軌道交通車輛鋁合金車體焊接同步激光清洗技術(shù)規(guī)范

軌道交通車輛鋁合金車體焊接同步激光清洗技術(shù)規(guī)范范圍本文件規(guī)定了軌道交通車輛鋁合金車體焊接同步激光清洗的基本要求、工藝準(zhǔn)備、作業(yè)程序、質(zhì)量控制要求。本文件適用于軌道交通車輛鋁合金車體部件典型鋁合金焊接結(jié)構(gòu)自動(dòng)電弧焊接前的表面氧化膜和油污激光清洗，激光清洗頭與電弧焊槍位置相對(duì)固定且集成安裝于焊接機(jī)械手末端軸，焊接作業(yè)時(shí)激光清洗在前，焊接在后，激光清洗與焊接同步進(jìn)行。規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB2894安全標(biāo)志及其使用導(dǎo)則GB/T5226.1機(jī)械電氣安全機(jī)械電氣設(shè)備第1部分：通用技術(shù)條件GB7247.1-2012激光產(chǎn)品的安全第1部分:設(shè)備分類、要求GB/T7247.14激光產(chǎn)品的安全第14部分:用戶指南GB/T15313激光術(shù)語(yǔ)GB/T17359微束分析能譜法定量分析GB/T18490.1機(jī)械安全激光加工機(jī)第1部分:通用安全要求GB/T19869.2鋁及鋁合金的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)GB/T41735綠色制造激光表面清洗技術(shù)規(guī)范TB/T3259動(dòng)車組用鋁及鋁合金焊接技術(shù)條件術(shù)語(yǔ)和定義GB/T15313、GB/T41735界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。焦距focallength透鏡中心到光聚集焦點(diǎn)的距離。振鏡galvoscanner通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大電路驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃描頭,控制激光在平面內(nèi)高速往復(fù)偏轉(zhuǎn)的光學(xué)裝置。掃描寬度laserlinewidth激光在焦平面上的線性寬度。掃描頻率scanfrequency振鏡在一秒內(nèi)所擺動(dòng)的次數(shù)。光斑搭接spotoverlap激光通過(guò)振鏡掃描，聚焦光斑在焦平面的重疊程度?；疽蟛僮魅藛T從事鋁合金車體焊接同步激光清洗的操作人員需具備焊接設(shè)備操作資格證，且經(jīng)過(guò)相關(guān)工藝、焊接同步激光清洗設(shè)備使用操作及安全培訓(xùn)后方可上崗。操作人員作業(yè)時(shí)必須佩戴能夠屏蔽激光器發(fā)射的整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)激光的安全防護(hù)眼鏡。作業(yè)環(huán)境4.2.1鋁合金車體焊接同步激光清洗作業(yè)環(huán)境滿足TB/T3259和鋁合金電弧焊接作業(yè)環(huán)境要求。4.2.2焊接同步激光清洗的場(chǎng)地按照GB2894的規(guī)定設(shè)有明顯的安全標(biāo)志，并設(shè)置警示帶或柵欄，防止與工作無(wú)關(guān)人員誤入工作區(qū)。工作電壓電源電壓采用輸入電壓?jiǎn)蜗郃C220±10%V、50±1Hz或三相AC380±10%V、50±1Hz。設(shè)備集成4.4.1焊接同步激光清洗設(shè)備是將激光清洗裝置集成在自動(dòng)電弧焊接設(shè)備上而成。激光清洗裝置主要包括激光器主機(jī)、激光清洗頭和控制系統(tǒng)。4.4.2激光器主機(jī)主要包括激光發(fā)生器和冷卻裝置，并整體機(jī)械固定在自動(dòng)電弧焊接設(shè)備龍門架或其他合適位置。激光發(fā)生器采用高峰值功率脈沖激光發(fā)生器，其產(chǎn)生的激光通過(guò)光纖傳輸?shù)郊す馇逑搭^，且光纖在安裝和設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中需避免超過(guò)光纖最小彎曲半徑的過(guò)度彎曲。4.4.3激光清洗頭應(yīng)在自動(dòng)電弧焊接機(jī)械手的有效負(fù)載內(nèi)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，激光清洗頭采用一維或者二維振鏡實(shí)現(xiàn)激光高速掃描，最大掃描寬度大于工藝要求的焊縫兩側(cè)氧化膜去除寬度，激光焦距綜合考慮能量密度和待焊工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定。激光清洗頭與電弧焊槍保持一定距離且激光清洗頭鏡頭前端需安裝正壓防塵腔和擋光防塵板，防止弧焊飛濺及煙塵污染激光清洗頭保護(hù)鏡片和避免溫度過(guò)高報(bào)警，激光清洗頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1激光清洗頭結(jié)構(gòu)示意圖激光清洗頭通過(guò)夾具固定在自動(dòng)電弧焊接機(jī)械手末端軸上，激光清洗頭集成示意圖如圖2所示，該夾具需具備激光清洗頭X、Y、Z三向手動(dòng)調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)因焊縫結(jié)構(gòu)不同和產(chǎn)品裝配誤差引起的尺寸變化。圖2激光清洗頭集成示意圖4.4.4激光清洗裝置控制系統(tǒng)能對(duì)激光器和振鏡等各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、存儲(chǔ)和調(diào)用。如果激光清洗裝置控制系統(tǒng)未集成到自動(dòng)電弧焊接示教器內(nèi)則需配置有線或者遙控手柄，該手柄至少具備激光啟動(dòng)/關(guān)閉及設(shè)備急停功能。4.4.5焊接同步激光清洗設(shè)備輻射安全符合GB7247.1-2012第4章的要求,并按照GB7247.1-2012第5章的要求對(duì)激光輻射安全進(jìn)行標(biāo)記。4.4.6其他安全防護(hù)按照GB2894、GB/T5226.1、GB/T7247.14、GB/T18490.1的規(guī)定執(zhí)行。工藝準(zhǔn)備工藝準(zhǔn)備內(nèi)容工藝準(zhǔn)備包括工藝試驗(yàn)驗(yàn)證、工藝評(píng)定和工藝規(guī)程編制。工藝試驗(yàn)驗(yàn)證可通過(guò)焊接同步激光清洗試驗(yàn)，確定激光能量密度閾值范圍。激光能量密度可參考公式(1)計(jì)算:E=P式中：E—激光能量密度，單位為焦耳每平方厘米(J/cm2)；P—激光平均功率，單位為瓦特(W)；S—光斑面積，單位為平方厘米(cm2)；F—脈沖重復(fù)頻率，單位為千赫茲(kHz)。在進(jìn)行焊接同步激光清洗試驗(yàn)時(shí)逐漸增加激光能量密度，根據(jù)氧化膜去除量和表面殘余狀態(tài)測(cè)試出清洗閾值和損傷閾值，測(cè)試時(shí)以氧化膜開(kāi)始減少的數(shù)值作為激光能量密度下限即清洗閾值，當(dāng)氧化膜全部去掉時(shí)，以鋁合金材料開(kāi)始減少的數(shù)值作為激光能量密度上限即損傷閾值，當(dāng)激光能量密度超出損傷閾值且鋁合金基材損傷深度達(dá)到10um時(shí)，不再繼續(xù)測(cè)試。為提高清洗效率和便于作業(yè)后的外觀檢查，激光清洗的能量密度可達(dá)到損傷閾值，但鋁合金基材損傷深度不超過(guò)10um。為達(dá)到最高效率和避免過(guò)度損傷，推薦激光清洗頭焦距選擇210mm或254mm，并設(shè)置和優(yōu)化激光平均功率、清洗速度、作業(yè)光斑直徑、掃描寬度等關(guān)鍵工藝參數(shù)，常見(jiàn)鋁合金焊接同步激光清洗工藝參數(shù)可參考表1進(jìn)行選取。表1鋁合金焊接同步激光清洗推薦工藝參數(shù)序號(hào)工藝參數(shù)范圍1激光平均功率（W）100~2002清洗速度（m/min）0.45~1.23掃描寬度（mm）40~504作業(yè)光斑直徑（μm）40~120取與鋁合金車體焊接結(jié)構(gòu)同種狀態(tài)的試件，進(jìn)行工藝參數(shù)驗(yàn)證，并檢查清洗質(zhì)量是否滿足要求。工藝評(píng)定評(píng)定條件及要求當(dāng)發(fā)生以下情況應(yīng)進(jìn)行工藝評(píng)定：a）鋁合金車體部件各類型焊縫結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用焊接同步激光清洗時(shí)；b）焊接同步激光清洗設(shè)備有重大變更或大修后；c）客戶有要求時(shí)。5.3.1.2工藝評(píng)定項(xiàng)目激光清洗檢驗(yàn)項(xiàng)目包括外觀、光斑搭接、表面氧含量，各檢驗(yàn)項(xiàng)目要求見(jiàn)7.2部分，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)按照GB/T19869.2的要求執(zhí)行。報(bào)告工藝評(píng)定后，完成工藝評(píng)定報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容至少包括以下內(nèi)容：a）焊接同步激光清洗作業(yè)車間的名稱和地址；b）工藝操作過(guò)程；c）作業(yè)日期和測(cè)試日期；d）詳細(xì)的工藝參數(shù)；e）測(cè)試方法、測(cè)試條件等；f）測(cè)試結(jié)果的詳細(xì)報(bào)告，對(duì)于目視檢查，應(yīng)提供焊接同步激光清洗試樣圖片；g）焊接工藝評(píng)定報(bào)告作為附錄（如有必要）。工藝評(píng)定報(bào)告格式參見(jiàn)附錄A。工藝規(guī)程編制應(yīng)依據(jù)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證和工藝評(píng)定及相關(guān)技術(shù)文件要求編制焊接同步激光清洗工藝規(guī)程。焊接同步激光清洗程序焊接同步激光清洗準(zhǔn)備實(shí)施焊接同步激光清洗作業(yè)前，操作人員檢查作業(yè)環(huán)境，確保激光傳輸光路無(wú)異常，佩戴好激光防護(hù)眼鏡，按操作規(guī)程啟動(dòng)焊接同步激光清洗設(shè)備，調(diào)整激光清洗頭角度和位置，確保光斑聚焦在待清洗平面。焊接同步激光清洗過(guò)程鋁合金車體部件典型焊縫結(jié)構(gòu)的焊接同步激光清洗過(guò)程應(yīng)根據(jù)工藝規(guī)程文件進(jìn)行。焊接同步激光清洗時(shí)遵循激光清洗匹配和輔助焊接工藝要求的原則。由于激光清洗頭聚焦光束與電弧焊槍存在一定間距，焊接起弧位置附近應(yīng)在焊接同步激光清洗前采用人工打磨的方式對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行處理或者提前編程進(jìn)行激光清洗處理。焊接同步激光清洗作業(yè)前要確保激光正常出光，作業(yè)后要外觀檢查確認(rèn)清洗表面存在明顯的清洗痕跡。質(zhì)量控制基本要求工藝人員根據(jù)鋁合金車體部件焊接工藝要求或用戶特殊要求等對(duì)清洗質(zhì)量進(jìn)行有效控制，制定相應(yīng)質(zhì)量控制文件，明確檢驗(yàn)項(xiàng)目和檢驗(yàn)要求等。檢驗(yàn)方法一般要求根據(jù)鋁合金車體部件要求，工藝評(píng)定時(shí)對(duì)焊接同步激光清洗作業(yè)后的部件進(jìn)行全面檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法符合7.2.2～7.2.4的要求。日常作業(yè)時(shí)一般只按照7.2.2進(jìn)行外觀檢查。外觀用肉眼或放大鏡觀察，焊接同步激光清洗后的部件表面有明顯的清洗痕跡。為便于實(shí)際操作，可以根據(jù)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果編制表面清洗痕跡對(duì)比卡進(jìn)行比較。光斑搭接通過(guò)不低于500倍的光學(xué)顯微鏡觀察激光清洗后試樣表面，在一個(gè)單程的折返掃描下，起始光斑和折返光斑均能重疊則為光斑有效搭接，滿足激光清洗要求，其示意圖如圖3a）所示。當(dāng)起始光斑和折返光斑正好相切時(shí)為光斑極限搭接，其示意圖如圖3b）所示。當(dāng)起始光斑和折返光斑不能相切時(shí)則不滿足要求。a）光斑有效搭接示意圖b）光斑極限搭接