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国际金属加工网 2018年11月08日

“如果你乘坐北京地铁14号线列车,你会发现,它和你以往见过的地铁列车都不一样。” “14号线地铁车身光滑洁净,如镜面一样,能够映出影子。而且它也没有经过任何修饰,是百分之百的‘素颜’地铁。”

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正是因为采用了激光焊接技术,才研制出这种国内领先的不锈钢激光焊车体。与传统焊接方式的车体相比,激光焊接不锈钢车体强度高、密封性好、焊接变形小、焊后外观更美观。车体无需喷涂料,便可直接投入使用,不仅节省了喷涂的费用,也更加环保。

激光加工技术在城市轨道车辆制造中的应用,包括焊接、切割、关键零部件表面改性、打标、快速成型、打孔及微细加工等。现阶段激光技术在轨道车辆制造领域主要应用于板材及型材下料、关键部件焊接、自动生产线物料运输和标识移植等场所。

随着我国经济快速发展和人民生活水平显著提高,轨道交通进入了高速发展的快车道。目前轨道车辆制造行业中,激光加工制造技术备受瞩目,激光加工技术是轨道车辆制造行业中近些年最重要的制造技术方法,对轨道车辆制造工艺水平的提升起着极大的推动作用。面对轻量化与高速化的趋势,激光加工也持续为其提出新方向、新课题。

激光加工技术是轨道制造行业中近些年最重要的制造技术方法,对轨道制造工艺水平的提升起着极大的推动作用。而中国高铁的飞速发展,也为激光加工提供了巨大的潜在应用市场,激光焊接等技术的应用也将轨道车辆制造技术推向了新时代。

通过拜访专家、走访企业,我们收集了大量关于激光在轨道交通行业中的应用方面的的资料,今天我们就谈谈激光在轨道交通行业中的应用,包括车辆激光焊接工艺、车辆激光切割工艺、车辆激光制造其他应用。

车辆转向架以及车体是轨道车辆上的关键构成,材质也经历了普通合金钢、不锈钢、铝合金型材几个阶段。目前在轨道车辆制造中,逐步引入了激光焊接等新的加工工艺。车体多采用不锈钢车体,以前采用MIG焊接技术焊后由于焊接热影响及变形等原因需对车体进行涂装作业,以改善其外观。

 激光拼焊

激光拼焊是轨道车辆中最被看好的技术之一,属于无接触焊接,可将不同钢种、厚度、表面处理的钢板焊接成一个整体,区别于电阻滚压缝焊,通过自由组合,使得构件变轻,零件变少,不仅提高可靠性,为宽体车制造奠定基础,同时也改善了焊接质量,提高了钢材收得率,并降低了生产成本。

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(不锈钢车体激光焊接)


激光组焊

激光组焊在城市轨道车辆车身制造中举足轻重,通过双件组焊、多件组焊,将已切割成形的各类车身构件,焊接成白车身分总成,进而总装成整车车身。激光组焊因其焊接强度高,可明显改善车身强度、刚度及密闭性。焊接同时结合面小、变形小、焊接速度快、可焊材料范围广,适合于柔性化生产,投资效益好。但激光组焊技术也有明显的缺点,如对夹具、被焊件、监测精度等要求严格,焊接后检测评价和返修困难,一次性投入大等。

目前不锈钢车体研制中采用电阻点焊和激光焊接技术改善外观。通过大量的工作试件的制作与分析不仅获得了1-6mm不锈钢接头焊接的技术规范(例如坡口准备、焊接电流、焊接电压、焊接速度、保护气体成分及流量等),检验了焊接接头的抗拉强度、屈服强度、硬度、疲劳曲线等技术指标而且完成不锈钢车体端墙激光焊接样件的制作与评定。

激光一电弧复合焊  

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(激光+电弧复合热源焊接示意图)


1)不锈钢车体制造。轨道车辆车体通常选用不锈钢车体,由于电弧焊接后热影响及变形等较严重,因此为改善外观,过去常常进行涂装作业,而现在则选用激光或电阻焊进行作业。通过长期加工技术应用的实践、积累及分析,不锈钢接头焊接技术规范、疲劳曲线、硬度、抗拉强度、屈服强度、等技术指标相继被取得或检验,车体激光焊接样件的制评亦完成。

2)车辆转向架制造。轨道车辆转向架通常选用日本进口或国产的中厚合金钢板材,同时多选用熔化极气体保护焊。用于长直缝焊接的机械人手臂,已被各厂商所引进,来改善焊接稳定性;而开具有不同规格的坡口,通常留较小钝边,以确保熔透。激光一电弧复合焊优化焊接效率,显示了激光和电弧的特点;同时减少了设备和人员投入,降低了焊接成本,并且可选较大钝边。

3)近些年轨道车辆的制造逐渐朝着轻量化方向不断发展,以应对当前越来越严重的资源危机和环境危机。因此铝合金等材料在轨道车辆制造中的应用开始越来越广泛并逐渐有了替代钢材料的趋势。而对于铝合金等轻质材料来讲传统的高温焊接易使其出现变形情况不易控制焊接质量。而激光-MIG复合焊则可以很好的解决这一问题。不但焊接速度快、效率高且可以低热输入还具有电弧焊接良好的桥联性和填充金属熔敷效率高的特性。近年来铝合金激光-电弧复合热源焊接的研究异常活跃,并开始走向工业应用。

在机车车辆制造行业,复杂的车辆焊接结构由数量庞大的基础件组焊而成,为保证组焊后的焊接质量及尺寸要求,对单个基础件的加工质量,如平面度、直线度、坡口精细程度等要求很高。而作为基础件的前道工序,板材的切割质量直接会影响到产品的焊接质量。目前,光纤激光切割已依靠其高效、快速精确的优势在机车车辆关键基础件加工领域,尤其是在不锈钢车体制造、转向架制造中扮演者重要角色。

轨道车辆制造中需加工的产品有很多,如车体、内装板材、转向架,常选用二维平面切割。激光可以加工出高精度、高切割断面质量的零件外形、轮廓和孔。固体(或CO2)激光切割机通常适用于碳合金钢、不锈钢,同时也适用于铝合金板,可达到理想断面加工质量和切割速度。

1下料环节激光切割

机车制造首先要准备相关材料,这个阶段激光切割技术尤为重要。激光切割与火焰切割相比,切割速度快、工件变形小、加工精度高、适用性强、节料省钱、经济适用,因此激光切割技术已被广泛用于轨道车辆制造中。

防松板切割案例:转向架防松板为不规则曲线轮廓结构,材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢板,厚度8mm,外轮廓曲率多变。要求加工区域光滑过渡。选用脉冲功率为2.4kW的激光器,切割速度达到2.2m/min,激光束焦点直径为0.12—0.25mm。经实践验证,光纤激光切割加工的产品完全可以满足实际使用要求。

2三维激光切割

轨道车辆制造中,三维激光切割技术方兴未艾。其主要进行了各种三维冲压件的切割、割孔,除了配置机械手、光纤激光、实时监控外,还配置有除尘系统、交换工作台、封闭切割间。解决了复杂工件的三维切割,代替落后的无齿具、手工等离子切割工艺,改善质量、减小污染。

在城市轨道车辆制造中对大长件,尤其是组成部件后加工,起到了改善切割能力和提高质量的作用。激光切割技术随着多元需求和先进制造的要求,正一步步完善和创新,一批批现代的技术和装备发展起来。

鉴于激光切割的优点,现在激光切割设备已在轨道车辆制造行业得到很好应用。比如高速动车组车体采用铝合金型材及板材,其 6mm 以下板材的完全采用激光下料和剪板机下料;高速动车组转向架采用耐候钢板,其中 12mm 以下板材采用 6KW 激光切割机进行下料;地铁车体采用不锈钢车体,其中 6mm 以下板材的完全采用 6KW 激光下料和剪板机下料;地铁转向架采用低合金结构钢 Q345C,其中14mm以下板材采用激光切割机进行下料。

激光技术在轨道交通的用途非常广泛,如激光扫描跟踪定位、激光导向等。激光打标技术不但适用于微痕标识,而且还适用于条形码及二维码管理。激光快速成型通常用于制作样车、开发模具,能够较大程度减小试制周期,降低成本,用于有限元分析、风洞试验、校验分析、特性测试、工艺装配性能等。激光检测适用性强、可靠性好、精度高,零件与车身制造监测精准,精密化、自动化程度更高。

激光导向和定位技术

在轨道车辆制造车间的生产和车间物流中,采用激光导向和定位技术进行自动化生产和物流控制,如青岛四方机车车辆股份有限公司构建了焊接构架自动焊接生产线,其物料运输的 AGV小车,采用激光导向和定位技术。该技术可以扩展使用到其他自动物流系统。 此外,在自动焊接设备中作为定位与跟踪的关键装置——激光扫描与跟踪定位系统,与随焊接机器人或焊接机械手配合,提供自动化焊接解决方案。

青岛四方机车车辆股份有限公司的焊接构架自动焊接生产线

激光追溯

在质量控制体系中,引入微痕标识和条形码管理系统,也采用了激光加工技术。所谓的微痕标识,是利用激光打标机在板材零件上刻打深度为0.1mm 的零件编码,用于实现钢板材料原始信息和零件名称、代号等编码信息的标识移植。通过有效管理,可以实现产品的全过程质量追踪,提高质量管理水平。

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(激光追溯)

激光测距技术

线路障碍物检测系统能够为列车安全运行提供最后一道防线,铁路障碍物侵限监测系统的研究在我国受到了广泛关注,一些适合我国高速铁路发展的障碍物侵限监测系统方案被相继提出。目前,激光测距技术已被广泛的应用于航空航天、军事、大地大气探测和机器人等领域,然而,其在轨道交通中的使用还处于空白阶段,车载激光测距仪的轨道交通障碍物检测方案是一种很好的解决方案。激光测距仪设计的障碍物检测方案,具有精度高、探测距离远、抗干扰能力强、对光源相干性要求低等特点,适用于大容量、短间距的城市轨道交通。

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(激光检测仪)

因此,对于轨道交通行业先进激光智能制造方面,目前,先进激光制造的应用,急需组建优秀的激光加工团队,大力普及激光加工技术。同时设立激光加工教学、科研和生产基地,加大相关技术同步研究。将机器人技术、仿真技术应用等大规模地应用到轨道车辆制造中。同时借鉴欧美日等技术发达国家的技术与经验,发展出我国自主特色的激光加工设备以及加工工艺。

(激光制造网LaserfairCom)

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