軌道客車激光焊技術(shù)原理和工藝制造應(yīng)用,機(jī)械工程論文

軌道客車激光焊技術(shù)原理和工藝制造應(yīng)用,機(jī)械工程論文摘要：當(dāng)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(guó)內(nèi)外軌道客車行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)開(kāi)展激光焊半熔透工藝方式方法的研究，解決了不銹鋼激光焊工藝中各種焊接變形、焊接質(zhì)量控制、工藝評(píng)定、焊后檢測(cè)等難題。實(shí)現(xiàn)了激光焊替代傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝，提高焊接接頭的強(qiáng)度、靜強(qiáng)度、疲憊強(qiáng)度20%以上；改善了車體側(cè)墻的外表外觀質(zhì)量；提高了生產(chǎn)效率。通過(guò)對(duì)激光焊的原理和方式方法及優(yōu)缺點(diǎn)、焊接設(shè)備選用、工藝參數(shù)、工藝評(píng)定及質(zhì)量檢測(cè)控制等進(jìn)行深切進(jìn)入分析，促進(jìn)激光焊技術(shù)在軌道車輛上的推廣與應(yīng)用。本文關(guān)鍵詞語(yǔ):軌道客車制造;激光焊;工藝評(píng)定;質(zhì)量檢測(cè);1、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)在狀況當(dāng)今日本的高速列車和輕軌客車在客車車體制造中應(yīng)用了激光焊接技術(shù)，日本的幾個(gè)主要車輛廠分別開(kāi)發(fā)了采用激光焊接側(cè)墻板的方式方法制造不銹鋼車輛[1]。當(dāng)前此項(xiàng)技術(shù)已用于不銹鋼車輛的批量生產(chǎn)，技術(shù)的可行性、側(cè)墻的外表質(zhì)量改善得到了認(rèn)可。除此之外，德國(guó)西門子的磁懸浮客車、丹麥的DMUIC4級(jí)高速列車、意大利ETR500高速擺動(dòng)列車、美國(guó)亞特蘭大輕軌車及意大利輕軌車均準(zhǔn)備應(yīng)用激光焊接技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在歐美發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家中，有50%～70%的汽車零部件采用激光加工。激光焊接在汽車中的成熟應(yīng)用，為其在軌道客車制造中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。我們國(guó)家在汽車領(lǐng)域、電子領(lǐng)域以及軌道客車領(lǐng)域也采用了激光焊接技術(shù)[2,3]。國(guó)內(nèi)株洲電力機(jī)車、青島四方軌道車輛有限公司已經(jīng)開(kāi)展了激光焊接不銹鋼軌道車輛的研究[4]。我公司也較早地開(kāi)展此項(xiàng)目研究，開(kāi)發(fā)了不銹鋼車體新構(gòu)造，完成了某不銹鋼高速動(dòng)車組激光焊樣車試制，以及不銹鋼車城軌車激光焊樣車試制，并編制了相關(guān)激光焊企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)地鐵產(chǎn)品中和國(guó)外等發(fā)達(dá)國(guó)家項(xiàng)目應(yīng)用了激光焊技術(shù)進(jìn)行車體側(cè)墻焊接。2、激光焊技術(shù)原理與方式方法2.1、激光焊技術(shù)原理激光焊一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理經(jīng)過(guò)與電子束焊接極為類似，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過(guò)小孔構(gòu)造來(lái)完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并構(gòu)成小孔。這個(gè)充滿蒸汽的小孔如同一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來(lái)，使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化，本質(zhì)是激光與非透明物質(zhì)互相作用的經(jīng)過(guò)。激光焊接原理如此圖1所示。圖1激光焊接原理2.2、激光焊適用范圍我公司在不銹鋼軌道車輛的焊接中，將車輛側(cè)墻構(gòu)件的點(diǎn)焊逐步替換為激光焊，目的是提高焊接的精度和作業(yè)效率，使作業(yè)速度比當(dāng)前提高20%～30%，成本降低20%～30%。通常，每輛軌道車輛需施行7000～8000處點(diǎn)焊，而且經(jīng)點(diǎn)焊的加工外表需要后續(xù)進(jìn)行除黑處理，消耗損費(fèi)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，而激光焊改善了以上這兩方面存在的問(wèn)題。當(dāng)前激光焊能夠?qū)崿F(xiàn)2.5mm以內(nèi)不銹鋼板的對(duì)接、搭接等接頭形式的焊接要求。2.3、激光焊優(yōu)缺點(diǎn)激光焊優(yōu)點(diǎn)是焊接速度快，焊接熱輸入量小，熱影響區(qū)小，焊接應(yīng)力小，工件變形小，能夠獲得高質(zhì)量的接頭強(qiáng)度和較大的深寬比；且可焊材料多，如難熔金屬、熱敏感性強(qiáng)的材料，還可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機(jī)玻璃；可達(dá)性好，可借助反射鏡使光束到達(dá)一般焊接方式方法無(wú)法施焊的位置，十分合適微型零件和遠(yuǎn)距離焊接；不要求與焊縫區(qū)直接接觸，可穿過(guò)透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行焊接，如可焊接玻璃密封容器內(nèi)的鈹合金等劇毒材料。激光焊的缺點(diǎn)是激光器及焊接系統(tǒng)各配件的價(jià)錢較為昂貴，因而初期投資及維護(hù)成本比傳統(tǒng)焊接工藝高；難以焊接反射率較高的金屬。由于激光焊接的聚焦光斑較小，所以對(duì)工件接頭的裝備精度要求較高，很小的裝備偏差就會(huì)產(chǎn)生較大的加工誤差。2.4、激光焊焊接設(shè)備激光器根據(jù)激活媒介的物質(zhì)狀態(tài)分類可分為氣體、液體、固體和半導(dǎo)體激光器。各類激光器各有特色。(1)氣體激光器的單色性強(qiáng)，如氦-氖激光器的單色性比普通光源要高1億倍，由于氣體激光器工作物質(zhì)種類繁多，因而可產(chǎn)生很多不同頻率的激光。但由于氣體密度低，所以激光輸出功率相應(yīng)較小。(2)固體激光器則正好相反，能量高，輸出功率大，但工作物質(zhì)種類較少，單色性較差。(3)液體激光器的最大特點(diǎn)是激光的波長(zhǎng)能夠在一定范圍內(nèi)連續(xù)變換。這種激光器十分合適于對(duì)激光波長(zhǎng)有著嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。(4)半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)則是體積小、重量輕、構(gòu)造簡(jiǎn)單，但輸出的功率較小，單色性也較差。激光器問(wèn)世不久，美國(guó)光學(xué)公司〔AmericanOpticalCorporation〕的Snitzer和Koester于1963年首先提出光纖激光器和放大器的構(gòu)思。近年來(lái)，美國(guó)IPGPhotonics公司在光纖激光器研發(fā)方面獲得了突破性進(jìn)展，不僅展示了各種光纖放大器，高功率的EDFA,Raman光纖激光器和雙波長(zhǎng)Raman光纖激光器，更引起國(guó)際關(guān)注的是該公司已推出各種商用摻Y(jié)b高功率光纖激光器，最大功率達(dá)10kW，單模輸出功率高達(dá)1kW。光纖激光器構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，且制作難度小，成本較低。對(duì)激光器的質(zhì)量要求最主要的是光束形式和輸出功率及其穩(wěn)定性。光束形式是光束質(zhì)量的主要指標(biāo)，光束形式階數(shù)越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，一樣激光功率下功率密度越高，焊縫深寬比越大。但從國(guó)外情況來(lái)看，激光器的光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性已相當(dāng)高，不會(huì)成為激光焊接的問(wèn)題。公司現(xiàn)有設(shè)備用于激光焊技術(shù)研發(fā)、樣車試制及地鐵項(xiàng)目生產(chǎn)，后續(xù)將應(yīng)用到出口項(xiàng)目中的車體側(cè)墻生產(chǎn)。3、激光焊技術(shù)工藝制造應(yīng)用一套可靠完好的激光焊工藝應(yīng)用需要從激光焊工藝參數(shù)、接頭性能結(jié)合數(shù)值模擬多方面去驗(yàn)證，才會(huì)構(gòu)成合適車輛制造可用的工藝參數(shù)。3.1、最優(yōu)工藝參數(shù)研究根據(jù)外外表無(wú)焊接痕跡，強(qiáng)度高于電阻點(diǎn)焊接頭的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同板厚組合的不銹鋼板材進(jìn)行激光焊接不銹鋼車體工藝試驗(yàn)，總結(jié)出不銹鋼車體激光焊接的最優(yōu)參數(shù)組合。(1〕激光功率激光焊接中存在一個(gè)激光能量密度閾值，低于此值熔深很淺，一旦到達(dá)或超過(guò)此值，熔深會(huì)大幅度提高。只要當(dāng)工件上的激光功率密度超過(guò)閾值〔與材料有關(guān)〕，等離子體才會(huì)產(chǎn)生，這標(biāo)志著穩(wěn)定深熔焊的進(jìn)行。假如激光功率低于此閾值，工件僅發(fā)生外表熔化，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進(jìn)行。而當(dāng)激光功率密度處于小孔構(gòu)成的臨界條件附近時(shí)，深熔焊和傳導(dǎo)焊交替進(jìn)行，成為不穩(wěn)定焊接經(jīng)過(guò)，導(dǎo)致熔深波動(dòng)很大。激光深熔焊時(shí)，激光功率同時(shí)控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與光束功率密度有關(guān)，且是入射光束功率和光束焦斑的函數(shù)。一般來(lái)講，對(duì)一定直徑的激光束，熔深隨著光束功率提高而增加。(2〕焊接速度焊接速度對(duì)熔深影響較大，提高速度會(huì)使熔深變淺，但速度過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)度熔化、工件焊穿。因而，對(duì)一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個(gè)適宜的焊接速度范圍，并在相應(yīng)速度值時(shí)可獲得最大熔深。(3〕光束焦斑光束斑點(diǎn)大小是激光焊接的最重要變量之一，由于它決定功率密度。但對(duì)高功率激光來(lái)講，對(duì)它的測(cè)量是一個(gè)難題，盡管已經(jīng)有很多間接測(cè)量技術(shù)。光束焦點(diǎn)衍射極限光斑尺寸能夠根據(jù)光衍射理論計(jì)算，但由于聚焦透鏡像差的存在，所以實(shí)際光斑要比計(jì)算值偏大。最簡(jiǎn)單的實(shí)測(cè)方式方法是等溫度輪廓法，即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板后測(cè)量焦斑和穿孔直徑。這種方式方法要通過(guò)測(cè)量實(shí)踐，把握好激光功率大小和光束作用的時(shí)間。(4〕焦點(diǎn)位置焊接時(shí)，為了保持足夠功率密度，焦點(diǎn)位置至關(guān)重要。焦點(diǎn)與工件外表相對(duì)位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。激光焊接通常需要一定的離焦量，由于激光焦點(diǎn)處光斑中心的功率密度過(guò)高，容易蒸發(fā)成孔。離開(kāi)激光焦點(diǎn)的各平面，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似一樣，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的構(gòu)成經(jīng)過(guò)有關(guān)。試驗(yàn)表示清楚，激光加熱50～200s材料開(kāi)場(chǎng)熔化，構(gòu)成液相金屬并出現(xiàn)氣化，構(gòu)成室壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時(shí)，高濃度氣體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，在熔池中心構(gòu)成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比外表還高，易構(gòu)成更強(qiáng)的熔化、氣化，使光能向材料更深處傳遞。因而，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，宜用正離焦。(5〕焊接起始、終止點(diǎn)的激光功率漸升、漸降控制激光深熔焊接時(shí)，不管焊縫深淺，小孔現(xiàn)象始終存在。當(dāng)焊接經(jīng)過(guò)終止、關(guān)閉功率開(kāi)關(guān)時(shí)，焊縫尾端將出現(xiàn)凹坑。另外，當(dāng)激光焊層覆蓋原先焊縫時(shí)，會(huì)出現(xiàn)對(duì)激光束過(guò)度吸收，導(dǎo)致焊件過(guò)熱或產(chǎn)生氣孔。為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生，可對(duì)功率起止點(diǎn)編制程序，使功率起始和終止時(shí)間變成可調(diào)，即起始功率用電子學(xué)方式方法在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)從零升至設(shè)置功率值，并調(diào)節(jié)焊接時(shí)間，最后在焊接終止時(shí)使功率由設(shè)置功率逐步降至零值。3.2、接頭性能測(cè)試參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不銹鋼車體激光焊接頭進(jìn)行了拉伸剪切試驗(yàn)、疲憊性能測(cè)試、接頭微觀構(gòu)造測(cè)試分析，總結(jié)不銹鋼激光焊接頭強(qiáng)度、外觀、焊縫形狀與激光焊工藝參數(shù)的制約關(guān)系，為指導(dǎo)生產(chǎn)提供根據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表示清楚，一樣板厚組合的不銹鋼板材激光焊接頭的疲憊性能、剪切拉伸載荷、外觀質(zhì)量均高于電阻點(diǎn)焊接頭[5,6]。3.3、數(shù)值模擬研究采用有限元計(jì)算軟件，對(duì)激光焊接頭熔池形狀進(jìn)行了模擬，得到不同工藝參數(shù)組合下的接頭微觀形狀，進(jìn)而得出焊縫的微觀尺寸，判定焊縫強(qiáng)度。經(jīng)歷體驗(yàn)證，數(shù)學(xué)模型具有很高的精度，在生產(chǎn)中可通過(guò)數(shù)值計(jì)算來(lái)確定工藝參數(shù)，減少試驗(yàn)次數(shù)，降低人力、物力消耗。3.4、接頭基本形式試驗(yàn)中接頭基本形式見(jiàn)表1。表1接頭基本形式3.5、工藝評(píng)定根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)工藝參數(shù)理論探索及工藝和理化金相等試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，構(gòu)成工藝評(píng)定及報(bào)告，為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)提供理論根據(jù)。4、激光焊焊縫質(zhì)量檢測(cè)和分析在質(zhì)量檢測(cè)和控制方面，由于存在部分激光焊焊縫是非熔透激光焊，所以激光焊作業(yè)生產(chǎn)全經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制尤為重要[7]。在焊接作業(yè)生產(chǎn)前，要驗(yàn)證激光焊工作試件，驗(yàn)證激光焊設(shè)備功率和焊接速度等參數(shù)的穩(wěn)定性；焊接生產(chǎn)經(jīng)過(guò)中，嚴(yán)格根據(jù)工藝方式方法進(jìn)行組裝，除保證焊縫結(jié)合面密貼以外，還要在焊接經(jīng)過(guò)中實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接質(zhì)量。通過(guò)直接或者間接的技術(shù)手段分析確認(rèn)激光焊熔深能否知足質(zhì)量要求，并進(jìn)行記錄存儲(chǔ)具有可追溯性，同時(shí)具備報(bào)警提示或者通過(guò)設(shè)備本身自適應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)調(diào)整焊接參數(shù)進(jìn)行彌補(bǔ)的功能。在焊接完成后，除了進(jìn)行必要的焊縫外觀檢查外，還需要采用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)行焊縫熔深的檢測(cè)，最終確認(rèn)非熔透激光焊的焊縫熔深能否在控制范圍內(nèi)，保證焊接質(zhì)量的全經(jīng)過(guò)受控。5、結(jié)束語(yǔ)綜上所述，非熔透激光焊工藝方式方法可解決側(cè)墻電阻焊工藝中各種焊接變形，改善焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)激光焊替代傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝，提高焊接接頭的強(qiáng)度，改善車體外觀質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，不銹鋼軌道車輛生產(chǎn)技術(shù)的變革，提升了我公司在同行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。激光焊技術(shù)在軌道車輛上的應(yīng)用，不僅提升了軌道客車整體的質(zhì)量品質(zhì)，也提升了中國(guó)制造軌道客車在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。以下為參考文獻(xiàn)[1]田曼軌道列車用不銹鋼激光焊工藝研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2021.[2]磊.城軌客車用不銹鋼薄板激光搭接焊接頭組織與力學(xué)行為研究[D].大連:大連交通大學(xué),2020.[3]李慶SUS304不銹鋼薄板激光焊接工藝及接頭性