手持式激光焊技術(shù)在磁浮車體中的應(yīng)用

陳阿海 劉海濤

(中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南 株洲 412001)

磁懸浮列車是一種現(xiàn)代高科技軌道交通工具，它通過電磁力實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間無接觸的懸浮和導(dǎo)向，再利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力牽引列車運(yùn)行，減少了摩擦力。磁浮列車車體研制是磁浮交通的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于受到懸浮力的限制，車體必須實(shí)現(xiàn)高度輕量化[1]。

在某種新型輕量化設(shè)計(jì)的磁浮車體上，采用了一種三明治夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，該三明治夾芯結(jié)構(gòu)是通過在重量輕而相對較厚的芯材兩側(cè)貼上兩層薄而堅(jiān)固又有剛度的面板(鋁板)所組成，為確保后續(xù)與其他結(jié)構(gòu)件連接，在芯材四周由鋁合金邊型材(EN AW-6005A)包圍，上下表面分別為1 mm及0.8 mm鋁合金板(EN AW-5754)，三明治夾芯結(jié)構(gòu)有著典型的輕重量、高剛性和高強(qiáng)度特征。

圖1 三明治夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

不同于常規(guī)的全焊接鋁合金車體結(jié)構(gòu)，三明治夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料面板材料薄(僅1 mm)，三明治夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的邊型材與主結(jié)構(gòu)鋁型材(EN AW-6005A)搭接連接，上部(車輛外露面)為保證車體氣密性、水密性以及使用壽命等影響設(shè)計(jì)成搭接焊接結(jié)構(gòu)，而下部則采用單面鉚釘連接的方式。

圖2 三明治夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與主結(jié)構(gòu)的連接方式

1 結(jié)構(gòu)工藝性分析

從上述結(jié)構(gòu)來看，需要考慮鉚接和焊接兩種工藝方法的先后順序，由于鉚釘為鋼制，連接材料為鋁制，加上車輛防腐、防漏需要，在三明治復(fù)合材料與主結(jié)構(gòu)型材的鉚接間隙處常需要打密封膠處理。因此，只能采用以下兩種方案：(1)打密封膠→焊接→鉚接；(2)打密封膠→鉚接→焊接。對于方案1，焊接作業(yè)通常需要的時(shí)間長，密封膠可能會(huì)固化，從打完到最終鉚接，中間間隔時(shí)間過長會(huì)影響最終密封性能，而焊接操作過程中存在一定的修磨、清理等操作會(huì)產(chǎn)生大量的鋁屑，進(jìn)入型腔影響膠的使用。因此應(yīng)選擇方案2，即先鉚接再焊接的方式。

對于焊縫1和焊縫2，有如下兩種選擇：(1)三明治復(fù)合材料生產(chǎn)后完成焊縫1，最后再與主結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼接；(2)焊縫1留待與焊縫2一起，最后進(jìn)行焊接?？紤]到三明治復(fù)合材料廠家通常沒有焊接的設(shè)備及資質(zhì)，將兩條焊縫分廠家進(jìn)行焊接，會(huì)增加額外的成本，因此最終決定焊縫1和焊縫2一起留待最終拼裝工序進(jìn)行焊接。在進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)時(shí)，需要同時(shí)考慮焊縫1(1 mm上層板+2 mm底板)和焊縫2(2 mm上層板+3 mm底板)兩種接頭。

2 焊接技術(shù)選擇

鋁合金工程上常用的經(jīng)濟(jì)廉價(jià)的焊接方式為熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)或鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW)，通常GMAW焊進(jìn)行鋁合金薄板焊接會(huì)出現(xiàn)焊縫余高過高、焊透等缺陷，質(zhì)量難以控制；而GTAW焊進(jìn)行薄板鋁合金焊接，熱輸入大，焊接效率低。而三明治復(fù)合材料本身結(jié)構(gòu)采用膠接的方式，GMAW或GTAW焊接產(chǎn)生的高溫可能會(huì)影響膠接層壽命或使膠失效。

與常規(guī)電弧熔化焊接方法(GMAW、GTAW)相比，激光焊接在焊接鋁合金結(jié)構(gòu)方面能量密度高、線熱輸入量低、焊接速度快，而且對材料熱損傷小，焊接結(jié)構(gòu)的殘余變形也較小[2]。對于該結(jié)構(gòu)，最合適的焊接方式是激光焊，鋁合金激光焊在航空、汽車領(lǐng)域應(yīng)用較多，對于上述的搭接接頭，采用何種激光焊方法仍需要進(jìn)一步研究。常見的激光焊方法有激光自熔焊、激光填絲焊、激光復(fù)合焊(激光+電弧)。由于該焊縫最終會(huì)外露，激光填絲焊和激光復(fù)合焊會(huì)造成焊縫余高過高影響美觀，而熱輸入量相對激光自熔焊也較高，因此優(yōu)先試驗(yàn)激光自熔焊的方式。

對于激光焊接，工程上通常采用的是成套的大型機(jī)器人激光焊設(shè)備來進(jìn)行，大型機(jī)器人激光焊設(shè)備專機(jī)成本高，使用受限，在長大件的產(chǎn)品，尤其是磁浮車體(約15 m長)的生產(chǎn)過程中使用不夠靈活，設(shè)備可達(dá)性差，通常需要配套大型活動(dòng)機(jī)械設(shè)備或工裝才能夠滿足機(jī)器人激光焊。而設(shè)備本身的精度也會(huì)影響產(chǎn)品的制造，示教編程效率低，由于大型專機(jī)設(shè)備無法移動(dòng)，為保證磁浮車體的生產(chǎn)，需要將產(chǎn)品零部件全部發(fā)運(yùn)至激光焊設(shè)備廠家，額外增加大量的工裝、產(chǎn)品運(yùn)輸成本，而購買激光焊專機(jī)，費(fèi)用高、設(shè)備安裝周期長，不利于項(xiàng)目的整體生產(chǎn)。

近年來，隨著手持式激光焊設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，提供了一種解決上述問題的途徑。通過走訪調(diào)研，漢神公司生產(chǎn)的第二代HLW-F1500型光釬手持式激光焊設(shè)備能夠滿足上述接頭的激光焊自熔焊，該手持式激光焊具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)激光器光束質(zhì)量好、焊接速度快、焊縫成型美觀，為用戶帶來高效、完美的焊接解決方案。(2)手持式水冷焊槍，具有人體工學(xué)規(guī)劃、靈活便利、全位置可達(dá)以及隨焊隨停的優(yōu)點(diǎn)。(3)焊接區(qū)域熱影響小，不易變形、發(fā)黑，幾乎無痕跡，焊接深度大、熔化充沛、強(qiáng)健牢靠。(4)電光轉(zhuǎn)化效率高、能耗低，并且操作簡略易學(xué)，無需專業(yè)焊接師傅，普通工人在短時(shí)間操練后即可上崗。長期運(yùn)用可大幅節(jié)約加工成本。(5)安全性高，焊嘴只有在觸碰到金屬時(shí)牽動(dòng)開關(guān)才有用，并且牽動(dòng)開關(guān)帶有體溫感應(yīng)。(6)能夠結(jié)束恣意視點(diǎn)的焊接，能夠?qū)Ω鞣N雜亂焊縫的工件、較大工件非規(guī)矩形狀進(jìn)行焊接。

3 手持式激光焊試驗(yàn)

通過對上述“1 mm上層板+2 mm底板”及“2 mm上層板+3 mm底板”接頭的焊縫采用試板進(jìn)行焊接，焊接試板尺寸及大小如圖3所示，t1為1 mm時(shí)，t2為 2 mm；t1為2 mm時(shí)，t2為3 mm。

圖3 焊接試板尺寸示意圖

首先，按照電弧焊國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊縫外觀檢測，其次，對不同參數(shù)下的試件取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，并制作對應(yīng)的剪切力試驗(yàn)件，選取最佳的焊接參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)品樣件焊接。

焊縫長度30 mm的“2 mm上層板+3 mm底板”的組合(以下簡稱“2+3組合”)試件剪切力試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 2+3 組合剪切力

從表1中可以看出，熔寬越寬，剪切力結(jié)果越大，結(jié)合該焊縫實(shí)際使用需要，通過將試驗(yàn)結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)人員，最終確定，應(yīng)盡量保證焊縫比較飽滿，保證焊縫厚度，焊縫最低要求為z1(焊縫1)、z2(焊縫2)、焊縫的尺寸及相關(guān)要求按照電弧焊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求再進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，由于鋁合金激光自熔焊容易出現(xiàn)氣孔、匙孔等缺陷，通過剝離或鑿削試驗(yàn)檢查斷面小孔情況，通過調(diào)整保護(hù)氣體流量，加強(qiáng)焊接過程清潔(清理氧化膜)，調(diào)整焊接參數(shù)、出氣延遲、銅嘴形狀等，最終確定焊接工藝參數(shù)(參數(shù)為設(shè)備控制面板參數(shù))，如表2所示。

表2 各組合焊接參數(shù)

使用上述參數(shù)，采用一塊1 m長的三明治夾芯復(fù)合材料進(jìn)行GTAW焊和激光焊的試驗(yàn)對比，測量膠接分界點(diǎn)最高溫度(見圖4)，比較兩種焊接方法的區(qū)別(見表3)，從結(jié)果可以看出，激光焊時(shí)，膠接溫度最大為89 ℃，通過與三明治夾芯復(fù)合材料廠家以及設(shè)計(jì)人員確認(rèn)，該溫度對膠的性能無影響，因此，采用激光焊可以滿足相關(guān)要求。

圖4 溫度測量點(diǎn)示意圖

表3 不同焊接方法溫度對比 /℃

4 實(shí)際產(chǎn)品焊接

進(jìn)行溫度試驗(yàn)后最終進(jìn)行產(chǎn)品焊接，其中1+2組合可以在平臺(tái)上提前焊接，焊接后對伸出的2 mm邊變形進(jìn)行調(diào)校(見圖5)，然后才能保證焊縫2在激光焊前間隙滿足焊接要求(不大于0.2 mm)。

圖5 焊縫1及其調(diào)形

在進(jìn)行鉚接操作前需將已完成的焊縫1與調(diào)校好的三明治夾芯復(fù)合材料提前裝配至主結(jié)構(gòu)型材上，測量焊縫2的搭接間隙，對于間隙大(局部大于0.5 mm)的位置進(jìn)行標(biāo)記，根據(jù)變形情況對2 mm邊進(jìn)行校形。在實(shí)際焊接焊縫2時(shí)，通常部分位置仍會(huì)有間隙，對于間隙不大于0.2 mm的情況，可以直接按參數(shù)焊接，對于間隙大于0.2 mm、小于或等于0.5 mm的情況，需要采用工裝壓緊，并使用激光焊進(jìn)行打底焊(參數(shù)方面振鏡寬比正式焊接+1 mm，焊接速度放慢至正式焊接的1/3)，消除間隙后清理，每次焊接1 m長，然后間隔1 m焊接另外一段，防止熱輸入集中變形大導(dǎo)致間隙大，最終導(dǎo)致焊縫開裂或無法焊接。

5 結(jié)束語

通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝分析，對比焊接技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇一種合適的焊接工藝，用試件和試板模擬驗(yàn)證，摸索合適的焊接參數(shù)，滿足設(shè)計(jì)需求，最終實(shí)現(xiàn)了手持式激光焊在磁浮車體上的應(yīng)用。相比較機(jī)器人焊接專機(jī)，成本節(jié)省近百萬元，大幅提高了生產(chǎn)效率，縮短了制造周期，同時(shí)由于設(shè)備是可移動(dòng)的，因此不需要額外規(guī)劃廠房，減少額外的基礎(chǔ)設(shè)施投入和零部件產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)，為后續(xù)輕量化設(shè)計(jì)的車體制造提供了一種技術(shù)選擇。