高端不銹鋼軌道車輛激光疊焊技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

王洪瀟，何廣忠，王春生，高文文

摘要：針對高端不銹鋼地鐵產(chǎn)品采用電阻點(diǎn)焊工藝出現(xiàn)外觀水平低、效率低等問題，國內(nèi)首創(chuàng)性開發(fā)出采用薄板搭接激光焊部分替代電阻點(diǎn)焊方法制造的不銹鋼軌道車輛新產(chǎn)品。介紹了不銹鋼車體激光搭接焊工藝開發(fā)，優(yōu)化了工藝參數(shù)，得出在光斑直徑為0.6 mm的前提下，激光功率1 200 W、焊接速度30 mm/s可獲得剪切強(qiáng)度和下板外表面質(zhì)量合格的接頭。通過明確焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（熔深0.9 mm）并進(jìn)行焊縫質(zhì)量監(jiān)測裝置開發(fā)，搭建激光焊制造體系，實(shí)現(xiàn)了激光焊新技術(shù)在高端不銹鋼軌道車輛產(chǎn)品中的批量化應(yīng)用，激光焊不銹鋼車體質(zhì)量降低1.8 t，側(cè)墻抗橫向沖擊性能顯著提升，提升車體壽命15%以上。

關(guān)鍵詞：高端不銹鋼車體;激光焊;質(zhì)量檢測;技術(shù)體系

中圖分類號：TG456.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0031-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.06

0? ? 前言

隨著軌道車輛行業(yè)的快速發(fā)展，輕量化設(shè)計已成為軌道車輛車體設(shè)計的主流[1-2]。激光焊接是一種高能束焊接方法，具有焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定、焊接速度快、焊接變形小等特點(diǎn)[3]，軌道車輛制造中采用激光焊接技術(shù)，不但可以提高產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和焊接效率，而且促進(jìn)了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)改造升級和輕量化設(shè)計。

目前，不銹鋼軌道車輛在國內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在地鐵、城市輕軌和城際鐵路中的應(yīng)用。不銹鋼軌道車輛具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、壽命長、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，但是車體結(jié)構(gòu)的制造過程比其他類型的軌道車輛更為復(fù)雜。針對不銹鋼軌道車輛點(diǎn)焊車身表面質(zhì)量低、密封性差等問題，目前部分熔透激光焊接技術(shù)被認(rèn)為是解決不銹鋼車體側(cè)墻焊接弊端的關(guān)鍵技術(shù)，已被應(yīng)用于國內(nèi)外多個地鐵項目生產(chǎn)中。

國內(nèi)外制造商及研究機(jī)構(gòu)都將不銹鋼激光焊技術(shù)列為主要研究內(nèi)容。日本川崎重工[4]對SUS304不銹鋼表面無焊接痕跡的搭接激光焊接方法進(jìn)行了研究，指出電阻點(diǎn)焊接頭為“ 點(diǎn) ”連接，激光焊接接頭為“ 線 ”連，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了替代連接。國內(nèi)中車集團(tuán)的相關(guān)公司[5-7]也進(jìn)行過相關(guān)研究與應(yīng)用，中車唐車研究了部分熔透激光疊焊工藝參數(shù)對接頭強(qiáng)度的影響，中車四方公司采用激光焊技術(shù)應(yīng)用于青島地鐵的制造;北京交通大學(xué)的劉亞姣[8]對不銹鋼車體板材搭接與對接激光焊接接頭的拉伸斷裂行為進(jìn)行了研究，分析了激光焊接頭的斷裂模式。

文中主要針對不銹鋼車體激光疊焊工藝進(jìn)行開發(fā)，優(yōu)化工藝參數(shù)，明確焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行焊縫質(zhì)量監(jiān)測裝置開發(fā)，搭建了激光焊制造體系，并實(shí)現(xiàn)了激光焊新技術(shù)在高端（就產(chǎn)品檔次而言）不銹鋼軌道車輛產(chǎn)品中的批量化應(yīng)用，目前形成了世界領(lǐng)先的高端不銹鋼車輛產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)能力。開發(fā)出了強(qiáng)度高于電阻點(diǎn)焊、外觀美觀的軌道車輛激光疊焊工藝，并對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，車體的側(cè)墻制造由電阻焊改用激光焊，其疲勞強(qiáng)度提高15%以上，并大幅提高整車的剛度和強(qiáng)度，并且起到減重的作用。

1 試驗(yàn)方法及材料

試驗(yàn)材料為SUS301奧氏體不銹鋼，試驗(yàn)過程中采用兩塊不同厚度的試驗(yàn)板構(gòu)成搭接接頭形式（見圖1），試板尺寸分別為150 mm×50 mm×0.6 mm和150 mm×50 mm×2 mm。試驗(yàn)用激光焊設(shè)備如圖2所示。該激光器是德國 IPG 公司YLR-10000型10 kW光纖激光器，性能良好，光束質(zhì)量穩(wěn)定，激光通過直徑400 μm的光纖傳輸，易于實(shí)現(xiàn)自動化加工。試驗(yàn)過程中，YLR-10000型光纖激光器配合高柔性KUKA公司KR-2型機(jī)器人和德國HIGHYAG激光加工頭實(shí)現(xiàn)激光焊接過程。HIGHYAG激光頭準(zhǔn)直鏡焦距為200 mm，聚焦鏡焦距為300 mm，因此聚焦位置的光斑直徑為 0.6 mm。

2 激光焊參數(shù)優(yōu)化

軌道列車側(cè)墻激光焊接參數(shù)（激光功率、焊接速度、離焦量）是影響焊接質(zhì)量的重要因素。為獲得下板外表面質(zhì)量良好和性能可靠的軌道列車用不銹鋼薄板激光搭接焊接接頭，對激光搭接焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，分別研究激光功率和焊接速度對焊縫熔寬、焊縫熔深、最大剪切載荷及下板背面質(zhì)量的影響，根據(jù)最大剪切載荷標(biāo)準(zhǔn)和下板外表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。

2.1 焊接參數(shù)對焊縫性能的影響

保持焊接速度v=30 mm/s、離焦量f=0不變，在激光功率分別為800 W、900 W、1 000 W、1 100 W、1 200 W、1 300 W以及1 400 W情況下獲得的焊接接頭的剪切載荷、熔深和熔寬的變化規(guī)律如圖3所示。可以看出， 隨著激光功率的增加，剪切載荷、熔深和熔寬均增加，并且最大剪切載荷與熔深和熔寬具有良好的對應(yīng)關(guān)系。

保持激光功率為1 200 W、離焦量f=0不變，在焊接速度分別為20 mm/s，25 mm/s，30 mm/s，35 mm/s

以及40 mm/s的情況下獲得的焊接接頭的剪切載荷、熔深和熔寬的變化規(guī)律如圖4所示?？梢钥闯觯S著焊接速度的增加，剪切載荷、熔深和熔寬均降低，且剪切載荷與熔深和熔寬具有良好的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 焊縫成形與剪切拉伸載荷關(guān)系

焊縫熔深、熔寬與不銹鋼激光焊搭接接頭的最大剪切載荷的關(guān)系分別如圖5、圖6所示。由圖5可知，當(dāng)焊縫熔深小于0.6 mm時，由于下板未發(fā)生熔化，因此無法形成激光焊搭接接頭;熔深超過0.6 mm后，下板開始熔化，形成焊核，搭接接頭可以承載，隨著熔深的增加，焊縫的最大剪切拉伸性能不斷增加;焊縫熔深達(dá)到0.8 mm時，搭接接頭的最大剪切載荷達(dá)到14 kN;焊縫熔深超過 0.8 mm后，搭接接頭的最大剪切載荷在14～15 kN;隨著焊縫熔深的繼續(xù)增加，最大剪切載荷幾乎保持不變。由圖6可知，隨著焊縫寬度的增加，搭接接頭的最大剪切載荷基本保持增加趨勢，但是在光斑直徑為 0.6 mm 的光束條件下，激光搭接接頭的極限熔寬約為1.1 mm。隨著熔深的增加，焊縫熔寬增加，但當(dāng)熔深增加到一定程度后，焊縫熔寬基本保持不變。通過上述分析可知，焊縫熔寬是影響不銹鋼薄板激光焊搭接接頭剪切拉伸性能的主要參數(shù)。

2.3 焊縫成形與下板外表面質(zhì)量關(guān)系

由于下板外表面將作為軌道列車的側(cè)墻外表面直接使用，且無涂裝等工序，因此下板外表面質(zhì)量是評價不銹鋼薄板激光搭接焊接頭的另一個重要標(biāo)準(zhǔn)。不同焊縫熔深條件下的焊縫橫截面和表面質(zhì)量如表1所示。由表1可知，在焊縫熔深在 0.7 mm 和 0.87 mm 的情況下，下板外表面質(zhì)量良好，基本與未焊接的下板外表面質(zhì)量相同;而在焊縫熔深為1 mm 和 1.1 mm 的情況下，可以清晰地看出，在下板外表面焊縫對應(yīng)位置出現(xiàn)一道明顯的痕跡，說明焊接過程對下板外表面質(zhì)量產(chǎn)生了顯著影響。背面的焊接痕跡是由于焊接熱量產(chǎn)生的熱變形及變色，并不是熔合線。熔深是包含上板板厚及下板熔入深度的共同深度，熔深為0.87 mm時焊接產(chǎn)生的熱量不會傳導(dǎo)到外表面，熔深加大，熱量傳導(dǎo)到外表面產(chǎn)生變形、變色。

2.4 激光功率和焊接速度的工藝優(yōu)化

綜上所述，不銹鋼薄板激光搭接焊接頭質(zhì)量的兩個重要評價標(biāo)準(zhǔn)為搭接接頭的剪切載荷和下板外表面質(zhì)量，焊縫熔寬和熔深是影響這兩個質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)的重要參數(shù)。而不銹鋼薄板激光搭接焊縫尺寸主要是由激光功率和焊接速度決定，因此合理匹配激光功率和焊接速度是控制焊縫成形，保證搭接接頭剪切載荷和下板外表面質(zhì)量的主要途徑。在試驗(yàn)中，對800～1 400 W的7個激光功率、20～40 mm/s的5個焊接速度，共計35組焊接參數(shù)下的剪切載荷、焊縫熔深、下板外表面質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計，如圖7所示。可以看出，在一定的功率條件下，焊接速度較小時，線能量較大，因此熔深較大，影響下板的外表面質(zhì)量;焊接速度較大時，線能量較小，熔深不足，很難保證剪切強(qiáng)度。通過工藝優(yōu)化，為保證剪切強(qiáng)度和下板外表面質(zhì)量，焊接線能量控制在約40 J/mm較為合適。綜合考慮焊接速度對焊縫成形的影響，最終優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)為：在光斑直徑為0.6 mm的前提下，激光功率 1 200 W、焊接速度 30 mm/s。

2.5 焊接質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)

焊縫熔深與下板外表面質(zhì)量關(guān)系曲線如圖8所示。由圖可知，熔深與灰度差值（即下板背面質(zhì)量）有良好的對應(yīng)關(guān)系，灰度差值隨熔深增大而增大，由此可得出：焊縫熔深是決定搭接下板外表面質(zhì)量的主要參數(shù);焊縫熔深在0.9 mm以下時，下板外表面質(zhì)量幾乎不受焊接過程的影響。因此，本研究將熔深0.9 mm作為表面質(zhì)量臨界可接受的條件。

3 激光焊接質(zhì)量檢測

通過研究焊接參數(shù)、接頭強(qiáng)度與焊縫熔深、熔寬相互影響，獲得了既滿足強(qiáng)度要求又滿足下板外表面質(zhì)量要求的焊接工藝。通過焊接穩(wěn)定性和焊接適用性的分析，證明該工藝具有一定的焊接適用性，但是由于該結(jié)構(gòu)整體板厚較小，要求下板的熔深比較精準(zhǔn)，而實(shí)際的激光焊接過程是帶有波動的物理過程，且焊接波動很容易造成上下板材未熔合和熔深不足等缺陷。由此可見，如何實(shí)現(xiàn)焊接過程的穩(wěn)定性是該項技術(shù)實(shí)際工程應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題，開展焊接過程的在線監(jiān)測及焊后的質(zhì)量檢測十分重要。

3.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)

采用PRECCITEC LWM的焊接過程穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)激光焊接過程伴隨的物理現(xiàn)象，提取激光焊接過程的等離子體信號、反射光信號和熔池金屬熱輻射信號，通過焊接過程中三種信號的變化來辨別焊接缺陷的發(fā)生，如圖9所示。

LWM在線監(jiān)測系統(tǒng)首先需要針對優(yōu)化后的激光焊接工藝進(jìn)行大批量的焊接工藝試驗(yàn)，在此過程中LWM不斷提取等離子體信號、反射光信號和熔池?zé)彷椛湫盘?。LWM在信號的不斷采集中進(jìn)行學(xué)習(xí)，確定在線檢測信號（熱輻射信號、等離子體信號、反射光信號）的閾值，獲得穩(wěn)定工藝允許的在線監(jiān)測信號取值區(qū)間。通過以上研究表明LWM系統(tǒng)對于激光搭接焊接過程穩(wěn)定性檢測具有良好的適用性和監(jiān)測效果，對于后續(xù)軌道列車側(cè)墻激光焊接工藝的穩(wěn)定性控制具有重要意義。

3.2 焊后超聲波檢測

部分熔透激光焊縫尺寸極小，為確保焊接質(zhì)量，需要對全部焊縫進(jìn)行有效的無損檢測評估。采用高頻聚焦超聲傳感器及高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動精確定位掃描方法，建立小尺度搭接激光焊縫連接的超聲檢測高精度定量分析模型，基于嵌入式工業(yè)計算機(jī)開發(fā)出不銹鋼搭接激光焊縫質(zhì)量智能化定量檢測評估系統(tǒng)。為從多角度對不銹鋼搭接激光焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測評估，采用高精度激光傳感器及高分辨率步進(jìn)電機(jī)對搭接激光焊縫表面形貌進(jìn)行全面掃描檢測，利用3D成像技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)及嵌入式工業(yè)計算機(jī)等開發(fā)出基于不銹鋼搭接激光焊縫表面形貌高精度非接觸式檢測的激光焊縫質(zhì)量評估分析技術(shù)及裝置，如圖10所示，為不銹鋼搭接激光焊縫質(zhì)量控制提供雙重保證。

4 激光焊質(zhì)量保障技術(shù)體系

目前激光焊接技術(shù)以其高效、質(zhì)量穩(wěn)定、變形小等優(yōu)點(diǎn)已在國內(nèi)外軌道客車行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。中車長客股份進(jìn)行了軌道車輛側(cè)墻部分熔透激光疊焊工藝的研發(fā)，通過開展激光焊工藝方法的研究，解決了不銹鋼激光焊工藝中各種焊接變形、焊接質(zhì)量、壓緊、控制等難題，提高了焊接接頭的強(qiáng)度、改善了車體外觀質(zhì)量、提高了生產(chǎn)效率，同時在美國地鐵項目中實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。由于激光焊軌道車輛產(chǎn)品需求越來越多，為規(guī)范軌道車輛激光焊批量化生產(chǎn)，保證激光焊產(chǎn)品質(zhì)量，制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)7項、中車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1項，規(guī)定了軌道車輛激光焊的焊前準(zhǔn)備、焊中控制、焊后檢測、修復(fù)及設(shè)備的日常維護(hù)使用等要求。規(guī)定焊接前焊接間隙的控制、焊接試驗(yàn)、焊接參數(shù)的優(yōu)選試驗(yàn)等;焊接過程中控制焊接技師及焊工的技術(shù)水平、確定接頭的焊接等級;規(guī)定搭接、對接、角接等接頭形式激光焊后檢測進(jìn)行外觀試驗(yàn)和平滑度試驗(yàn)、拉伸剪切試驗(yàn)、斷面試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)項目均為質(zhì)量管控的試驗(yàn)內(nèi)容，在此不再贅述。

5 激光疊焊技術(shù)應(yīng)用

5.1 激光焊車體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)激光疊焊技術(shù)特點(diǎn)對不銹鋼車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在新的激光焊接結(jié)構(gòu)中，采用逐層疊加組合結(jié)構(gòu)形式，如圖12所示，提高了側(cè)墻的平整度、美觀度及強(qiáng)度。新型不銹鋼城軌客車表面焊縫采用無痕小尺寸部分熔透搭接激光焊，由于單條焊采用激光焊技術(shù)，與原來的電阻點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)相比，焊縫密度提高20%;單條焊縫強(qiáng)度高于電阻點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2倍。車體經(jīng)整體靜強(qiáng)度測試，結(jié)果顯示抗橫向沖擊能力顯著提升，車體質(zhì)量降低1.8 t，激光疊焊車體結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)En12663（鐵路車輛車身結(jié)構(gòu)要求）的要求。

5.2 高端不銹鋼車體激光焊制造平臺

針對點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)多、工藝可達(dá)性差、 焊接胎位多、裝備柔性差等問題，開發(fā)了不銹鋼車體激光焊自動化制造平臺。綜合考慮高速動車組、 普速客車及城市軌道交通車輛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 配置了柔性化制造臺位與工裝、 自適應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)、 精準(zhǔn)高速運(yùn)載橋式龍門等關(guān)鍵裝備， 實(shí)現(xiàn)了多達(dá)6種車型共線、 批量、 自動化生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）中車長客公司首次采用激光疊焊技術(shù)，通過優(yōu)化工藝參數(shù)：激光功率1 200 W，焊接速度30 mm/s，實(shí)現(xiàn)了在不銹鋼軌道車輛產(chǎn)品項目中的工程化批量應(yīng)用。

（2）依據(jù)激光疊焊技術(shù)特點(diǎn)，開發(fā)了滿足結(jié)構(gòu)需求的接頭形式，車體經(jīng)整體靜強(qiáng)度測試，抗橫向沖擊能力顯著提升，車體質(zhì)量降低1.8 t。

（3）掌握了激光焊縫熔深控制方法，滿足車體強(qiáng)度及外觀提升要求。

（4）建立了完善的制造體系，并建立了國內(nèi)首個激光焊質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋了焊接裝備要求、焊接過程控制、焊后質(zhì)量檢驗(yàn)等制造環(huán)節(jié)。

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