所示。圖1

激光疊焊原理

通過圖2可以直觀地看到激光疊焊焊縫斷面形貌。圖2

激光疊焊斷面由于激光疊焊側(cè)墻外板表面沒有明顯的焊接痕跡，其痕跡對外觀的影響也可忽略不計(jì)，所以改善了車體的表面質(zhì)量，激光疊焊外觀效果如圖3所示。另外，通過激光焊焊縫和電阻點(diǎn)焊焊縫的強(qiáng)度綜合分析比較，激光焊焊縫的強(qiáng)度高于點(diǎn)焊30%左右，在等強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的情況下可降低車體自身的重量，從而優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到了不銹鋼車輛輕量化的追求目標(biāo)，提升了產(chǎn)品的競爭能力；同時，激光焊的焊接效率也遠(yuǎn)大于電阻點(diǎn)焊，提升了生產(chǎn)制造的工作效率。另外激光焊焊縫具有連續(xù)性，能夠使車輛的密封性、隔音降噪性得到顯著的提高，從而提升旅客乘坐車輛的舒適性，提高了公司產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。圖3

激光疊焊外觀效果激光疊焊技術(shù)對車體外板熔深的控制精度要求很高，若熔深過大，則不能保證車體表面焊接痕跡明顯；若熔深過淺，則不能保證焊接強(qiáng)度且存在未熔合等質(zhì)量隱患。因此需在設(shè)備的激光功率穩(wěn)定性和運(yùn)行速度精度、沖壓零件精度、側(cè)墻組裝密貼性和工裝夾具可靠性等方面共同滿足的條件下，才能得到符合車體強(qiáng)度和外觀質(zhì)量的激光疊焊焊縫。為此，在產(chǎn)品制造工程應(yīng)用時能否滿足焊接質(zhì)量的可靠性面臨重大挑戰(zhàn)，同時在國際焊接領(lǐng)域也沒有相關(guān)特殊應(yīng)用的焊接和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)制造中各個環(huán)節(jié)的實(shí)際情況制定相應(yīng)的控制方法和管控標(biāo)準(zhǔn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。3

激光焊料件尺寸控制在激光焊使用的沖壓零件加工方面，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品板梁或帶有補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)各種梁柱尺寸的高精度配合需求，對單件尺寸精度要求會更加精準(zhǔn)，從而保證激光焊焊接質(zhì)量合格。為了達(dá)到部分熔透的激光焊要求，料件單件采用高精密數(shù)控激光切割機(jī)、折彎機(jī)、拉彎機(jī)等設(shè)備制造，保證沖壓件制造過程中各個環(huán)節(jié)的制造精度，再通過具有豐富經(jīng)驗(yàn)的工匠進(jìn)行精細(xì)調(diào)修，達(dá)到滿足激光焊工藝要求的料件，如圖4所示。圖4

沖壓梁柱斷面激光焊裝配精度對梁柱、波紋板等料件單件平面度、直線度技術(shù)要求見表1。4

激光焊設(shè)備選取依據(jù)在激光疊焊設(shè)備選擇方面，要選取激光功率穩(wěn)定（見表2），以及光束質(zhì)量高的激光器，配置適合的光纖和焊接鏡頭，匹配理想的光斑直徑作為焊接的熱源，保證焊接熱輸入的穩(wěn)定可靠；另外，還要保證激光焊設(shè)備整體焊接操作過程的運(yùn)動精度，實(shí)現(xiàn)高速焊接作業(yè)時焊接速度的穩(wěn)定均勻性，從而保證激光焊接參數(shù)的絕對可靠和穩(wěn)定。同時還對整套激光焊接系統(tǒng)的集成，包括激光器、光線、走形系統(tǒng)、控制系統(tǒng)提出了高要求、嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橐笤O(shè)備需要長期穩(wěn)定不間斷地工作，焊接接頭運(yùn)行距離長，定位重復(fù)精度高，還要實(shí)現(xiàn)對操作者的保護(hù)功能，且激光的傷害具有不可逆性，所以對人員操作激光設(shè)備的被動防護(hù)安全等級要求高。軌道系統(tǒng)車輛較汽車行業(yè)的車身長度長6~7倍，雖然是拼接式，但制造過程需要工裝夾具較多，工藝布局延長度方向一般情況下在60m左右，這就要求激光焊接系統(tǒng)每次工作的重復(fù)定位精度非常高，以免出現(xiàn)焊接位置錯誤。目前，使用過的整套伊薩激光焊接系統(tǒng)，人機(jī)交互設(shè)置友好，可實(shí)現(xiàn)快速上手，操作系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的焊接質(zhì)量。5

激光焊工藝手段控制從激光焊疊焊試驗(yàn)方面分析工藝手段，就要從焊接接頭強(qiáng)度、激光疊焊斷面形貌、疊焊裝配間隙等影響因素方面進(jìn)行系統(tǒng)的焊接試驗(yàn)和分析驗(yàn)證，從而得到一套完整的適合軌道車輛制造工程應(yīng)用的激光焊接參數(shù)。在具體車輛產(chǎn)品組裝激光焊接方面，能否保證合理的工件裝配尺寸和激光焊疊焊焊縫的密貼是完成激光疊焊的重中之重。如果無法實(shí)現(xiàn)一個產(chǎn)品工件上所有激光疊焊焊縫的密貼，也就是料件間的間隙控制，那么再好的設(shè)備和焊接參數(shù)也無法焊出滿足質(zhì)量的合格產(chǎn)品，在軌道車輛上焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)就是所有焊縫100%安全可靠。因此，在保證沖壓件精度的前提下，激光焊接工裝夾具及合理的焊接順序尤為重要。首先工裝夾具的設(shè)計(jì)需要考慮料件焊接的焊接性，不能出現(xiàn)工裝影響激光頭運(yùn)動和激光束到達(dá)料件表面的現(xiàn)象，以避免激光束能量不能全部被料件吸收，影響焊縫強(qiáng)度的問題。其次工裝夾具的設(shè)計(jì)還要求保證所有料件都要有精確定位，保證料件每次安裝位置準(zhǔn)確、重復(fù)性高，這是因?yàn)楫?dāng)激光焊接系統(tǒng)的可重復(fù)焊接位置準(zhǔn)確后，影響激光焊縫位置的因素就只有料件自身精度和工裝對料件的定位精度。工裝的設(shè)計(jì)還要考慮對整體焊接變形的控制，當(dāng)料件整體焊后變形較大，不滿足與車體鋼結(jié)構(gòu)其他大部件的組對配合要求時，該激光焊料件也會被認(rèn)為不合格。這就要求整體工裝平面精度高，一般要求整體平面度≤0.5mm。當(dāng)料件斷面尺寸為弧形時，工裝不僅要求整體平面度高，還要求整體弧度精確。通過試制3~5個料件后，統(tǒng)計(jì)測量料件焊后的整體變形趨勢和變形量，然后對工裝進(jìn)行微動調(diào)整，達(dá)到與其他車體鋼結(jié)構(gòu)大部件的匹配。料件組對要以墻板外表面作為基準(zhǔn)面，保證在整個焊接操作過程中墻板能夠密貼在工裝臺面上。在裝夾梁柱時，要通過工裝壓緊裝置或者與激光焊設(shè)備隨行的壓輪壓緊激光焊焊縫位置，保證梁柱與墻板密貼，完成設(shè)定好的激光焊操作。6

激光焊焊縫質(zhì)量檢測在質(zhì)量控制方面，由于激光焊疊焊是非熔透焊縫，從外觀檢測上無法判斷焊縫熔深是否滿足質(zhì)量要求，因此，激光焊作業(yè)生產(chǎn)全過程質(zhì)量管理尤為重要。在焊接作業(yè)生產(chǎn)前，不僅要通過激光焊接工作試件來驗(yàn)證激光焊設(shè)備功率和焊接速度等參數(shù)的穩(wěn)定性，而且試用的焊接參數(shù)應(yīng)為當(dāng)天焊接需要使用的激光參數(shù)。在焊接生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格按照工藝方法進(jìn)行組裝，在組對過程中對料件密貼性使用檢測工具檢測，以免出現(xiàn)密貼不嚴(yán)、達(dá)不到激光焊焊接要求、焊縫質(zhì)量不符合要求的情況。在焊接完成后，一方面，需要進(jìn)行必要的焊縫外觀檢查，外觀檢測分為直接人工檢測和設(shè)備檢測兩種。人工檢測通過判斷墻板保護(hù)膜的變化確定有無焊接上；另一方面，還需要采用超聲波進(jìn)行焊縫內(nèi)部的檢測，主要是熔深和熔寬檢測，最終確認(rèn)激光疊焊的焊縫熔深是否在控制范圍內(nèi)，保證焊接質(zhì)量在焊前、焊中、焊后全過程的受控，如圖5所示。圖5

激光焊超聲波檢測設(shè)備7

結(jié)束語綜上所述，激光疊焊技術(shù)在軌道車輛上的工程制造應(yīng)用，是非常復(fù)雜和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募す夂讣夹g(shù)的深層開發(fā)應(yīng)用，對整套激光焊設(shè)備系統(tǒng)的精度品質(zhì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝性、焊接件的高精度性、焊接裝配技術(shù)的成熟可靠性、滿足激光焊要求工裝設(shè)計(jì)的適用性，以及質(zhì)量全過程監(jiān)控的保證措施等方面都提出了很高的技術(shù)要求。因此，在軌道車輛制造中只有對全工藝策劃及工藝實(shí)施的精準(zhǔn)度都提出了一個更高的標(biāo)準(zhǔn)要求，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的完美和可靠，才能制造出具有國際一流水平的軌道客車，提升軌道客車整體的質(zhì)量品質(zhì)，提升中國制造軌道客車產(chǎn)品在國際上的