激光焊接不銹鋼車體側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)研發(fā)

商 亮

（中國北車長春軌道客車股份有限公司,長春 130000）

1 國內(nèi)外激光焊接技術(shù)的發(fā)展簡述及激光焊接技術(shù)的特點

1.1 國內(nèi)外激光焊接不銹鋼車體現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，激光焊接技術(shù)在歐洲、美國和日本等地陸續(xù)得到了廣泛的關(guān)注。1985年，德國大眾汽車公司成功試驗出世界上第一塊激光拼焊板，并應(yīng)用于Audi100車身上。90年代開始，世界各大汽車制造廠商陸續(xù)大規(guī)模地將激光拼焊板技術(shù)應(yīng)用于汽車車身的制造中。

本世紀(jì)初，德國、日本、韓國等國相繼開發(fā)將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于城市軌道車輛領(lǐng)域，并且已有激光焊接的不銹鋼車體在線運營，但截至目前，國內(nèi)仍無激光焊接不銹鋼車體成功上線的案例。近日，中國北車長春軌道客車股份有限公司的激光焊研發(fā)項目完成了國內(nèi)首列激光焊接不銹鋼車體的試制，成為了國內(nèi)第一家成功研制此項技術(shù)的軌道車輛制造商。

目前國內(nèi)軌道列車行業(yè)普遍采用的主要焊接方式為電阻點焊焊接。點焊后的車體表面會留下點焊痕跡，影響車體外表面的美觀性。而激光焊接技術(shù)則避免了這一問題，讓車體表面更加美觀。

采用激光焊接技術(shù)的車體外觀在平整度和美觀程度上都是傳統(tǒng)點焊技術(shù)無法比擬的，強度和剛度也比傳統(tǒng)點焊車體更優(yōu)。該車體的研制成功，為激光焊接的軌道車輛的正式生產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)。

1.2 激光焊接的特點

激光焊接技術(shù)的原理簡單來說就是將高強度的激光束輻射致金屬表面,通過激光與金屬的相互作用,金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。

激光焊接技術(shù)的優(yōu)點：

（1）激光焊接的能量密度高，熱量集中，作用時間短?？蓪⑷霟崃拷档阶畹偷男枰?，熱影響區(qū)范圍小，所以因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形量較低，非常適用于對溫度及其敏感的不銹鋼材料的焊接；

（2）激光焊接的焊縫密封性好。在激光焊接過程中不需要類似焊絲等添加物質(zhì)，而是通過加熱，使金屬熔化后重新凝結(jié)為一體。這一優(yōu)勢可大大降低車體漏雨的風(fēng)險；

（3）強固焊縫，因為熾熱熱源降低雜質(zhì)含量、改變夾雜尺寸和其在熔池中的分布，熔化區(qū)受污染少，使得焊縫強度、韌性至少相當(dāng)于甚至超過母體金屬；

（4）精確控制。因為聚焦光點很小，焊縫的定位精度更高。用數(shù)控光束移動技術(shù)還可以焊接較為復(fù)雜的工件。這將更容易實現(xiàn)自動化的高速焊接，達(dá)到提高生產(chǎn)的效率和質(zhì)量的目的。

當(dāng)然激光焊接也存在一些缺點：

（1）激光焊接對焊件間的間距要求較高，這導(dǎo)致焊件本身的平整度、平面度、直線度等參數(shù)和所需使用的工裝夾都必須具有非常高的精度才能保證焊接質(zhì)量；

（2）激光焊接的設(shè)備價格較高，一次性投入較大。

2 長客股份采用激光焊接側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的車體研發(fā)

2.1 激光焊接車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)

隨著激光焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，其在軌道列車行業(yè)中的應(yīng)用也越為廣泛。近幾年，中國北車長春軌道客車股份有限公司正自主研發(fā)激光焊接技術(shù)在城軌車輛不銹鋼車體生產(chǎn)中的應(yīng)用。研發(fā)初期，為了設(shè)定合理的焊接參數(shù)并掌握真實的焊接數(shù)據(jù)，長客股份利用現(xiàn)有的激光焊接設(shè)備，進行了大量試驗，終于完成了原始數(shù)據(jù)的積累，從而為接下來的車體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)對傳統(tǒng)點焊結(jié)構(gòu)的計算分析和實驗數(shù)據(jù)以及前期設(shè)計經(jīng)驗的積累，長客股份對激光焊接的實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的設(shè)備工裝情況進行了細(xì)致的分析，對傳統(tǒng)的車體側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)進行了有針對性的更新。

2.2 激光焊接側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路

本次激光焊接鋼結(jié)構(gòu)車體設(shè)計是依托于長客股份城鐵車輛B型不銹鋼車平臺，對端墻、車頂及底架鋼結(jié)構(gòu)不做任何改動，僅對側(cè)墻進行適用于激光焊接技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這不僅要保證各大系統(tǒng)間的接口不變，還要滿足BS EN 12663歐洲標(biāo)準(zhǔn)和TB/T 1335 鐵道車輛強度標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計難度大大提高。

根據(jù)激光焊的實際特點和工藝設(shè)備的具體情況和實驗分析具體數(shù)據(jù)，此次激光焊接的側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要采用了“夾心式”結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要包括了側(cè)墻外板、波紋板、結(jié)構(gòu)強度件、結(jié)構(gòu)功能件等主要零部件。同時，由于激光焊接技術(shù)對焊接件的精度要求較高，本次研發(fā)中，為讓所采用的零部件能夠符合激光焊接的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計師對所采用的零部件的精度做了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

分塊側(cè)墻的設(shè)計，要充分考慮如何利用現(xiàn)有設(shè)備，達(dá)到全部焊縫均采用激光焊接，從而滿足強度、剛度、外觀等諸多要求。側(cè)墻門口單元和分塊側(cè)墻單元合成時，采用點焊方式合成為側(cè)墻。

2.3 采用激光焊接側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的不銹鋼車體靜強度分析

為了驗證設(shè)計的合理性，對采用激光焊接側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的車體鋼結(jié)構(gòu)進行了壓縮與垂直載荷、拉伸與垂直載荷等10種工況的靜強度計算，同時還進行了車體鋼結(jié)構(gòu)的一階彎曲頻率和一階扭轉(zhuǎn)率計算。

計算結(jié)果表明，本次采用激光焊接側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的車體完全滿足BS EN 12663歐洲標(biāo)準(zhǔn)和TB/T 1335 鐵道車輛強度標(biāo)準(zhǔn)，這一結(jié)果為采用激光焊接技術(shù)的車體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)提供了理論的基礎(chǔ)和保障。

3 結(jié)束語

隨著技術(shù)的日益成熟、制造規(guī)模的不斷擴大，中國北車長春軌道客車股份有限公司所生產(chǎn)的不銹鋼車輛已遍及中外多個國家。目前，長客股份的激光焊接技術(shù)在側(cè)墻上的研發(fā)已經(jīng)成功，在端墻鋼結(jié)構(gòu)上的試制工作也接近尾聲。近日，長客股份更是一舉拿下了美國波士頓地鐵的兩條線路。而招標(biāo)文件中明確提出，車輛表面需采用激光焊接技術(shù)的要求。這說明激光焊接技術(shù)在軌道列車行業(yè)中被廣泛應(yīng)用已是大勢所趨。相信在不久的將來，中國北車長春軌道客車股份有限公司所生產(chǎn)的激光焊接不銹鋼車體，會開往更多的國家，同時也會在軌道列車發(fā)展史上，開創(chuàng)新的篇章！

[1]長客股份企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QCC90-021-2012激光焊接頭疲勞試驗方法[S].

[2]王鐵民.“激光焊接不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)研發(fā)”[J].吉林鐵道，2012(07).