激光加工技術在城市軌道車輛制造中的應用
2018-8-10 來源：- 作者：張云飛，李軍
激光制造業(yè)亟需組建優(yōu)秀的激光加工團隊，大力普及激光加工技術，設立激光加工教學、科研和生產(chǎn)基地，加大相關技術同步研究，將機器人技術、仿真技術應用等大規(guī)模地應用到城市軌道車輛制造中，發(fā)展我國自主特色的激光加工設備以及加工工藝。激光加工技術在城市軌道車輛制造中的應用，包括焊接、切割、表面改性、打標、快速成型、打孔及微細加工等。文章以城市軌道車輛為研究對象，闡述了先進激光焊接、激光切割在城市軌道車輛制造和輪軌表面處理等的原理和特點，分析了目前激光加工技術在城市軌道車輛制造中的特點和應用前景，為縮短與國外先進技術的差距，加快軌道交通技術儲備提供參考。
城市軌道交通已成為現(xiàn)代城市公共交通的主動脈，具有運量大、能耗低、效率高、污染小、準點率高等優(yōu)勢。中國如今已成為全球城市軌道交通建設投入的主力軍，甚至連許多二線城市都具備了軌道交通建設的條件與需求。
隨著中國政府“十三五”規(guī)劃的提出，國家發(fā)改委已批復了多地軌道交通的規(guī)劃，到2020年投資預計將超萬億。目前城市軌道車輛制造行業(yè)中，激光加工制造技術備受矚目，其很大程度上提升了城市軌道車輛制造水平；輕量化與高速化的趨勢，也持續(xù)為其提出新方向、新課題。
由于中國的城市軌道交通起步較晚，因此為了縮短與國外先進技術的差距，應引進、研究和消化當前最新技術及設計思路，加快軌道交通技術儲備，探究激光加工技術在城市軌道車輛制造中的應用。
車輛激光焊接
車輛轉(zhuǎn)向架以及車體是城市軌道車輛上的關鍵構成，材質(zhì)也經(jīng)歷了普通合金鋼、不銹鋼、鋁合金型材幾個階段。目前在城市軌道車輛制造中，逐步引入了激光焊接等新的加工工藝。
激光拼焊
激光拼焊是城市軌道車輛中最被看好的技術之一，屬于無接觸焊接，可將不同鋼種、厚度、表面處理的鋼板焊接成一個整體，區(qū)別于電阻滾壓縫焊，通過自由組合，使得構件變輕，零件變少，不僅提高可靠性，為寬體車制造奠定基礎，同時也改善了焊接質(zhì)量，提高了鋼材收得率，并降低了生產(chǎn)成本。
激光組焊
激光組焊在城市軌道車輛車身制造中舉足輕重，通過雙件組焊、多件組焊，將已切割成形的各類車身構件，焊接成白車身分總成，進而總裝成整車車身。
激光組焊因其焊接強度高，可明顯改善車身強度、剛度及密閉性。焊接同時結(jié)合面小、變形小、焊接速度快、可焊材料范圍廣，適合于柔性化生產(chǎn)，投資效益好。
但激光組焊技術也有明顯的缺點，如對夾具、被焊件、監(jiān)測精度等要求嚴格，焊接后檢測評價和返修困難，一次性投入大等。
激光
電弧復合焊
1) 不銹鋼車體制造。城市軌道車輛車體通常選用不銹鋼車體，由于電弧焊接后熱影響及變形等較嚴重，因此為改善外觀，過去常常進行涂裝作業(yè)，而現(xiàn)在則選用激光或電阻焊進行作業(yè)。
通過長期加工技術應用的實踐、積累及分析，不銹鋼接頭焊接技術規(guī)范、疲勞曲線、硬度、抗拉強度、屈服強度、等技術指標相繼被取得或檢驗，車體激光焊接樣件的制評亦完成。
2) 車輛轉(zhuǎn)向架制造。城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架通常選用日本進口或國產(chǎn)的中厚合金鋼板材，同時多選用熔化極氣體保護焊。用于長直縫焊接的機械人手臂，已被各廠商所引進，來改善焊接穩(wěn)定性；而開具有不同規(guī)格的坡口，通常留較小鈍邊，以確保熔透。激光-電弧復合焊優(yōu)化焊接效率，顯示了激光和電弧的特點；同時減少了設備和人員投入，降低了
焊接成本，并且可選較大鈍邊。
車輛激光切割
激光切割技術特性
城市軌道車輛制造廠商已大量使用激光切割技術，其加工的產(chǎn)品有很多，如車體、內(nèi)裝板材、轉(zhuǎn)向架，常選用二維平面切割。激光可以加工出高精度、高切割斷面質(zhì)量的零件外形、輪廓和孔。固體(或CO2)激光切割機通常適用于碳合金鋼、不銹鋼，同時也適用于鋁合金板，可達到理想斷面加工質(zhì)量和切割速度。
以某企業(yè)為例，軌道車輛車體為不銹鋼，選用6 k W激光和剪板機對6 mm以下板材下料。車輛轉(zhuǎn)向架選用激光切割機對14 mm以下板材進行下料，其材料為Q345C低合金結(jié)構鋼
下料環(huán)節(jié)激光切割
城市地鐵機車制造首先要準備相關材料，這個階段激光切割技術尤為重要。激光切割與火焰切割相比，切割速度快、工件變形小、加工精度高、適用性強、節(jié)料省錢、經(jīng)濟適用，因此激光切割技術已被廣泛用于軌道車輛制造中。以某企業(yè)為例，其高速動車組車體選用激光和剪板機對6 mm以下板材下料，材料為鋁合金板材及型材。車輛轉(zhuǎn)向架選用6 k W激光切割機對12 mm以下板材下料。
三維激光切割
城市軌道車輛制造中，三維激光切割技術方興未艾。其主要進行了各種三維沖壓件的切割、割孔，除了配置機械手、光纖激光、實時監(jiān)控外，還配置有除塵系統(tǒng)、交換工作臺、封閉切割間。解決了復雜工件的三維切割，代替落后的無齒具、手工等離子切割工藝，改善質(zhì)量、減小污染。
在城市軌道車輛制造中對大長件，尤其是組成部件后加工，起到了改善切割能力和提高質(zhì)量的作用。激光切割技術隨著多元需求和先進制造的要求，正一步步完善和創(chuàng)新，一批批現(xiàn)代的技術和裝備發(fā)展起來。
輪軌表面激光改性
城市軌道車輛的牽引、制動工況，需要利用輪軌之間的滾動接觸完成。車—軌間載荷的傳遞需依靠很小的接觸斑，各種復雜載荷反復作用發(fā)生其上，導致輪軌接觸表面產(chǎn)生車輪輪緣、鋼軌側(cè)磨、輪軌剝離、鋼軌波磨、表面擦傷和鋼軌壓潰性磨損等。因此需要選用激光熔覆、激光淬火、激光離散熔凝和激光合金化等全表面處理的激光強化工藝，來提高輪軌材料抗磨損能力，以達到緩解磨損的效果。
激光熔覆工藝
激光熔覆工藝屬于較為先進的材料表面改性工藝，屬于激光加工范疇，可在車輪和鋼軌表面獲得無氣孔及裂紋優(yōu)質(zhì)熔覆層，進而提升輪軌抗磨損能力，改善產(chǎn)品使用周期。
該加工方法將不同涂層材料設置于基體表面，同時利用高能密度激光束將涂層材料與基體表層材料共同熔凝，形成涂層。且該涂層有與基體冶金結(jié)合的功能，可以有效提升材料的抗氧化、抗熱變形、抗腐蝕、抗磨損等特性。
激光淬火處理
激光淬火處理時，溫度急速升高或冷凝，表層晶粒極細、位錯密度增加，進而在表層形成壓應力，能夠大大改善工件的耐磨性、耐疲勞、耐蝕性，改善工件材料的性能。研究城市軌道車輛鋼輪鋼軌的損傷機理，利用試驗發(fā)現(xiàn)激光淬火工藝后的輪軌表面硬度增加，抗磨性能改善，磨損量同比減少超過60%，且表面損傷相對較輕，表現(xiàn)為小麻點式剝落損傷，與處理前明顯的剝落損傷相比，抗損傷能力有顯著增強。
用半導體激光器進行淬火處理，功率設置為300 W，鋼軌材料為U74，發(fā)現(xiàn)可使鋼軌表面硬度改善3~4倍，達到800~900 HV0.01，有效地改善了鋼軌性能。
激光離散工藝
工件進行激光離散熔凝，可以獲得非均勻性能表面。在頻繁起動、轉(zhuǎn)向、制動過程中會形成具有某種深度的熔凝點，而熔凝點分布提升輪軌耐磨能力，進而形成穩(wěn)定表面形貌，還能改善其摩擦特性，有學者就將激光離散技術應用到車輪鋼的改性處理。經(jīng)過激光離散處理后，熔凝點硬度高，在磨損過程中，容易形成凸起；熔凝點可改善輪軌抗塑性變形性能，有效阻止表面塑性變形積累，減少層片狀剝落，顯示較高耐磨損能力。
激光毛化處理
激光毛化技術已成功應用于軋輥的裝備處理，原因在于輥面能夠精確制造出粗糙形貌，并且輥面的硬度也得到改性強化。基于這一優(yōu)勢，蔡寶春等通過激光毛化處理獲得了3種不同影響輪軌材料混合潤滑摩擦因數(shù)的表面紋理形貌(橫紋、縱紋、菱形)，試驗對比得出在油污條件下使用激光毛化的菱形紋理表面，能較顯著地改善輪軌間的摩擦因數(shù)，減少
輪軌間的磨損。
其他應用及評價
激光制造其他應用
激光掃描跟蹤定位作為自動焊接定位與跟蹤的重要設備，通常隨焊接手或機器人一起提供，并由制造商開發(fā)生產(chǎn)。中車四方廠構建了構架自動焊接生產(chǎn)線，激光導向運用于物料運輸?shù)腁GV小車，還可以擴展到其他自動物流系統(tǒng)。激光打標技術不但適用于微痕標識，而且還適用于條形碼及二維碼管理。激光快速成型通常用于制作樣車、開發(fā)模具，能夠較大程度減小試制周期，降低成本，用于有限元分析、風洞試驗、校驗分析、特性測試、工藝裝配性能等。激光檢測適用性強、可靠性好、精度高，零件與車身制造監(jiān)測精準，精密化、自動化程度更高。
激光制造存在的問題
激光制造目前雖然發(fā)展迅猛，但高功率激光切道車輛制造中對精細加工的要求與日俱增，但是目前國內(nèi)的大量理論研究成果難以實現(xiàn)商業(yè)化，大都停滯在試驗樣機狀態(tài)，成熟產(chǎn)品少。而且同步化工程較差，沒有大規(guī)模將機器人技術、仿真技術等應用到激光加工中。設備的可靠性、可維修性、配套性也欠佳。
激光加工前景展望
因此，對于我們目前的激光制造業(yè)而言，亟需組建優(yōu)秀的激光加工團隊，大力普及激光加工技術。同時設立激光加工教學、科研和生產(chǎn)基地，加大相關技術同步研究。將機器人技術、仿真技術應用等大規(guī)模地應用到城市軌道車輛制造中。同時借鑒歐美日等技術發(fā)達國家的技術與經(jīng)驗，發(fā)展出我國自主特色的激光加工設備以及加工工藝。除此之外政府還可以通過靈活運用貸款、稅收等經(jīng)濟調(diào)控政策，鼓勵激光加工在我國的快速發(fā)展。
結(jié)束語
激光加工技術在城市軌道車輛制造中的應用，包括焊接、切割、表面改性、打標、快速成型、打孔及微細加工等，具有很大的發(fā)展空間，但也存在以下優(yōu)缺點：
1) 激光加工優(yōu)點：效率高，材料省，污染少，噪音低，勞動強度低；設備成套化、系列化、多功能，靈活性高；數(shù)控加工，可二維或三維的立體加工，熱變形小，加工質(zhì)量高等。
2) 存在問題：激光器的品種少、技術落后、可靠性不佳；精細加工研究薄弱；科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差等。
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