激光加工在轨道交通车辆制造中的应用现状及发展趋势

刘庆祝 韩锋

一、概述

激光加工技术发展带动了轨道客车制造水平的进步，同时轨道车辆高速和轻量化的要求也不断给激光加工技术提供了新的课题和研究方向，带动了产品结构的进步，应该说没有现代化激光加工技术的应用，也不能有现代化多品种、多系列的高速及城市轨道客车的迅猛发展。

二、轨道车辆制造中激光加工技术应用现状

1. 激光切割技术

激光切割作为一种柔性加工技术，具有高精度、高效率、热变形小和适应性强等优点，目前国内外的轨道车辆制造厂家普遍采用激光加工技术进行不锈钢、碳钢、铝合金等金属板料的加工。加工的产品主要有车体、转向架、内装部位的金属板材零件，多数为二维平面切割，通过激光切割加工出零件的外形轮廓和孔，获得较高的精度和切割断面质量。激光加工采用的主要设备为各种规格的激光切割机，各厂家根据产能的不同，拥有多台激光切割机。一般情况下，碳钢和不锈钢板普遍采用CO2激光切割机或固体激光切割机；铝合金板采用固态激光切割机；对于10~20mm厚的碳钢板材，普遍采用CO2激光切割机，可以达到较高的切割速度和良好的断面切割质量。

由于激光加工技术的应用，实现了柔性加工，取代了大量的冲压模具，缩短了冲压生产的准备周期，节约了大量模具成本，因此激光切割已经成为国内外轨道车辆制造业中金属板材下料的主要手段，如图1、图2所示。

图1 激光切割打孔的零件

图2 主要激光切割设备

评价激光切割的精度主要有三类指标：①切割断面指标：主要有断面粗糙度、切割斜度、挂渣及热变形等。②几何公差指标：主要有孔圆度、位置度、重复精度及尺寸误差等。③氧化层和热影响区等。参照国家标准：GB/Z18462—2001激光加工机械—金属切割的性能规范与标准检查程序。

实际生产中影响激光切割精度的原因有很多，如设备精度、切割参数、气体纯度、材料种类、厚度及环境因素等。选用设备时要根据设备制造商提供的精度测试数据和曲线来衡量设备能够达到的精度。一般情况下，激光切割的光束定位精度为±0.03mm；切割面粗糙度Ra=12.5μm左右；实际切割的误差为0.1~0.3mm。

2. 激光焊接

激光焊接作为一种高能束焊接方法，因其具有焊接接头质量稳定、焊接速度快、焊接变形小等特点，已得到广泛应用。在轨道车辆方面，近些年主要是碳钢和不锈钢车体钢结构表面外板的拼接焊，其优点是焊接效率高，焊接变形很小，提升了车辆钢结构外表的整体平整度和外观质量。主要是采用激光焊接专机或焊接机器人的方式，激光发生器采用CO2激光器或固态激光发生器，通过相应的控制方式和辅助装置实现钢板的对接拼焊，如图3、图4所示。

不锈钢激光半熔透叠焊技术目前在轨道客车车体上开始了推广应用，其主要目的是代替轨道车辆外板与骨架的电阻点焊。由于传统的电阻焊工艺，表面焊点不可避免的存在一定凸痕，另外，点焊结构车体密封性差，还不能广泛应用高速动车组车体产品。采用半熔透叠焊技术可实现焊后下板外表面无焊接变形、变色的目标，制造出外形美观、不涂装的不锈钢车体产品，而且通过激光焊接工艺，车辆的静强度和疲劳强度提高、车体质量减轻、密封性好，使采用不锈钢车体的高速动车组成为可行。薄板不锈钢车体激光焊技术可被应用到高速动车组和城轨车制造中，大大提升产品的档次，增强企业的市场竞争力，市场前景非常乐观，如图5、图6所示。

图3 不同类型的激光焊接设备

图4 激光焊接的车体墙板和最终完成的侧墙组成

图5 激光焊半熔透叠工作形式和焊缝断面形貌

图6 激光焊后车辆外表状态

三、轨道车辆制造中激光加工技术发展趋势

1. 激光切割技术

三维激光切割技术刚刚在国内轨道车辆制造业进行应用，主要进行各种三维冲压件的切割、割孔，一般配置机械手、光纤激光、交换工作台、闭路实时监控显示、封闭切割间、除尘及编程系统。能够实现各种三维工件进行三维切割、割孔；配置的交换工作台可进行工件交换切割，提高效率；离线和示教编程，提高切割精度；实现安全环保。该设备在生产中的应用，解决了各种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，不仅提高产品质量，而且解决了环境污染问题，如图7所示。

另外，伴随着激光切割技术的不断发展和广泛应用，激光加工技术在轨道车辆制造中将呈现以下发展趋势：

（1）激光切割设备的大型化 对大长件的加工，尤其是组成部件后进行激光切割，将提高大型工件加工能力和质量。

（2）激光切割设备的专用化 针对碳钢、不锈钢、铝合金材料，尤其是不同厚度的材料选用不同的切割设备；例如铝合金切割采用合适功率的光纤激光，减少反射对设备危害，提高质量；厚碳钢板采用CO2激光切割，提高速度和断面质量；薄板采用效率高、成本低的光纤激光切割。

（3）激光切割技术的进一步创新和提高 随着需求的多元化对激光切割技术提出更高要求，势必促进激光切割技术的革命，更先进的技术和设备将应运而生。同时激光切割技术的广泛应用，也将为激光切割技术的创新和改进提供有效的数据和经验。总之，切割质量进一步提高将是永无止境的目标。

2. 激光焊接

激光-电弧复合焊是近年来开发的一种高能束焊接方法，通过激光和电弧同时向焊接区输入能量，同时作用于焊缝区，充分发挥各自的优势，形成了一种新的高效焊接热源。目前，激光-电弧复合焊接技术已经在汽车、船舶、航天航空、石油管道等方面得到了实际应用；激光-MIG复合焊具有比激光焊和电弧焊熔深大，焊接速度快、焊缝成形比激光焊好、热输入热输入小，焊接变形小，焊接强度损失小、对接头间隙不敏感等优点。该技术在国内轨道车辆行业还没有实际应用案例，只进行了相关的工艺试验开发并取得一定的成果，如图8所示。

在激光-电弧复合热源焊接过程中，激光与电弧的相互作用，提高了激光、电弧能量的利用率，焊缝深宽比大，在获得相同焊接熔深的条件下，复合热源焊接速度显著的提高；同时复合焊接热输入减小，焊缝热影响区小，焊后变形随之减小，特别在大厚板的焊接中，由于复合焊接道数减少，焊后矫形的工作量也相应减少。因此，激光-电弧复合焊接技术在车辆焊接上具有推广潜力和良好的发展前景。

图7 三维切割机器人和切割零件

图8 激光-电弧复合焊机械手

四、结语

随着轨道交通装备制造轻量化、制造高效化的发展，以及激光技术的进步，激光切割及激光焊接技术作为一种先进、高效的加工技术，将会在轨道交通装备制造行业中得到较快的应用发展。