激光加工技术在城市轨道车辆制造中的应用
2018-7-16 来源：- 作者：张云飞，李军
摘要：激光制造业亟需组建优秀的激光加工团队，大力普及激光加工技术，设立激光加工教学、科研和生产基地，加大相关技术同步研究，将机器人技术、仿真技术应用等大规模地应用到城市轨道车辆制造中，发展我国自主特色的激光加工设备以及加工工艺。激光加工技术在城市轨道车辆制造中的应用，包括焊接、切割、表面改性、打标、快速成型、打孔及微细加工等。文章以城市轨道车辆为研究对象，阐述了先进激光焊接、激光切割在城市轨道车辆制造和轮轨表面处理等的原理和特点，分析了目前激光加工技术在城市轨道车辆制造中的特点和应用前景，为缩短与国外先进技术的差距，加快轨道交通技术储备提供参考。
城市轨道交通已成为现代城市公共交通的主动脉，具有运量大、能耗低、效率高、污染小、准点率高等优势。中国如今已成为全球城市轨道交通建设投入的主力军，甚至连许多二线城市都具备了轨道交通建设的条件与需求。
随着中国政府“十三五”规划的提出，国家发改委已批复了多地轨道交通的规划，到2020年投资预计将超万亿。目前城市轨道车辆制造行业中，激光加工制造技术备受瞩目，其很大程度上提升了城市轨道车辆制造水平；轻量化与高速化的趋势，也持续为其提出新方向、新课题。
由于中国的城市轨道交通起步较晚，因此为了缩短与国外先进技术的差距，应引进、研究和消化当前最新技术及设计思路，加快轨道交通技术储备，探究激光加工技术在城市轨道车辆制造中的应用。车辆激光焊接车辆转向架以及车体是城市轨道车辆上的关键构成，材质也经历了普通合金钢、不锈钢、铝合金型材几个阶段。目前在城市轨道车辆制造中，逐步引入了激光焊接等新的加工工艺。
激光拼焊
激光拼焊是城市轨道车辆中最被看好的技术之一，属于无接触焊接，可将不同钢种、厚度、表面处理的钢板焊接成一个整体，区别于电阻滚压缝焊，通过自由组合，使得构件变轻，零件变少，不仅提高可靠性，为宽体车制造奠定基础，同时也改善了焊接质量，提高了钢材收得率，并降低了生产成本。
激光组焊
激光组焊在城市轨道车辆车身制造中举足轻重，通过双件组焊、多件组焊，将已切割成形的各类车身构件，焊接成白车身分总成，进而总装成整车车身。激光组焊因其焊接强度高，可明显改善车身强度、刚度及密闭性。焊接同时结合面小、变形小、焊接速度快、可焊材料范围广，适合于柔性化生产，投资效益好。但激光组焊技术也有明显的缺点，如对夹具、被焊件、监测精度等要求严格，焊接后检测评价和返修困难，一次性投入大等。
激光-电弧复合焊
1) 不锈钢车体制造。城市轨道车辆车体通常选用不锈钢车体，由于电弧焊接后热影响及变形等较严重，因此为改善外观，过去常常进行涂装作业，而现在则选用激光或电阻焊进行作业。
通过长期加工技术应用的实践、积累及分析，不锈钢接头焊接技术规范、疲劳曲线、硬度、抗拉强度、屈服强度、等技术指标相继被取得或检验，车体激光焊接样件的制评亦完成。
2) 车辆转向架制造。城市轨道车辆转向架通常选用日本进口或国产的中厚合金钢板材，同时多选用熔化极气体保护焊。用于长直缝焊接的机械人手臂，已被各厂商所引进，来改善焊接稳定性；而开具有不同规格的坡口，通常留较小钝边，以确保熔透。激光-电弧复合焊优化焊接效率，显示了激光和电弧的特点；同时减少了设备和人员投入，降低了焊接成本，并且可选较大钝边。
车辆激光切割
激光切割技术特性城市轨道车辆制造厂商已大量使用激光切割技术，其加工的产品有很多，如车体、内装板材、转向架，常选用二维平面切割。激光可以加工出高精度、高切割断面质量的零件外形、轮廓和孔。
固体(或CO2)激光切割机通常适用于碳合金钢、不锈钢，同时也适用于铝合金板，可达到理想断面加工质量和切割速度。以某企业为例，轨道车辆车体为不锈钢，选用6 k W激光和剪板机对6 mm以下板材下料。车辆转向架选用激光切割机对14 mm以下板材进行下料，其材料为Q345C低合金结构钢。
下料环节激光切割
城市地铁机车制造首先要准备相关材料，这个阶段激光切割技术尤为重要。激光切割与火焰切割相比，切割速度快、工件变形小、加工精度高、适用性强、节料省钱、经济适用[16]，因此激光切割技术已被广泛用于轨道车辆制造中。以某企业为例，其高速动车组车体选用激光和剪板机对6 mm以下板材下料，材料为铝合金板材及型材。车辆转向架选用6 k W激光切割机对12 mm以下板材下料[17]。
三维激光切割
城市轨道车辆制造中，三维激光切割技术方兴未艾。其主要进行了各种三维冲压件的切割、割孔，除了配置机械手、光纤激光、实时监控外，还配置有除尘系统、交换工作台、封闭切割间[18]。解决了复杂工件的三维切割，代替落后的无齿具、手工等离子切割工艺，改善质量、减小污染[19]。在城市轨道车辆制造中对大长件，尤其是组成部件后加工，起到了改善切割能力和提高质量的作用。激光切割技术随着多元需求和先进制造的要求，正一步步完善和创新，一批批现代的技术和装备发展起来。
轮轨表面激光改性
城市轨道车辆的牵引、制动工况，需要利用轮轨之间的滚动接触完成。车—轨间载荷的传递需依靠很小的接触斑，各种复杂载荷反复作用发生其上，导致轮轨接触表面产生车轮轮缘、钢轨侧磨、轮轨剥离、钢轨波磨、表面擦伤和钢轨压溃性磨损等。
因此需要选用激光熔覆、激光淬火、激光离散熔凝和激光合金化等全表面处理的激光强化工艺，来提高轮轨材料抗磨损能力，以达到缓解磨损的效果。激光熔覆工艺激光熔覆工艺属于较为先进的材料表面改性工艺，属于激光加工范畴，可在车轮和钢轨表面获得无气孔及裂纹优质熔覆层，进而提升轮轨抗磨损能力，改善产品使用周期。
该加工方法将不同涂层材料设置于基体表面，同时利用高能密度激光束将涂层材料与基体表层材料共同熔凝，形成涂层。且该涂层有与基体冶金结合的功能，可以有效提升材料的抗氧化、抗热变形、抗腐蚀、抗磨损等特性。激光淬火处理激光淬火处理时，温度急速升高或冷凝，表层晶粒极细、位错密度增加，进而在表层形成压应力，能够大大改善工件的耐磨性、耐疲劳、耐蚀性，改善工件材料的性能。研究城市轨道车辆钢轮钢轨的损伤机理，利用试验发现激光淬火工艺后的轮轨表面硬度增加，抗磨性能改善，磨损量同比减少超过60%，且表面损伤相对较轻，表现为小麻点式剥落损伤，与处理前明显的剥落损伤相比，抗损伤能力有显著增强。
用半导体激光器进行淬火处理，功率设置为300 W，钢轨材料为U74，发现可使钢轨表面硬度改善3~4倍，达到800~900 HV0.01，有效地改善了钢轨性能。
激光离散工艺
工件进行激光离散熔凝，可以获得非均匀性能表面。在频繁起动、转向、制动过程中会形成具有某种深度的熔凝点，而熔凝点分布提升轮轨耐磨能力，进而形成稳定表面形貌，还能改善其摩擦特性，有学者就将激光离散技术应用到车轮钢的改性处理。经过激光离散处理后，熔凝点硬度高，在磨损过程中，容易形成凸起；熔凝点可改善轮轨抗塑性变形性能，有效阻止表面塑性变形积累，减少层片状剥落，显示较高耐磨损能力。
激光毛化处理
激光毛化技术已成功应用于轧辊的装备处理，原因在于辊面能够精确制造出粗糙形貌，并且辊面的硬度也得到改性强化。基于这一优势，蔡宝春等通过激光毛化处理获得了3种不同影响轮轨材料混合润滑摩擦因数的表面纹理形貌(横纹、纵纹、菱形)，试验对比得出在油污条件下使用激光毛化的菱形纹理表面，能较显著地改善轮轨间的摩擦因数，减少
轮轨间的磨损。
其他应用及评价
激光制造其他应用
激光扫描跟踪定位作为自动焊接定位与跟踪的重要设备，通常随焊接手或机器人一起提供，并由制造商开发生产。中车四方厂构建了构架自动焊接生产线，激光导向运用于物料运输的AGV小车，还可以扩展到其他自动物流系统。激光打标技术不但适用于微痕标识，而且还适用于条形码及二维码管理。激光快速成型通常用于制作样车、开发模具，能够较大程度减小试制周期，降低成本，用于有限元分析、风洞试验、校验分析、特性测试、工艺装配性能等。激光检测适用性强、可靠性好、精度高，零件与车身制造监测精准，精密化、自动化程度更高。
激光制造存在的问题
激光制造目前虽然发展迅猛，但高功率激光切割尚未成熟，设备成套应用也有待发展。加工技术的研究，尤其精细加工方面更为薄弱。随着城市轨道车辆制造中对精细加工的要求与日俱增，但是目前国内的大量理论研究成果难以实现商业化，大都停滞在试验样机状态，成熟产品少。而且同步化工程较差，没有大规模将机器人技术、仿真技术等应用到激光加工中。设备的可靠性、可维修性、配套性也欠佳。
激光加工前景展望
因此，对于我们目前的激光制造业而言，亟需组建优秀的激光加工团队，大力普及激光加工技术。同时设立激光加工教学、科研和生产基地，加大相关技术同步研究。将机器人技术、仿真技术应用等大规模地应用到城市轨道车辆制造中。同时借鉴欧美日等技术发达国家的技术与经验，发展出我国自主特色的激光加工设备以及加工工艺。除此之外政府还可以通过灵活运用贷款、税收等经济调控政策，鼓励激光加工在我国的快速发展。
结束语
激光加工技术在城市轨道车辆制造中的应用，包括焊接、切割、表面改性、打标、快速成型、打孔及微细加工等，具有很大的发展空间，但也存在以下优缺点：
1) 激光加工优点：效率高，材料省，污染少，噪音低，劳动强度低；设备成套化、系列化、多功能，灵活性高；数控加工，可二维或三维的立体加工，热变形小，加工质量高等。
2) 存在问题：激光器的品种少、技术落后、可靠性不佳；精细加工研究薄弱；科研成果转化为商品的能力差等。
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