激光加工在軌道交通車輛制造中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉慶祝 韓鋒

一、概述

激光加工技術發(fā)展帶動了軌道客車制造水平的進步，同時軌道車輛高速和輕量化的要求也不斷給激光加工技術提供了新的課題和研究方向，帶動了產(chǎn)品結構的進步，應該說沒有現(xiàn)代化激光加工技術的應用，也不能有現(xiàn)代化多品種、多系列的高速及城市軌道客車的迅猛發(fā)展。

二、軌道車輛制造中激光加工技術應用現(xiàn)狀

1. 激光切割技術

激光切割作為一種柔性加工技術，具有高精度、高效率、熱變形小和適應性強等優(yōu)點，目前國內(nèi)外的軌道車輛制造廠家普遍采用激光加工技術進行不銹鋼、碳鋼、鋁合金等金屬板料的加工。加工的產(chǎn)品主要有車體、轉向架、內(nèi)裝部位的金屬板材零件，多數(shù)為二維平面切割，通過激光切割加工出零件的外形輪廓和孔，獲得較高的精度和切割斷面質量。激光加工采用的主要設備為各種規(guī)格的激光切割機，各廠家根據(jù)產(chǎn)能的不同，擁有多臺激光切割機。一般情況下，碳鋼和不銹鋼板普遍采用CO2激光切割機或固體激光切割機；鋁合金板采用固態(tài)激光切割機；對于10~20mm厚的碳鋼板材，普遍采用CO2激光切割機，可以達到較高的切割速度和良好的斷面切割質量。

由于激光加工技術的應用，實現(xiàn)了柔性加工，取代了大量的沖壓模具，縮短了沖壓生產(chǎn)的準備周期，節(jié)約了大量模具成本，因此激光切割已經(jīng)成為國內(nèi)外軌道車輛制造業(yè)中金屬板材下料的主要手段，如圖1、圖2所示。

圖1 激光切割打孔的零件

圖2 主要激光切割設備

評價激光切割的精度主要有三類指標：①切割斷面指標：主要有斷面粗糙度、切割斜度、掛渣及熱變形等。②幾何公差指標：主要有孔圓度、位置度、重復精度及尺寸誤差等。③氧化層和熱影響區(qū)等。參照國家標準：GB/Z18462—2001激光加工機械—金屬切割的性能規(guī)范與標準檢查程序。

實際生產(chǎn)中影響激光切割精度的原因有很多，如設備精度、切割參數(shù)、氣體純度、材料種類、厚度及環(huán)境因素等。選用設備時要根據(jù)設備制造商提供的精度測試數(shù)據(jù)和曲線來衡量設備能夠達到的精度。一般情況下，激光切割的光束定位精度為±0.03mm；切割面粗糙度Ra=12.5μm左右；實際切割的誤差為0.1~0.3mm。

2. 激光焊接

激光焊接作為一種高能束焊接方法，因其具有焊接接頭質量穩(wěn)定、焊接速度快、焊接變形小等特點，已得到廣泛應用。在軌道車輛方面，近些年主要是碳鋼和不銹鋼車體鋼結構表面外板的拼接焊，其優(yōu)點是焊接效率高，焊接變形很小，提升了車輛鋼結構外表的整體平整度和外觀質量。主要是采用激光焊接專機或焊接機器人的方式，激光發(fā)生器采用CO2激光器或固態(tài)激光發(fā)生器，通過相應的控制方式和輔助裝置實現(xiàn)鋼板的對接拼焊，如圖3、圖4所示。

不銹鋼激光半熔透疊焊技術目前在軌道客車車體上開始了推廣應用，其主要目的是代替軌道車輛外板與骨架的電阻點焊。由于傳統(tǒng)的電阻焊工藝，表面焊點不可避免的存在一定凸痕，另外，點焊結構車體密封性差，還不能廣泛應用高速動車組車體產(chǎn)品。采用半熔透疊焊技術可實現(xiàn)焊后下板外表面無焊接變形、變色的目標，制造出外形美觀、不涂裝的不銹鋼車體產(chǎn)品，而且通過激光焊接工藝，車輛的靜強度和疲勞強度提高、車體質量減輕、密封性好，使采用不銹鋼車體的高速動車組成為可行。薄板不銹鋼車體激光焊技術可被應用到高速動車組和城軌車制造中，大大提升產(chǎn)品的檔次，增強企業(yè)的市場競爭力，市場前景非常樂觀，如圖5、圖6所示。

圖3 不同類型的激光焊接設備

圖4 激光焊接的車體墻板和最終完成的側墻組成

圖5 激光焊半熔透疊工作形式和焊縫斷面形貌

圖6 激光焊后車輛外表狀態(tài)

三、軌道車輛制造中激光加工技術發(fā)展趨勢

1. 激光切割技術

三維激光切割技術剛剛在國內(nèi)軌道車輛制造業(yè)進行應用，主要進行各種三維沖壓件的切割、割孔，一般配置機械手、光纖激光、交換工作臺、閉路實時監(jiān)控顯示、封閉切割間、除塵及編程系統(tǒng)。能夠實現(xiàn)各種三維工件進行三維切割、割孔；配置的交換工作臺可進行工件交換切割，提高效率；離線和示教編程，提高切割精度；實現(xiàn)安全環(huán)保。該設備在生產(chǎn)中的應用，解決了各種復雜工件的三維切割，代替落后的無齒具、手工等離子切割工藝，不僅提高產(chǎn)品質量，而且解決了環(huán)境污染問題，如圖7所示。

另外，伴隨著激光切割技術的不斷發(fā)展和廣泛應用，激光加工技術在軌道車輛制造中將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

（1）激光切割設備的大型化 對大長件的加工，尤其是組成部件后進行激光切割，將提高大型工件加工能力和質量。

（2）激光切割設備的專用化 針對碳鋼、不銹鋼、鋁合金材料，尤其是不同厚度的材料選用不同的切割設備；例如鋁合金切割采用合適功率的光纖激光，減少反射對設備危害，提高質量；厚碳鋼板采用CO2激光切割，提高速度和斷面質量；薄板采用效率高、成本低的光纖激光切割。

（3）激光切割技術的進一步創(chuàng)新和提高 隨著需求的多元化對激光切割技術提出更高要求，勢必促進激光切割技術的革命，更先進的技術和設備將應運而生。同時激光切割技術的廣泛應用，也將為激光切割技術的創(chuàng)新和改進提供有效的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。總之，切割質量進一步提高將是永無止境的目標。

2. 激光焊接

激光-電弧復合焊是近年來開發(fā)的一種高能束焊接方法，通過激光和電弧同時向焊接區(qū)輸入能量，同時作用于焊縫區(qū)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成了一種新的高效焊接熱源。目前，激光-電弧復合焊接技術已經(jīng)在汽車、船舶、航天航空、石油管道等方面得到了實際應用；激光-MIG復合焊具有比激光焊和電弧焊熔深大，焊接速度快、焊縫成形比激光焊好、熱輸入熱輸入小，焊接變形小，焊接強度損失小、對接頭間隙不敏感等優(yōu)點。該技術在國內(nèi)軌道車輛行業(yè)還沒有實際應用案例，只進行了相關的工藝試驗開發(fā)并取得一定的成果，如圖8所示。

在激光-電弧復合熱源焊接過程中，激光與電弧的相互作用，提高了激光、電弧能量的利用率，焊縫深寬比大，在獲得相同焊接熔深的條件下，復合熱源焊接速度顯著的提高；同時復合焊接熱輸入減小，焊縫熱影響區(qū)小，焊后變形隨之減小，特別在大厚板的焊接中，由于復合焊接道數(shù)減少，焊后矯形的工作量也相應減少。因此，激光-電弧復合焊接技術在車輛焊接上具有推廣潛力和良好的發(fā)展前景。

圖7 三維切割機器人和切割零件

圖8 激光-電弧復合焊機械手

四、結語

隨著軌道交通裝備制造輕量化、制造高效化的發(fā)展，以及激光技術的進步，激光切割及激光焊接技術作為一種先進、高效的加工技術，將會在軌道交通裝備制造行業(yè)中得到較快的應用發(fā)展。