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激光加工技术在城市轨道车辆制造中的应用
2018-8-10  来源:-  作者:张云飞,李军

  

  
    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,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。
  
    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。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。
 
 
    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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