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手持式激光焊接技术在不锈钢车体中的应用展望

作者:陈阿海、 陈积翠、 刘海涛、王彦鹏 来源:本站 人气:119 发表时间:2022-04-16 13:00:39

1、序言


轨道客车不锈钢车体不仅具有强度高、 耐用性好、 环保性高及再生性高等特点。同时具有车体牢固性好、 外观精致、 使用寿命长和焊接效率高等优势,逐渐受到行业人士的追捧。


激光焊是通过聚焦高能量的激光束射到被连接部位的表面将需要连接的材料熔化形成焊缝的方法,在轨道客车不锈钢车体制造中长直焊缝较多。日本、 德国、 中国等车辆制造企业均具备了不锈钢车体激光焊能力。然而,专机激光焊设备的高成本、长周期、 可达性差、 灵活性差等缺点阻碍了不锈钢车体中激光焊技术的进一步发展。近些年来随着手持式激光焊设备的出现ꎬ 为不锈钢车体制造进一步应用激光焊技术提供了可能。


2、手持式激光焊的发展


从电能输入到真正的激光形成,需要经历泵浦源、 增益介质、 谐振器三个阶段,能量从泵浦源(灯、 二极管、 无线电频率装置等) 泵浦到激光介质,刺激激光介质发送激光辐射,辐射出的激光在谐振器中被放大ꎬ 最后通过光路输出高功率的激光。按照增益介质不同激光器可以分为气体激光器、 固体激光器、 液体激光器 (工业没有应用)。


其中,目前应用广泛的固体激光器的介质是由人工合成的单晶钇铝石榴石 (YAG) 或玻璃掺以光学激活离子如钕 (Nd) 或镱 (Yb) 构成。固体激光器增益介质的作用为促使激光发光最大吸收, 同时确保热量尽可能被有效的消耗。由于增益介质的结构不同ꎬ 固体激光器分为碟片激光器、 光纤激光器、半导体激光器等种类,传统的固体激光器的增益介质为棒状,碟片激光器的增益介质为薄而宽的碟片状,光纤激光器的增益物质为细长的光纤。


光纤传输设备的出现,解决了光路按使用需求方向变化的难题,第一代手持式激光焊设备随之出现。第一代手持式激光焊设备虽然能够实现一定范围内的焊接,但光电转化效率低,设备体积大 (是普通氩弧焊设备体积的 4 ~ 6 倍),焊接熔深小,可焊范围小,设备成本高 (是氩弧焊的设备成本的3倍以上)。其与氩弧焊相比,主要应用于有美观性要求的广告牌、 装饰件等方面,对于结构连接件尚无法替代氩弧焊。


近些年光纤激光器有了长足发展,其优势主要有: 光电转化率高、 散热快、 柔性好、 抗干扰能力强、 低成本、 寿命长、 免调节、 免维护、 高稳定性、体积小。应用光纤激光器的手持式激光焊设备也渐渐得到发展。激光焊对于工件的装配精度要求较高,焊缝容易出现缺欠ꎬ 为解决这一问题,设计人员参照专机激光焊设备研究出光斑摆动的手持式激光焊设备,激光呈 “8” 字型或 “O” 型摆动可以降低工件装配精度,焊接熔深增大。经过一系列的优化改进,目前常见的手持式激光焊设备功率 0.5 ~1.5kW,设备大小及重量与氩弧焊焊机相当,可以焊接 3mm 及以下金属板。为了解决激光焊结构焊缝强度不足的缺点,近年设备厂家在激光焊的基础上集成自动送丝装置,研制出可以自动送丝的手持式激光填丝焊设备,基本满足了 4mm 以下薄金属板的焊接, 基本可以替代和超过氩弧焊,实现高速度、低热输入、 小变形、 低成本环保焊接,同比条件下制造成本低于氩弧焊。


3、手持式激光焊的特点


3.1 手持式激光焊的优点

1) 手持式激光焊具备激光焊的高效、 低热输入、 低成本环保的特点,同时由于焊枪前端通常设计了长导嘴。焊接过程中导嘴尖端可以贴住工件,沿工件形状进行移动ꎬ 操作人员在使用过程中无需像手弧焊耗费力气克服焊枪自身的重力,且单手可以操作。因此,对焊工的技能水平要求较低。通常一个焊工从开始学习到熟练使用,只需要 5 ~7d,而同等情况下, 熟练手弧焊焊工需要耗费 30d 甚至更长。


2) 对于较复杂的工件,其效率较传统手弧焊有了质的提升ꎮ 在灵活性方面ꎬ 焊枪可以个性化定制,可以适应各种狭小空间的焊接即手弧焊可以焊接的位置,手持式激光焊也能完成。


3) 激光焊焊缝平滑美丽,焊缝金属体积小,适合外观要求高的部位ꎬ 其常见的激光焊接头形式如图 1 所示。通常情况下 3mm 及以下常规接头均可使用手持式激光焊完成。

常见激光焊接头形式


3.2 手持式激光焊的不足

1) 由于激光对眼睛和皮肤无论是直射还是反射都有可能发生危险,在焊接铝、 铝合金、 铜、 金、银等高反材料时,很大部分激光会被材料反射,激光属于不可见光,操作时需注意反射角度,使用手持式激光焊的工序需避免交叉作业。同时为防止激光设备区域内的激光反射、 散射和漫散射造成人员伤害,需要设置隔离保护设施,操作人员需佩戴防激光眼镜。


2) 对于常见的激光焊焊缝。要求工件装配后间隙≤0.1mm,为减少装配精度要求,降低配件制造成本,可使用手持式填丝激光焊及有摆动的手持式激光焊设备。可根据设备能力及产品情况进行不同间隙试验最终满足使用需求。


3) 手持式激光焊由设备光纤传输激光。当设备传输线路弯曲半径过小时会造成光纤折损。因此,应尽量避免焊接过程中弯曲角度过大。通常单次连续焊接焊缝的长度宜控制在人员活动范围内。对于长度超过 2m 的长直焊缝,可以考虑分段进行,并设置焊枪线缆悬挂装置。


4) 手持式激光焊仍输入人工焊接,长时间作业会产生疲劳ꎬ 对于焊接可达性好的长直焊缝。需要考虑专机或者自动化设备进行焊接。


4、不锈钢车体中的应用展望


不锈钢车体具有耐腐蚀性强、 塑韧性好和免涂装等特点ꎬ 备受客户青睐,不锈钢车体激光焊具有传统焊接无法比拟的优势。其焊接强度高,能有效减少缺欠,外观美观。因此备受推崇 。


轨道车辆不锈钢车体通常都由薄板构成,轻量化设计的不锈钢车体 (见图2) 除底架结构承载部位板厚超过4mm 外, 其他部位均采用薄壁材料。板厚 0.8 ~ 3mm,其中, 顶盖部位最薄的波纹板仅0.8mm。而外表面要求的侧墙板及端墙板钢材料后续通常为 2mm,均在手持式激光焊适用的板厚范围内。

某轻量化不锈钢车体

4.1 美观要求焊缝应用展望

门框四周与侧墙蒙皮的搭接焊缝 (见图3),其位于车体客室进门处,端墙水与端墙蒙皮的角接焊缝 (见图4)。端部包边与侧墙蒙皮的搭接焊缝(见图5)。位于站台乘客的可见面,有着较高的焊缝美观度要求,采用手弧焊焊缝成形不美观。如全满焊,大的焊接热输入会造成外表面出现变形。但为保证车辆长时间运行不受腐蚀及结构需要,目前常规采用的方案是氩弧焊段焊 + 打胶处理的方式。而氩弧焊焊缝为鱼鳞状,焊缝位置不均匀时有出现,焊缝接头凹坑或者凸起,不美观ꎬ 端焊间隙打胶处理操作繁琐,胶缝厚度小,易老化脱落,维护成本高。

手持式激光焊接焊缝

上述位置的焊缝,通常焊缝接头位置间隙能够控制在 0~ 1mm 以内,采用手持式激光焊,可以完全替代氩弧焊 + 打胶的方式,大幅度降低制造成本,提升效率,焊缝焊后平直均匀,无需打磨,可以提升客户满意度。


4.2 变形大焊缝应用展望


顶盖上方隔板与弯梁的搭接焊缝、 隔板与底板的角接焊缝 (见图6),每条长度约3m。在使用手弧焊时,热输入大,即使采用分段跳焊,焊后变形仍然较大。底板处超过 5mm,隔板处变形超过 10mm,需要耗费大量人力和物力进行调修,采用手持式激光焊,焊接热输入大幅减少,焊接速度可以提升 3倍以上,可以大大降低后续调修校形的工作。同时焊缝成形美观,接头缺欠少,可以减少接头修磨,从而降低成本,提升效率。

顶盖上方隔板位置连接

5、结束语


目前,轨道客车不锈钢车体逐步采用先进的激光焊技术,相应的技术标准也在逐步完善。激光焊的接头疲劳强度、 机械强度均优于传统弧焊。在轻量化设计的不锈钢车体制造中,手持式激光焊灵活性更高、 适用范围更广。随着该技术的不断进步,设备成本的不断降低。使用手持式激光焊可以降低成本、 提升效率、 提升客户满意度,可以预见未来在不锈钢车体中将逐步替代手弧焊。


文章来源:《金属加工(热加工)》2021年增刊1,345-347

作者简介:中车株洲电力机车有限公司陈阿海、 陈积翠、 刘海涛、王彦鹏。


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