一、概述

    激光加工技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)了軌道客車制造水平的進(jìn)步，同時(shí)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(dòng)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的進(jìn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)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(jī)，各廠家根據(jù)產(chǎn)能的不同，擁有多臺(tái)激光切割機(jī)。一般情況下，碳鋼和不銹鋼板普遍采用CO₂激光切割機(jī)或固體激光切割機(jī)；鋁合金板采用固態(tài)激光切割機(jī)；對(duì)于10～20mm厚的碳鋼板材，普遍采用CO₂激光切割機(jī)，可以達(dá)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(shí)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(zhǔn)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(píng)價(jià)激光切割的精度主要有三類指標(biāo)：①切割斷面指標(biāo)：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(biāo)：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(biāo)準(zhǔn)：GB/Z18462—2001激光加工機(jī)械—金屬切割的性能規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)檢查程序。

    實(shí)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(shí)要根據(jù)設(shè)備制造商提供的精度測(cè)試數(shù)據(jù)和曲線來衡量設(shè)備能夠達(dá)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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)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(jī)或焊接機(jī)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(shí)現(xiàn)鋼板的對(duì)接拼焊，如圖3、圖4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

    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(diǎn)焊。由于傳統(tǒng)的電阻焊工藝，表面焊點(diǎn)不可避免的存在一定凸痕，另外，點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)車體密封性差，還不能廣泛應(yīng)用高速動(dòng)車組車體產(chǎn)品。采用半熔透疊焊技術(shù)可實(shí)現(xiàn)焊后下板外表面無焊接變形、變色的目標(biāo)，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(qiáng)度和疲勞強(qiáng)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(dòng)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(dòng)車組和城軌車制造中，大大提升產(chǎn)品的檔次，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，市場(chǎng)前景非常樂觀，如圖5、圖6所示。

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(shì)

    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(jìn)行應(yīng)用，主要進(jìn)行各種三維沖壓件的切割、割孔，一般配置機(jī)械手、光纖激光、交換工作臺(tái)、閉路實(shí)時(shí)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(jìn)行三維切割、割孔；配置的交換工作臺(tái)可進(jìn)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(shí)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。

圖7 三維切割機(jī)器人和切割零件

    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(shì)：

    （1）激光切割設(shè)備的大型化  對(duì)大長件的加工，尤其是組成部件后進(jìn)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(duì)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(duì)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(jìn)一步創(chuàng)新和提高  隨著需求的多元化對(duì)激光切割技術(shù)提出更高要求，勢(shì)必促進(jìn)激光切割技術(shù)的革命，更先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備將應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)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(jìn)提供有效的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。總之，切割質(zhì)量進(jìn)一步提高將是永無止境的目標(biāo)。

    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(shí)向焊接區(qū)輸入能量，同時(shí)作用于焊縫區(qū)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(qiáng)度損失小、對(duì)接頭間隙不敏感等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)在國內(nèi)軌道車輛行業(yè)還沒有實(shí)際應(yīng)用案例，只進(jìn)行了相關(guān)的工藝試驗(yàn)開發(fā)并取得一定的成果，如圖8所示。

圖8 激光-電弧復(fù)合焊機(jī)械手

    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(shí)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。

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

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