激光焊技術在軌道客車制造領域的應用及發展

高文文，孟慶順，劉慶祝，王洪瀟，劉立國，劉海偉，楊健

中車長春軌道客車股份有限公司 吉林長春 103362

1 序言

近年來，隨著人們出行品質的提升，城市軌道交通也隨之蓬勃發展，對地鐵車輛的需求和品質也逐步提升[1，2]。不銹鋼材料具有強度高、焊接性能好、易冷加工、價格低廉等特點，符合軌道車輛的選材標準，因此不銹鋼材質地鐵車輛更是地鐵市場領域的重要構成部分，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了主導地位[3]。不銹鋼地鐵車體材料通常采用SUS301L系列奧氏體不銹鋼板，由于不銹鋼導熱系數小而線脹系數大，所以不銹鋼車體多采用電阻點焊工藝。由于不銹鋼車體不需要涂裝，因而對車體的表面質量要求較高。電阻點焊雖然有效減小了車體的焊接變形，但焊點處存在明顯的壓痕，降低了車體外觀質量[4]。為此，不銹鋼車體側墻采用部分熔透型激光疊焊成為國內外軌道車輛制造行業研發推廣應用的新技術。目前，我公司使用的部分熔透型激光疊焊技術已較成熟。國外日本、韓國也開始采用激光焊技術生產軌道車輛，歐洲的德國、法國也在軌道車輛生產中采用激光焊技術。

2 激光疊焊技術

激光焊具有焊接速度高、熱輸入量小、熱影響區小、工件變形小的優點，已廣泛應用于各行業的產品制造，在軌道客車行業作為不銹鋼和碳素鋼車體長大側墻板拼焊也有15年的成熟應用[5]。隨著自動化技術的日趨成熟及激光焊接功率精確控制技術的完善，以及沖壓工藝制造技術的逐步提高，為軌道車輛行業開發不銹鋼車體部分熔透型激光搭接疊焊技術提供了可行性和穩定可靠的支撐，主要形式為激光束照射在外墻板內側搭接的補強骨架上或其他需要與墻板連接的工件，通過控制焊接參數使激光束貫穿補強板或者其他工件，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，所以改善了車體的表面質量，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焊焊縫的強度綜合分析比較，激光焊焊縫的強度高于點焊30%左右，在等強度設計要求的情況下可降低車體自身的重量，從而優化了產品設計結構，達到了不銹鋼車輛輕量化的追求目標，提升了產品的競爭能力；同時，激光焊的焊接效率也遠大于電阻點焊，提升了生產制造的工作效率。另外激光焊焊縫具有連續性，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，提高了公司產品的競爭優勢。

圖3 激光疊焊外觀效果

激光疊焊技術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，則不能保證焊接強度且存在未熔合等質量隱患。因此需在設備的激光功率穩定性和運行速度精度、沖壓零件精度、側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度和外觀質量的激光疊焊焊縫。為此，在產品制造工程應用時能否滿足焊接質量的可靠性面臨重大挑戰，同時在國際焊接領域也沒有相關特殊應用的焊接和質量標準，需要根據產品生產制造中各個環節的實際情況制定相應的控制方法和管控標準，保證產品質量的可靠性。

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，為了實現產品板梁或帶有補強結構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，從而保證激光焊焊接質量合格。為了達到部分熔透的激光焊要求，料件單件采用高精密數控激光切割機、折彎機、拉彎機等設備制造，保證沖壓件制造過程中各個環節的制造精度，再通過具有豐富經驗的工匠進行精細調修，達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、直線度技術要求見表1。

表1 料件平面度和直線度技術要求 （mm）

4 激光焊設備選取依據

在激光疊焊設備選擇方面，要選取激光功率穩定（見表2），以及光束質量高的激光器，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定可靠；另外，還要保證激光焊設備整體焊接操作過程的運動精度，實現高速焊接作業時焊接速度的穩定均勻性，從而保證激光焊接參數的絕對可靠和穩定。同時還對整套激光焊接系統的集成，包括激光器、光線、走形系統、控制系統提出了高要求、嚴標準。因為要求設備需要長期穩定不間斷地工作，焊接接頭運行距離長，定位重復精度高，還要實現對操作者的保護功能，且激光的傷害具有不可逆性，所以對人員操作激光設備的被動防護安全等級要求高。軌道系統車輛較汽車行業的車身長度長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每次工作的重復定位精度非常高，以免出現焊接位置錯誤。目前，使用過的整套伊薩激光焊接系統，人機交互設置友好，可實現快速上手，操作系統穩定，能夠實現可靠的焊接質量。

表2 激光焊設備激光輸出功率與實際值對比

5 激光焊工藝手段控制

從激光焊疊焊試驗方面分析工藝手段，就要從焊接接頭強度、激光疊焊斷面形貌、疊焊裝配間隙等影響因素方面進行系統的焊接試驗和分析驗證，從而得到一套完整的適合軌道車輛制造工程應用的激光焊接參數。

在具體車輛產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。如果無法實現一個產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，那么再好的設備和焊接參數也無法焊出滿足質量的合格產品，在軌道車輛上焊接質量的標準就是所有焊縫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。首先工裝夾具的設計需要考慮料件焊接的焊接性，不能出現工裝影響激光頭運動和激光束到達料件表面的現象，以避免激光束能量不能全部被料件吸收，影響焊縫強度的問題。其次工裝夾具的設計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確、重復性高，這是因為當激光焊接系統的可重復焊接位置準確后，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。

工裝的設計還要考慮對整體焊接變形的控制，當料件整體焊后變形較大，不滿足與車體鋼結構其他大部件的組對配合要求時，該激光焊料件也會被認為不合格。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，統計測量料件焊后的整體變形趨勢和變形量，然后對工裝進行微動調整，達到與其他車體鋼結構大部件的匹配。料件組對要以墻板外表面作為基準面，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，完成設定好的激光焊操作。

6 激光焊焊縫質量檢測

在質量控制方面，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量要求，因此，激光焊作業生產全過程質量管理尤為重要。在焊接作業生產前，不僅要通過激光焊接工作試件來驗證激光焊設備功率和焊接速度等參數的穩定性，而且試用的焊接參數應為當天焊接需要使用的激光參數。在焊接生產過程中，嚴格按照工藝方法進行組裝，在組對過程中對料件密貼性使用檢測工具檢測，以免出現密貼不嚴、達不到激光焊焊接要求、焊縫質量不符合要求的情況。

在焊接完成后，一方面，需要進行必要的焊縫外觀檢查，外觀檢測分為直接人工檢測和設備檢測兩種。人工檢測通過判斷墻板保護膜的變化確定有無焊接上；另一方面，還需要采用超聲波進行焊縫內部的檢測，主要是熔深和熔寬檢測，最終確認激光疊焊的焊縫熔深是否在控制范圍內，保證焊接質量在焊前、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備

7 結束語

綜上所述，激光疊焊技術在軌道車輛上的工程制造應用，是非常復雜和嚴謹的激光焊技術的深層開發應用，對整套激光焊設備系統的精度品質、產品結構的工藝性、焊接件的高精度性、焊接裝配技術的成熟可靠性、滿足激光焊要求工裝設計的適用性，以及質量全過程監控的保證措施等方面都提出了很高的技術要求。因此，在軌道車輛制造中只有對全工藝策劃及工藝實施的精準度都提出了一個更高的標準要求，才能實現產品質量的完美和可靠，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量品質，提升中國制造軌道客車產品在國際上的競爭優勢。

目前，中國中車長春軌道客車股份有限公司生產的波士頓地鐵車輛已經采用了激光疊焊技術，車輛焊接質量和外觀整體效果得到美國交通局的認可，同時也被美國洛杉磯交通局接受，并在為洛杉磯提供的地鐵上進行應用。隨著激光疊焊技術在美國地鐵車輛上的廣泛應用，勢必會帶來國內外城鐵不銹鋼車輛制造技術的重大變革，引領不銹鋼地鐵車輛車體鋼結構的生產制造進入更高的層次。