激光焊接不銹鋼車體側墻鋼結構研發

商 亮

（中國北車長春軌道客車股份有限公司,長春 130000）

1 國內外激光焊接技術的發展簡述及激光焊接技術的特點

1.1 國內外激光焊接不銹鋼車體現狀

20世紀80年代，激光焊接技術在歐洲、美國和日本等地陸續得到了廣泛的關注。1985年，德國大眾汽車公司成功試驗出世界上第一塊激光拼焊板，并應用于Audi100車身上。90年代開始，世界各大汽車制造廠商陸續大規模地將激光拼焊板技術應用于汽車車身的制造中。

本世紀初，德國、日本、韓國等國相繼開發將激光焊接技術應用于城市軌道車輛領域，并且已有激光焊接的不銹鋼車體在線運營，但截至目前，國內仍無激光焊接不銹鋼車體成功上線的案例。近日，中國北車長春軌道客車股份有限公司的激光焊研發項目完成了國內首列激光焊接不銹鋼車體的試制，成為了國內第一家成功研制此項技術的軌道車輛制造商。

目前國內軌道列車行業普遍采用的主要焊接方式為電阻點焊焊接。點焊后的車體表面會留下點焊痕跡，影響車體外表面的美觀性。而激光焊接技術則避免了這一問題，讓車體表面更加美觀。

采用激光焊接技術的車體外觀在平整度和美觀程度上都是傳統點焊技術無法比擬的，強度和剛度也比傳統點焊車體更優。該車體的研制成功，為激光焊接的軌道車輛的正式生產打下了良好的基礎。

1.2 激光焊接的特點

激光焊接技術的原理簡單來說就是將高強度的激光束輻射致金屬表面,通過激光與金屬的相互作用,金屬吸收激光轉化為熱能使金屬熔化后冷卻結晶形成焊接。

激光焊接技術的優點：

（1）激光焊接的能量密度高，熱量集中，作用時間短。可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區范圍小，所以因熱傳導所導致的變形量較低，非常適用于對溫度及其敏感的不銹鋼材料的焊接；

（2）激光焊接的焊縫密封性好。在激光焊接過程中不需要類似焊絲等添加物質，而是通過加熱，使金屬熔化后重新凝結為一體。這一優勢可大大降低車體漏雨的風險；

（3）強固焊縫，因為熾熱熱源降低雜質含量、改變夾雜尺寸和其在熔池中的分布，熔化區受污染少，使得焊縫強度、韌性至少相當于甚至超過母體金屬；

（4）精確控制。因為聚焦光點很小，焊縫的定位精度更高。用數控光束移動技術還可以焊接較為復雜的工件。這將更容易實現自動化的高速焊接，達到提高生產的效率和質量的目的。

當然激光焊接也存在一些缺點：

（1）激光焊接對焊件間的間距要求較高，這導致焊件本身的平整度、平面度、直線度等參數和所需使用的工裝夾都必須具有非常高的精度才能保證焊接質量；

（2）激光焊接的設備價格較高，一次性投入較大。

2 長客股份采用激光焊接側墻鋼結構的車體研發

2.1 激光焊接車體鋼結構設計的基礎

隨著激光焊接技術的不斷發展，其在軌道列車行業中的應用也越為廣泛。近幾年，中國北車長春軌道客車股份有限公司正自主研發激光焊接技術在城軌車輛不銹鋼車體生產中的應用。研發初期，為了設定合理的焊接參數并掌握真實的焊接數據，長客股份利用現有的激光焊接設備，進行了大量試驗，終于完成了原始數據的積累，從而為接下來的車體鋼結構的設計奠定了基礎。

根據對傳統點焊結構的計算分析和實驗數據以及前期設計經驗的積累，長客股份對激光焊接的實驗數據和現有的設備工裝情況進行了細致的分析，對傳統的車體側墻鋼結構進行了有針對性的更新。

2.2 激光焊接側墻鋼結構的設計思路

本次激光焊接鋼結構車體設計是依托于長客股份城鐵車輛B型不銹鋼車平臺，對端墻、車頂及底架鋼結構不做任何改動，僅對側墻進行適用于激光焊接技術的結構設計。這不僅要保證各大系統間的接口不變，還要滿足BS EN 12663歐洲標準和TB/T 1335 鐵道車輛強度標準，設計難度大大提高。

根據激光焊的實際特點和工藝設備的具體情況和實驗分析具體數據，此次激光焊接的側墻鋼結構主要采用了“夾心式”結構。此結構主要包括了側墻外板、波紋板、結構強度件、結構功能件等主要零部件。同時，由于激光焊接技術對焊接件的精度要求較高，本次研發中，為讓所采用的零部件能夠符合激光焊接的標準，設計師對所采用的零部件的精度做了更高標準的要求。

分塊側墻的設計，要充分考慮如何利用現有設備，達到全部焊縫均采用激光焊接，從而滿足強度、剛度、外觀等諸多要求。側墻門口單元和分塊側墻單元合成時，采用點焊方式合成為側墻。

2.3 采用激光焊接側墻鋼結構的不銹鋼車體靜強度分析

為了驗證設計的合理性，對采用激光焊接側墻鋼結構的車體鋼結構進行了壓縮與垂直載荷、拉伸與垂直載荷等10種工況的靜強度計算，同時還進行了車體鋼結構的一階彎曲頻率和一階扭轉率計算。

計算結果表明，本次采用激光焊接側墻鋼結構的車體完全滿足BS EN 12663歐洲標準和TB/T 1335 鐵道車輛強度標準，這一結果為采用激光焊接技術的車體結構的生產提供了理論的基礎和保障。

3 結束語

隨著技術的日益成熟、制造規模的不斷擴大，中國北車長春軌道客車股份有限公司所生產的不銹鋼車輛已遍及中外多個國家。目前，長客股份的激光焊接技術在側墻上的研發已經成功，在端墻鋼結構上的試制工作也接近尾聲。近日，長客股份更是一舉拿下了美國波士頓地鐵的兩條線路。而招標文件中明確提出，車輛表面需采用激光焊接技術的要求。這說明激光焊接技術在軌道列車行業中被廣泛應用已是大勢所趨。相信在不久的將來，中國北車長春軌道客車股份有限公司所生產的激光焊接不銹鋼車體，會開往更多的國家，同時也會在軌道列車發展史上，開創新的篇章！

[1]長客股份企業標準QCC90-021-2012激光焊接頭疲勞試驗方法[S].

[2]王鐵民.“激光焊接不銹鋼車體鋼結構研發”[J].吉林鐵道，2012(07).