激光焊接不銹鋼車(chē)體側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)研發(fā)

商亮

摘 要：隨著激光焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，其在軌道列車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用也越為廣泛。近幾年，中國(guó)北車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司正自主研發(fā)激光焊接技術(shù)在城軌車(chē)輛不銹鋼車(chē)體生產(chǎn)中的應(yīng)用，本文將主要介紹長(zhǎng)客股份現(xiàn)目前激光焊接技術(shù)不銹鋼車(chē)體側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：激光焊接;不銹鋼車(chē)體;側(cè)墻; 結(jié)構(gòu)

1 國(guó)內(nèi)外激光焊接技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)述及激光焊接技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 國(guó)內(nèi)外激光焊接不銹鋼車(chē)體現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，激光焊接技術(shù)在歐洲、美國(guó)和日本等地陸續(xù)得到了廣泛的關(guān)注。1985年，德國(guó)大眾汽車(chē)公司成功試驗(yàn)出世界上第一塊激光拼焊板，并應(yīng)用于A(yíng)udi100車(chē)身上。90年代開(kāi)始，世界各大汽車(chē)制造廠(chǎng)商陸續(xù)大規(guī)模地將激光拼焊板技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身的制造中。

本世紀(jì)初，德國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)相繼開(kāi)發(fā)將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于城市軌道車(chē)輛領(lǐng)域，并且已有激光焊接的不銹鋼車(chē)體在線(xiàn)運(yùn)營(yíng)， 但截至目前，國(guó)內(nèi)仍無(wú)激光焊接不銹鋼車(chē)體成功上線(xiàn)的案例。近日，中國(guó)北車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司的激光焊研發(fā)項(xiàng)目完成了國(guó)內(nèi)首列激光焊接不銹鋼車(chē)體的試制，成為了國(guó)內(nèi)第一家成功研制此項(xiàng)技術(shù)的軌道車(chē)輛制造商。

目前國(guó)內(nèi)軌道列車(chē)行業(yè)普遍采用的主要焊接方式為電阻點(diǎn)焊焊接。點(diǎn)焊后的車(chē)體表面會(huì)留下點(diǎn)焊痕跡，影響車(chē)體外表面的美觀(guān)性。而激光焊接技術(shù)則避免了這一問(wèn)題，讓車(chē)體表面更加美觀(guān)。

采用激光焊接技術(shù)的車(chē)體外觀(guān)在平整度和美觀(guān)程度上都是傳統(tǒng)點(diǎn)焊技術(shù)無(wú)法比擬的，強(qiáng)度和剛度也比傳統(tǒng)點(diǎn)焊車(chē)體更優(yōu)。該車(chē)體的研制成功，為激光焊接的軌道車(chē)輛的正式生產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)。

1.2 激光焊接的特點(diǎn)

激光焊接技術(shù)的原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將高強(qiáng)度的激光束輻射致金屬表面，通過(guò)激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。

激光焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）激光焊接的能量密度高，熱量集中，作用時(shí)間短?？蓪⑷霟崃拷档阶畹偷男枰?，熱影響區(qū)范圍小，所以因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形量較低，非常適用于對(duì)溫度及其敏感的不銹鋼材料的焊接;

（2）激光焊接的焊縫密封性好。在激光焊接過(guò)程中不需要類(lèi)似焊絲等添加物質(zhì)，而是通過(guò)加熱，使金屬熔化后重新凝結(jié)為一體。這一優(yōu)勢(shì)可大大降低車(chē)體漏雨的風(fēng)險(xiǎn);

（3）強(qiáng)固焊縫，因?yàn)闊霟釤嵩唇档碗s質(zhì)含量、改變夾雜尺寸和其在熔池中的分布，熔化區(qū)受污染少，使得焊縫強(qiáng)度、韌性至少相當(dāng)于甚至超過(guò)母體金屬;

（4）精確控制。因?yàn)榫劢构恻c(diǎn)很小，焊縫的定位精度更高。用數(shù)控光束移動(dòng)技術(shù)還可以焊接較為復(fù)雜的工件。這將更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的高速焊接，達(dá)到提高生產(chǎn)的效率和質(zhì)量的目的。

當(dāng)然激光焊接也存在一些缺點(diǎn)：

（1）激光焊接對(duì)焊件間的間距要求較高，這導(dǎo)致焊件本身的平整度、平面度、直線(xiàn)度等參數(shù)和所需使用的工裝夾都必須具有非常高的精度才能保證焊接質(zhì)量;

（2）激光焊接的設(shè)備價(jià)格較高，一次性投入較大。

2 長(zhǎng)客股份采用激光焊接側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的車(chē)體研發(fā)

2.1 激光焊接車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

隨著激光焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，其在軌道列車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用也越為廣泛。近幾年，中國(guó)北車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司正自主研發(fā)激光焊接技術(shù)在城軌車(chē)輛不銹鋼車(chē)體生產(chǎn)中的應(yīng)用。研發(fā)初期，為了設(shè)定合理的焊接參數(shù)并掌握真實(shí)的焊接數(shù)據(jù)，長(zhǎng)客股份利用現(xiàn)有的激光焊接設(shè)備，進(jìn)行了大量試驗(yàn)，終于完成了原始數(shù)據(jù)的積累，從而為接下來(lái)的車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，長(zhǎng)客股份對(duì)激光焊接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的設(shè)備工裝情況進(jìn)行了細(xì)致的分析，對(duì)傳統(tǒng)的車(chē)體側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有針對(duì)性的更新。

2.2 激光焊接側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路

本次激光焊接鋼結(jié)構(gòu)車(chē)體設(shè)計(jì)是依托于長(zhǎng)客股份城鐵車(chē)輛B型不銹鋼車(chē)平臺(tái)，對(duì)端墻、車(chē)頂及底架鋼結(jié)構(gòu)不做任何改動(dòng)，僅對(duì)側(cè)墻進(jìn)行適用于激光焊接技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這不僅要保證各大系統(tǒng)間的接口不變，還要滿(mǎn)足BS EN 12663歐洲標(biāo)準(zhǔn)和TB/T 1335 鐵道車(chē)輛強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)難度大大提高。

根據(jù)激光焊的實(shí)際特點(diǎn)和工藝設(shè)備的具體情況和實(shí)驗(yàn)分析具體數(shù)據(jù)，此次激光焊接的側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要采用了“夾心式”結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要包括了側(cè)墻外板、波紋板、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度件、結(jié)構(gòu)功能件等主要零部件。同時(shí)，由于激光焊接技術(shù)對(duì)焊接件的精度要求較高，本次研發(fā)中，為讓所采用的零部件能夠符合激光焊接的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)師對(duì)所采用的零部件的精度做了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

分塊側(cè)墻的設(shè)計(jì)，要充分考慮如何利用現(xiàn)有設(shè)備，達(dá)到全部焊縫均采用激光焊接，從而滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、外觀(guān)等諸多要求。側(cè)墻門(mén)口單元和分塊側(cè)墻單元合成時(shí)，采用點(diǎn)焊方式合成為側(cè)墻。

2.3 采用激光焊接側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的不銹鋼車(chē)體靜強(qiáng)度分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)采用激光焊接側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壓縮與垂直載荷、拉伸與垂直載荷等10種工況的靜強(qiáng)度計(jì)算，同時(shí)還進(jìn)行了車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)的一階彎曲頻率和一階扭轉(zhuǎn)率計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，本次采用激光焊接側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的車(chē)體完全滿(mǎn)足BS EN 12663歐洲標(biāo)準(zhǔn)和TB/T 1335 鐵道車(chē)輛強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，這一結(jié)果為采用激光焊接技術(shù)的車(chē)體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)提供了理論的基礎(chǔ)和保障。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的日益成熟、制造規(guī)模的不斷擴(kuò)大，中國(guó)北車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司所生產(chǎn)的不銹鋼車(chē)輛已遍及中外多個(gè)國(guó)家。目前，長(zhǎng)客股份的激光焊接技術(shù)在側(cè)墻上的研發(fā)已經(jīng)成功，在端墻鋼結(jié)構(gòu)上的試制工作也接近尾聲。近日，長(zhǎng)客股份更是一舉拿下了美國(guó)波士頓地鐵的兩條線(xiàn)路。而招標(biāo)文件中明確提出，車(chē)輛表面需采用激光焊接技術(shù)的要求。這說(shuō)明激光焊接技術(shù)在軌道列車(chē)行業(yè)中被廣泛應(yīng)用已是大勢(shì)所趨。相信在不久的將來(lái)，中國(guó)北車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司所生產(chǎn)的激光焊接不銹鋼車(chē)體，會(huì)開(kāi)往更多的國(guó)家，同時(shí)也會(huì)在軌道列車(chē)發(fā)展史上，開(kāi)創(chuàng)新的篇章！

參考文獻(xiàn)：

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[2]王鐵民.“激光焊接不銹鋼車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)研發(fā)”[J].吉林鐵道，2012（07）.