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激光加工技術在城市軌道（dào）車輛（liàng）製造中的應用（yòng）

2018-8-10 來源：- 作（zuò）者：張雲飛，李軍

激光製造業亟需組建（jiàn）優秀的激光加工團隊，大（dà）力普及激（jī）光加工技術，設立激光加工教學、科研和（hé）生產基地，加大相關技術（shù）同步研究，將機器人技術、仿真技（jì）術應用等大規模地應用到城市（shì）軌道車輛製造中（zhōng），發展我國自主特色的激光加工設備以及（jí）加（jiā）工工藝。激光加工技術（shù）在城市軌道車輛製造中的應用，包括焊接、切割、表麵改性、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（qiē）割在城市軌道車輛製造和輪（lún）軌表麵處理等的（de）原理和特點，分析了目前激光（guāng）加工技術在城市軌道車輛製（zhì）造中的（de）特點（diǎn）和應用（yòng）前景，為縮短與國外先進技術的（de）差距，加快軌道交通技術（shù）儲備提供參考。

城市軌道交通已成（chéng）為現代城市公共交通的主動脈，具有運量大、能耗低、效率高（gāo）、汙染（rǎn）小、準點率高等優（yōu）勢。中國（guó）如今已成為全球（qiú）城市軌道交（jiāo）通建設投入的主力（lì）軍，甚至連許多二線（xiàn）城市都具備了（le）軌道交通建設的條件與需求。

隨著中國政府“十三五”規劃的提出，國家發改委已批複了多地軌（guǐ）道交通的規劃，到2020年投資預計將超萬億。目前城市軌（guǐ）道車輛製造行業中（zhōng），激光加工製造技術備受矚目（mù），其很大（dà）程度上提升了城市軌道車輛製造水平（píng）；輕量化與高（gāo）速化的趨勢，也持續為其提出新（xīn）方向、新課題。

由於中國的城市軌道交通起（qǐ）步較（jiào）晚，因此為了（le）縮短與（yǔ）國外先進技術的差距，應引進、研究和消（xiāo）化當前最新技術及設計思路，加快（kuài）軌道交（jiāo）通技術儲（chǔ）備，探究（jiū）激光加工技術（shù）在城市軌道車輛（liàng）製造中的應用。

車輛（liàng）激（jī）光焊接

車輛轉向架以及車（chē）體（tǐ）是城市軌道車輛上的關（guān）鍵構成，材（cái）質也經曆（lì）了普通合金（jīn）鋼、不鏽鋼、鋁合金型材幾個階段。目前在城市軌道車輛製造中，逐步引入了（le）激（jī）光焊接等新的加工工藝。

激光拚焊（hàn）

激光拚焊是城市軌道車輛中最被看好的技術之一，屬於無（wú）接觸焊接，可將（jiāng）不同鋼（gāng）種、厚度、表麵處理的鋼板焊接成一個（gè）整體，區（qū）別於電阻滾壓縫焊，通（tōng）過自由組合，使得構件變輕，零件變少，不僅提（tí）高可靠性，為寬體車（chē）製造奠定基（jī）礎，同時也改善了焊接質量，提高了鋼材收得率，並降低（dī）了生產成本。

激光組焊

激光（guāng）組焊在城市軌道車輛車身製造中（zhōng）舉足輕重，通過雙件（jiàn）組焊、多件組焊，將已切（qiē）割成形的（de）各類車身構件，焊接成白車身分總成，進而總裝成整（zhěng）車車身（shēn）。

激光組焊因其焊接強度高，可明顯改善車身強度、剛度及（jí）密閉性。焊接同時（shí）結合麵小、變形小、焊（hàn）接速度快、可焊材料範圍廣，適合於（yú）柔性化生產（chǎn），投資效益好。

但激光組焊（hàn）技術（shù）也有明（míng）顯的缺點，如（rú）對夾具、被焊件（jiàn）、監測精度等要求嚴格，焊接後檢測評價（jià）和返修困難，一次性（xìng）投入大等。

激光

電弧複合（hé）焊

1) 不（bú）鏽鋼車體製造。城市軌道車輛車體通常選用不鏽鋼車體，由於電弧焊接後熱影響及變形等較嚴重，因此為（wéi）改善外觀，過去常常進行塗裝作（zuò）業，而（ér）現在則選用激光或電阻焊進行作業。

通過長期加工（gōng）技術應用的（de）實踐（jiàn）、積累及分析（xī），不鏽鋼接頭焊接技術規範、疲勞曲線、硬度、抗拉強度、屈服強度、等（děng）技術指標相繼被取得或檢驗，車（chē）體激光焊接（jiē）樣件的製評亦完成。

2) 車輛轉向架製造。城市軌（guǐ）道車輛轉向架通常選用日本進口或國產的中厚（hòu）合（hé）金鋼板材，同時多選用熔化（huà）極（jí）氣體保（bǎo）護焊。用於長直縫焊接的機械人手臂，已被各廠商所引進，來改善焊接穩定性；而開具有不（bú）同（tóng）規格的坡（pō）口，通常留較小（xiǎo）鈍邊，以確保熔透。激光（guāng）-電弧複合焊優化焊接效率，顯示了激光和電弧的特點；同時減少了設備和人員（yuán）投（tóu）入，降低了

焊接成本（běn），並且可選較大鈍邊。

車輛激光切割

激光切割技術（shù）特性

城市軌道車輛製造廠（chǎng）商已大量使（shǐ）用激光切割（gē）技術，其加工（gōng）的產品有很多（duō），如車體、內裝板（bǎn）材、轉向架，常選用二維平麵切割。激光可以加工出高精（jīng）度、高切割斷麵質量的零件外形、輪（lún）廓和孔。固體(或CO2)激光切（qiē）割機（jī）通常適（shì）用於（yú）碳合（hé）金鋼、不鏽鋼，同時（shí）也適用於鋁合金板，可達到（dào）理想斷麵加工（gōng）質量和切割速度。

以某企業為例（lì），軌道車輛車體為不（bú）鏽鋼，選用6 k W激光和剪板（bǎn）機對6 mm以下板（bǎn）材下料。車輛轉向架選用激光切（qiē）割機對14 mm以下（xià）板材進行下料，其材料為Q345C低合金（jīn）結構鋼

下料環節激光切割

城市地鐵機（jī）車製造首先要（yào）準備相關材料，這個階段激光切割技術尤為重要。激光切（qiē）割與火焰切割相比，切割速度快、工件（jiàn）變形小（xiǎo）、加工精度高、適用性強、節料省錢、經濟適用，因此激光（guāng）切割技術已被廣泛（fàn）用（yòng）於軌道車輛製造中。以某企業為例，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（jīn）板材及型材。車輛轉向架選用（yòng）6 k W激光切割機對12 mm以下板材下料。

三維激光切割

城市軌道車輛製（zhì）造中，三維激光（guāng）切割技術方興未（wèi）艾。其主要進行了（le）各（gè）種三維衝壓件的切割、割孔，除了配置（zhì）機械手、光纖激光、實時監控外，還配置有除塵係統、交（jiāo）換工作台、封閉切割間。解決了複雜工件的三維（wéi）切割，代替落後的無齒具、手工（gōng）等離子切割工藝（yì），改善質量、減小汙染。

在城市軌道車輛製造中對（duì）大（dà）長件，尤其是組成部件後加工，起（qǐ）到了改善切割（gē）能力和提高（gāo）質量的作用。激光切割（gē）技術隨著多元需求和先進製造的要求，正一步步完善和創新，一批批現代的技術和裝備發展起來。

輪軌表麵激光改性

城市（shì）軌道車輛的牽引、製動工況（kuàng），需要利用輪軌之間的滾動接（jiē）觸完成。車—軌間載荷的傳遞需依靠很小的接觸斑（bān），各種複雜載荷反複作用發生其上，導致輪（lún）軌接觸表麵產生車輪輪緣（yuán）、鋼軌側磨、輪軌剝離、鋼（gāng）軌波磨、表麵擦傷和鋼（gāng）軌壓潰性磨損等。因此需要選用激光熔覆、激光淬火、激光離（lí）散熔（róng）凝和激光合（hé）金化等全表麵處理的激光強化工藝，來提高輪軌材料抗磨損（sǔn）能力，以達（dá）到緩解磨損的效果。

激光熔覆工藝

激光熔（róng）覆工藝屬於（yú）較為先進的（de）材料（liào）表麵改性工（gōng）藝（yì），屬於激光加（jiā）工範疇，可在車輪和鋼軌表麵獲得無（wú）氣孔（kǒng）及裂紋優質熔覆層，進而提升輪軌抗磨損能力，改善產品使用（yòng）周期。

該加工（gōng）方法將不（bú）同塗層材料設（shè）置於（yú）基體表麵，同（tóng）時利（lì）用高能密度激光束（shù）將塗層材料與基（jī）體表層材（cái）料共同熔凝，形成塗層。且該塗層有與基體冶金結合的功能，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（cuì）火處理（lǐ）

激光淬火（huǒ）處理時，溫（wēn）度急（jí）速升高或冷凝，表層晶粒極（jí）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（nài）蝕性，改善工件材料的性能（néng）。研究城市軌道車輛鋼輪鋼軌的損傷機理，利用試驗發現激光淬火工藝後的輪軌表麵硬（yìng）度增加，抗磨性能（néng）改善，磨損量同比減少超過60%，且表麵（miàn）損傷相（xiàng）對較輕，表現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（xiǎn）著增強。

用半導（dǎo）體激（jī）光（guāng）器進行淬火處理，功率設置為300 W，鋼軌材料為（wéi）U74，發現可使鋼軌表麵硬度改善3~4倍，達到800~900 HV0.01，有（yǒu）效地改善了鋼軌性能（néng）。

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麵（miàn）。在頻繁起動、轉向、製動過程中會形成具有某種深度的熔凝（níng）點，而熔凝點分布提升（shēng）輪軌耐磨能力（lì），進而（ér）形成穩定表（biǎo）麵形貌，還能改善（shàn）其摩（mó）擦特性，有（yǒu）學者就將激光離散技術應用到車輪鋼的改性處理。經過激光離散處（chù）理後，熔凝點硬度高，在磨損過程中，容易形（xíng）成凸起；熔凝點可改善輪軌抗（kàng）塑性變形性能，有（yǒu）效阻止（zhǐ）表麵塑性變形積累，減少層片狀剝落，顯示較高耐磨損能（néng）力。

激光毛（máo）化處理

激光毛化技術已（yǐ）成功應用於軋輥（gǔn）的裝備處理，原因在於輥麵能夠精（jīng）確製造出粗糙形貌，並且輥（gǔn）麵的硬度也得到改性強化。基於（yú）這一優勢，蔡寶春（chūn）等通過激光毛化處理獲得了3種不同影響輪軌材料混合（hé）潤滑（huá）摩擦因數的表麵紋理形貌(橫紋、縱紋、菱（líng）形)，試驗對比得出在油汙條件下使用激光（guāng）毛化的菱形紋理表麵，能較顯著地改善輪軌間的摩擦因（yīn）數，減（jiǎn）少（shǎo）

輪軌間的磨損。

其（qí）他應用及評價

激光製造其（qí）他應用（yòng）

激光掃描（miáo）跟蹤定位作為自（zì）動焊接定位與跟蹤的重（chóng）要設備，通（tōng）常隨焊接手或機器人一起提供，並由製造商開發生產。中（zhōng）車四方（fāng）廠構建了構架自動焊接生產線，激光導向運用於物料運輸的AGV小車，還可以擴展到其他自動物流係統（tǒng）。激光打標技術（shù）不但（dàn）適用於微痕標識，而（ér）且還適用於條形碼及二維碼管理。激光快速成型通常用於製作樣車、開發模具，能夠較大程度減小（xiǎo）試製周期，降低成本，用於有限元分析、風洞試驗、校驗分析、特性（xìng）測試、工藝裝配性能等。激光檢測適用性強、可靠性（xìng）好、精（jīng）度高，零件與車身製（zhì）造監測精準，精密化、自動化程度更（gèng）高（gāo）。

激光製造存在的問題

激光製造目前（qián）雖然發展迅猛，但高功率激光切道車輛製造中對精細加工的要（yào）求與日俱（jù）增，但是目前國內的大量理論研究成果難以實現（xiàn）商業化（huà），大都停滯在試驗樣機狀態，成熟產品少。而且同步化工程較差，沒有大規模將機器人技術、仿真技術等應用到激光加工（gōng）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，對於我們目（mù）前的激光製造業而言，亟（jí）需組建優秀的激光加工團隊（duì），大力普及激（jī）光加（jiā）工技（jì）術。同時設立激（jī）光（guāng）加工教學、科研和（hé）生產基地，加大相（xiàng）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（shì）軌道車（chē）輛製造中。同時借鑒歐美日等技術發達國家的技術與經（jīng）驗，發（fā）展出（chū）我國自主特色的激光加工設備以及加（jiā）工（gōng）工藝。除此之外政府還（hái）可（kě）以通過靈活運用（yòng）貸（dài）款、稅收等經濟調控政策（cè），鼓勵激光加（jiā）工在我國的快速發展。

結束語

激光加工技術在城市（shì）軌道車輛製造中的應用，包括焊接、切割、表麵改性、打標、快（kuài）速成型、打孔及微細加（jiā）工等，具有很大的發展空間，但也存在（zài）以（yǐ）下優（yōu）缺點：

1) 激光加工優（yōu）點：效率高，材料省，汙染（rǎn）少，噪音低（dī），勞動強度低；設備成套化、係列化（huà）、多功（gōng）能，靈活性高；數控加工（gōng），可二維或三維（wéi）的立體加工，熱變（biàn）形小，加工質量高等。

2) 存（cún）在問題（tí）：激光器的品種（zhǒng）少、技術落後、可靠性不佳；精細（xì）加工研究薄弱；科研成果轉（zhuǎn）化為商品的能力差等（děng）。

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