鐵路客車激光焊機影響斷帶的原因及控制措施

馬威

（長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春130000）

在鐵路客車維修過程中，經常涉及到焊接工作，可以采用激光焊機完成任務，但是在焊接過程中，受到多方面因素的影響，有時會出現斷帶問題，無法保證焊接質量。造成焊接斷帶的原因有很多，以激光焊機作為研究對象，總結常見的影響因素，并且根據損壞原因，提出合理的控制措施。

1 激光焊接頭質量影響因素

據實踐總結，發現影響激光焊接頭斷帶的因素有以下幾種：激光能量、焊機設備精度、激光位置偏差、焊接參數、熱軋原料、軋機軋制工藝、操作因素等。由于熱軋原料、操作因素對于激光焊接頭質量的影響不具備趨勢性和典型性，軋制工藝影響相對復雜，本文均暫不討論。

2 鐵路客車激光焊機影響斷帶的原因及控制措施

通過生產實踐總結，發現了影響激光焊接頭質量的各類因素，參考焊機制造廠家提供的相關材料，總結鐵路客車激光焊機影響斷帶的原因，同時提出控制措施。

2.1 激光能量因素。激光焊機以激光作為焊接能源，要想保證焊接質量，首先要控制激光束的能量，盡可能減少不必要的能量損耗，確保激光束可以迅速達到焊接表面，這也是激光焊接的重要前提條件。如果在焊接過程中，達到焊接表面的激光能量沒有達到焊機要求，就無法熔透焊接材料，引發斷帶問題。

2.1.1 激光輸出窗損壞原因及控制措施。本文以MIEBACH激光焊機為例，這種焊機采用二氧化碳激光，內置激光器，在焊接時產生激光，通過激光輸出窗，經過銅鏡的反射和聚焦以后，達到需要焊接的位置，完成激光焊接任務。在激光焊機運行過程中，激光輸出窗會逐漸升溫，為了控制溫度，會釋放壓縮空氣，但是對輸出窗同時產生負面影響，降低達到焊接表面的激光能量，無法正常完成焊接任務，出現未焊透的情況，進而引發斷帶問題。正常情況下，壓縮空氣不會影響輸出窗正常運行，但是一些激光焊接采用的壓縮空氣不達標，才會引發斷帶問題。壓縮空氣內部含有大量的雜質顆粒，在釋放出來以后，雜質大量的附著在鏡面上，逐漸形成瘢斑痕，激光在通過輸出窗時，部分能量會積聚在班痕上，一方面會損壞輸出窗，出現窗戶燒毀的情況，另一方面會嚴重影響激光功率，只有部分激光能量能夠達到焊接表面，引發斷帶問題。

針對激光輸出窗損壞引發的斷帶的問題，可以采取以下控制措施：提升冷卻氣體的潔凈度，消除內部的污染物質，氮氣就是一個很好的選擇，且來源比較廣泛，可以將氮氣作為冷卻氣體，同時增加過濾裝置，可以采取三重氣體過濾裝置，第一層為預過濾，第二層為超細過濾，第三層為活性炭過濾。在采取上述措施以后，可以解決輸出窗損壞問題，4～6 個月更換一次輸出窗即可，可以有效解決焊機斷帶問題，同時減少運行費用。

2.1.2 激光導向系統鏡面污損原因及控制措施。激光輸出窗在發射出激光以后，還需要經過聚焦鏡、反射鏡等裝置，可以改變光束方向，實現激光能量的聚焦，才能將激光射入焊接材料表面。如果這些裝置存在鏡面污染，就會發生漫反射，一些能量會消散在空氣中，達到鋼板上的能量不夠，就會因為焊不夠引發斷帶。

針對鏡面污損引發的斷帶問題，可以采取以下控制措施：一是定期使用清潔膏擦拭鏡面裝置，擦拭頻率在1 月/次左右即可。二是保證外光路管道密封，避免外界污染光路管道。三是應用干凈氣體吹掃外光路內部，一般采用氮氣作為吹掃空氣。四是快速完成鏡面擦拭任務，減少管道開放時間，避免外界雜物進入管道內部。

2.2 焊機設備精度因素。較傳統焊接方式不同，激光焊接對于焊機設備的精度要求更高。本文以MIEBACH 激光焊機為例，該焊機對各個部位都有著較高的精度要求，只有滿足所有要求，才能順利完成焊接任務。如果長時間使用后沒有校正精度，就會產生較大的焊接偏差，例如焊機的導向或者移動裝置產生精度偏差，如果不及時校正，就會產生擺動偏差，引發焊接斷帶問題，無法保證焊接質量。激光焊機是一個整體，所有設備精度都是互相影響的，一個部件出現問題后，會逐漸影響其他部件，如果校正不及時，激光焊接設備的精度偏差就是逐漸增大。如果采取傳統的清掃、緊固、潤滑等操作，雖然可以暫時緩解，但是無法從根源上解決問題。

針對焊機設備精度不足引發的斷帶問題，可以采取以下控制措施：定期開展精密調整工作，確保每一個部件的精度都符合焊機工作要求。如果是新采購的激光焊機設備，則要收集焊機生產情況，結合廠家附帶的資料，制定完成的精度調整方案，控制好調整評論，通過對項目及參數的合理調控，確保機器的每一個部件都處于最佳運行狀態，才能為后續的焊接打好基礎。要注意激光焊接設備需要調節的部位較多，包括夾緊臺、焊頭、支撐輪、余熱裝置、碾壓輪、邊部定位裝置、冷卻裝置、傳動及移行輪，每個裝置的精度標準及調節周期都不同，需要根據實際情況確定。

2.3 激光位置偏差因素。激光焊機通過焊車移動，激光持續融化焊接材料，融化材料連接焊接對象，在整個操作過程中，需要將聚焦點精準對準焊接間隙，保持一個重合的狀態，才能順利完成焊接任務。如果激光位置出現偏差，激光聚焦點就會偏離位置，沒有焊接指定位置，導致接頭斷帶開裂。造成激光位置偏移的原因有很多，下面對其進行深入研究。

2.3.1 出入口夾板臺間的間隙的調整。在正式焊接之前，為了保證激光聚焦點對準焊接間隙，就要定期標定出土口間隙。具體措施如下：先準備焊接樣板，按照正常操作規范夾在到板內，切除一部分材料。接下來，修改導板間隙數據，將其更改為1mm，在完成數據的接收以后，可以移動出入口，將其帶到焊接位置，使用塞尺檢查間隙，根據測量值確定補償值，調整導板間隙，直到間隙正好為1mm。通過對出入口夾板間隙的調整，可以對準激光聚焦點，避免因激光位置偏差引發斷帶問題。

2.3.2 外光路的調整。激光輸出窗在射出激光以后，會經過各種反射及聚焦裝置，最后才能達到焊接區域。如果上述裝置位置出現變化，就會引發激光位置偏差，進而出現斷帶問題，為此要合理調整外光路。

針對外光路偏差引發的斷帶問題，采取以下控制措施：校正外光路要從三個位置入手，分別為上反射鏡、下反射鏡及聚焦鏡，調整振腔校正激光，確保光束達到指定位置。光束校準無誤以后，可以重新固定上反射鏡，在拆卸下反射鏡，發出激光脈沖向試紙上打出痕跡，如果痕跡為四等分，表面沒有問題，如果不是就要通過螺栓校正，直到打出的痕跡為四等分。固定下反射鏡以后拆卸聚焦鏡，同樣調整螺栓，測試聚焦鏡打出的痕跡，按照流程校正，直到打出的激光達到指定位置。

2.4 焊接參數。在滿足激光焊機工作要求的基礎上，可以根據焊機工作規律，編制出相應的焊接參數，參數涵蓋范圍較廣，包括速度、功率、教具、間隙等，這些參數都是依靠經驗積累確定的，只能起到一個參考的作用，在應用激光焊機時，還需要根據實際情況修改上述參數，或者適當增加一些新的參數。焊接參數是影響焊接質量的關鍵，決定火車客車焊接的效率及質量。注意一點，焊接高強鋼板或DP、TRIP 系列的材質時，使用低碳或超低碳鋼板的焊接參數仍無法焊接出合格的激光焊接頭。

3 結論

根據上述研究，得到四個結論：一是造成激光焊接斷帶的主要因素有焊接參數、位置偏差、設備精度及激光能量。二是輸出窗的冷卻氣體會影響激光能量，要采取清潔環保的冷卻氣體，同時定期更換氣體，才能避免焊接斷帶問題。三是要定期校正激光焊機各個部件的精度，才能實現精準定位，避免斷帶問題。四是要合理調整外光路及焦點位置，才能保證激光照射在指定位置。造成激光焊接斷帶的因素有很多，要結合實際情況，找到具體原因，采取針對性的解決措施，才能迅速解決問題，避免出現斷帶等故障問題，迅速完成鐵路客車的焊接維修任務。