激光焊在軌道交通行業的應用與焊接質量控制

宋洪杰　但龍

摘 要：激光焊接具有能量密度高、熱損傷小、焊縫深寬比大、焊接變形小等優勢，焊接過程易于實現自動化、柔性化，可提高生產效率、獲得更加美觀的焊縫，廣泛應用于工業中各個領域，在當前軌道交通領域更是發揮不可替代的重要作用。本文對激光焊接的特點和軌道交通車輛常用激光焊接進行了介紹，分析了常用激光焊接工藝及焊接過程常見問題，并提出了相關預防措施。

關鍵詞：軌道交通;焊接;激光焊接;焊接質量管控

0 引言

激光焊接具有能量密度高、熱損傷小、焊縫深寬比大、焊接變形小等優勢，焊接過程易于實現自動化、柔性化，可提高生產效率、獲得更加美觀的焊縫，廣泛應用于工業中各個領域，在當前軌道交通領域更是發揮不可替代的重要作用。

1 激光焊接的特點分析

激光焊接作為一種熱加工工藝，是利用激光束為熱源展開各項加工制造的，激光焊接和電子束等離子束相比，存在諸多差異，不同于此類一般的機械加工方式，激光焊接體現出了更高的優勢特征，具有較高的應用價值。激光束的功率密度較高，并且激光焦點的光斑更小，可以針對合金材料進行焊接，由于合金材料強度高、熔點高，因此焊接要求也更為嚴格，采取激光焊接的方式能夠完成此類合金材料的焊接。激光焊接的加工過程是無接觸的，不需要損耗工具或調換工具等，實現了多種焊接加工需求，可以調整激光束能量以及移動速度等各項焊接指標，完成相應操作。激光焊接在現代化科技運用下，逐漸向著自動化、智能化的方向探索和研究，體現了較高的自動化程度和智能化程度，實現了與計算機之間的連接和控制。運用激光焊接的加工過程功效較高，焊接速度更快，對于形狀較為復雜的焊接需求也可以方便快速的完成焊接工作。激光焊接工藝下引起的材料變形小，這是因為激光焊接的熱影響區范圍較小所帶來的優勢，后續無需進行專門的工序處理，不會導致材料變形。對于結構復雜、處于內部位置的工件，以及處于真空容器內的工件，可以通過玻璃焊接的方式完成焊接工作。激光焊接的激光束聚焦性、導向性較強，能夠變換各個方向，并且和電子束加工相比，操作過程更加的簡單方便，不需要真空設備系統就可以完成焊接工作。激光焊接工藝下，加工出的產品整體質量可靠、穩定，并且生產效率較高，帶來了良好的經濟效益和社會效益。

2 軌道交通車輛常用激光焊接

2.1 激光焊原理

激光焊接按原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。熱傳導型激光焊通過激光加熱待焊接件表面，熱量以熱傳導方式向內擴散，熔化工件并形成特定的熔池，此種焊接方式熔深淺、焊接速度較慢。激光深熔焊通過“小孔”機制完成能量轉換，高功率密度的激光使金屬汽化出現小孔，孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力保持動態平衡，光束不斷進入小孔并被吸收，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著光束前進速度向前移動，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝形成焊縫，此種焊接方式焊接速度快、深寬比大[1]。

2.2 軌道車輛常用激光焊

軌道交通車輛的車體制造過程中，傳統MAG焊接、電阻點焊由于焊后變形或焊痕等因素，影響了無涂裝車體的外觀質量。激光焊接技術由于熱輸入量小，形變小等優勢，較好的解決了上述焊接方法存在的難題，目前已廣泛應用，包括光纖激光焊、CO2激光焊、手持式激光焊，同時還有激光復合焊等，在焊接效率、成型質量、焊后形變等方面相較傳統焊接有較大優勢。

光纖激光焊、CO2激光焊一般為龍門式焊接系統，設備主要配置有龍門走行機構、激光發生器、激光焊接系統、壓緊裝置、電控柜、冷卻系統、主控面板、防護裝置等。焊接作業區設置為獨立半封閉式，確保焊接過程環境穩定并避免激光輻射對焊接區以外的人員造成傷害。手持式激光焊結構相對簡單，無獨立走行機構、功率相對較小，焊接位置靈活[2]。

激光電弧復合焊接是將激光與電弧作用于同一熔池的焊接方法，電弧會影響激光誘發的蒸汽等物質，保證激光能力的吸收，加強小孔的穩定性，填充的焊絲可對焊接接頭的性能進行調節，在提升焊接質量、焊接速度的同時，對焊前組裝精度及待焊件表面質量的要求顯著降低，目前已在軌道交通行業成熟應用，后續前景廣闊。

3 激光焊接的焊接缺陷及質量控制

激光焊缺陷包括未熔合、熔穿、裂紋、焊縫成型不連續等，與焊接質量相關的因素較多，其中設備本身的參數主要包括激光功率、離焦量、焊接速度等，待焊件參數主要包括組裝間隙、表面質量等，同時還有其他設備及環境因素，需在焊接前及焊接過程中進行重點管控。

①激光功率：激光深熔焊接中，由于金屬汽化與激光功率的密度之間有著緊密的關系，影響著激光焊接的效果，也影響了小孔的穩定性。在焊接前需對輸出功率的大小和穩定性進行校核[3];

②離焦量：離焦量是激光焦點距離待焊件表面的距離，對焊接質量影響很大，以搭接焊縫舉例，離焦量設置不當時容易出現熔合不良情況。應在焊接前進行參數驗證，選取適當的離焦量進行實物焊接;

③焊接速度：焊接速度影響線能量，進而影響熔合質量、變形。焊接功率相同時，焊縫熔寬及熔深隨著焊接速度的增加而減小，余高輕微減小，但焊接速度過大易導致焊縫成型不連續;

④組裝間隙：激光焊對組裝間隙要求較高。激光焊一般不添加填充金屬，同時由于光斑小，焊縫窄，如裝配間隙過大，易導致光束穿過間隙無法熔化母材或產生咬邊、凹陷。實際焊接時可使用固定工裝對待焊件進行約束，確保焊接過程嚴格控制間隙;

⑤焊接前設備狀態：除上述參數適應性控制外，在焊接作業前，應當對焊接設備狀態進行檢測。常見狀態確認方式有激光功率校核檢測，通過試件進行模擬現車焊接，并對試件焊縫的符合性進行檢查，包括焊縫成型質量、焊縫機械強度、宏觀金相試驗[4];

⑥其他影響因素：環境、保護氣體等要素，上述參數對激光焊接均有不同程度的影響。對編程自動焊接的設備，其走行機構本身的空間位置也對焊接質量有一定影響;

⑦焊接檢驗：焊接之后的檢驗工作也是重點的環節之一，焊接人員應首先清理焊縫，再檢查整體的焊接情況，觀察焊縫表面是否存在裂紋、氣孔、咬邊、夾渣等缺陷問題，發現問題時及時采取相應的解決措施。有些焊縫是需要進行熱處理的，此時應首先完成熱處理后，再在進行焊接檢驗工作。對于焊縫表面和內部缺陷問題，應該采取無損檢測手段展開工作，加強對不合格焊口的質量管控。發現問題時，及時的核對部位并積極的進行補救和返修，并且復檢返修焊縫，保證焊接質量。

焊接過程中為進一步確保焊接質量，在條件具備的情況下可對焊接功率、熔深情況、熔合質量等進行實時監控。在焊接完成后，通過目視、無損檢測等方式對外觀及內在熔合質量進行檢查，以確保最終熔合質量。

4 結語

激光焊接技術以其焊接過程的自動化、柔性化，焊接能量密度高、深寬比大、成型美觀等優勢，已在軌道交通行業廣泛應用，且隨著激光復合焊接技術的不斷拓展和應用，應用前景將更加廣闊，激光焊設備、焊接工藝及無損檢測的研究正在向更加深入的方向邁進，不斷提高焊接能力、焊接質量。

參考文獻：

[1]張金娟，馬世輝，羅少國，激光焊焊接速度對SUS301L_DLT焊接接頭表面成形的影響[J].電焊機，2013（12）.

[2]王洪瀟，王春生，何廣忠，等.激光焊接技術在軌道交通車輛中的應用[J].城市軌道交通研究，2020，v.23;No.211 （04）：93-96.

[3]彭博.不銹鋼薄板搭接激光焊縫外觀檢測及質量評估方法研究[D].吉林：吉林大學，2019.

[4]董彥妮，張振鵬.焊接技術在軌道交通車體中應用現狀及發展趨勢[J].科學技術創新，2019，000（005）：173-174.