激光加工在軌道交通車輛制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉慶祝 韓鋒

一、概述

激光加工技術(shù)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(shù)提供了新的課題和研究方向，帶動了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的進步，應(yīng)該說沒有現(xiàn)代化激光加工技術(shù)的應(yīng)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(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1. 激光切割技術(shù)

激光切割作為一種柔性加工技術(shù)，具有高精度、高效率、熱變形小和適應(yīng)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(shù)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(zhuǎn)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(zhì)量。激光加工采用的主要設(shè)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(zhì)量。

由于激光加工技術(shù)的應(yīng)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(shè)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(fù)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(shè)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(shè)備時要根據(jù)設(shè)備制造商提供的精度測試數(shù)據(jù)和曲線來衡量設(shè)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(zhì)量穩(wěn)定、焊接速度快、焊接變形小等特點，已得到廣泛應(yīng)用。在軌道車輛方面，近些年主要是碳鋼和不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)外表的整體平整度和外觀質(zhì)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(yīng)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(shù)目前在軌道客車車體上開始了推廣應(yīng)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(jié)構(gòu)車體密封性差，還不能廣泛應(yīng)用高速動車組車體產(chǎn)品。采用半熔透疊焊技術(shù)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(zhì)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(shù)可被應(yīng)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(shè)備

圖4 激光焊接的車體墻板和最終完成的側(cè)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(shù)發(fā)展趨勢

1. 激光切割技術(shù)

三維激光切割技術(shù)剛剛在國內(nèi)軌道車輛制造業(yè)進行應(yīng)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?qū)崿F(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(shè)備在生產(chǎn)中的應(yīng)用，解決了各種復(fù)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(zhì)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(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，激光加工技術(shù)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(shè)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(zhì)量。

（2）激光切割設(shè)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(shè)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(shè)備危害，提高質(zhì)量；厚碳鋼板采用CO2激光切割，提高速度和斷面質(zhì)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(shù)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(shù)提出更高要求，勢必促進激光切割技術(shù)的革命，更先進的技術(shù)和設(shè)備將應(yīng)運而生。同時激光切割技術(shù)的廣泛應(yīng)用，也將為激光切割技術(shù)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(zhì)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(fù)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(fù)合焊接技術(shù)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(yīng)用；激光-MIG復(fù)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(shù)在國內(nèi)軌道車輛行業(yè)還沒有實際應(yīng)用案例，只進行了相關(guān)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(fù)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(fù)合熱源焊接速度顯著的提高；同時復(fù)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(fù)合焊接道數(shù)減少，焊后矯形的工作量也相應(yīng)減少。因此，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)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(fù)合焊機械手

四、結(jié)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(shù)的進步，激光切割及激光焊接技術(shù)作為一種先進、高效的加工技術(shù)，將會在軌道交通裝備制造行業(yè)中得到較快的應(yīng)用發(fā)展。