１　序言

軌道客車不銹鋼車體不僅具有強度高、 耐用性好、 環(huán)保性高及再生性高等特點。同時具有車體牢固性好、 外觀精致、 使用壽命長和焊接效率高等優(yōu)勢，逐漸受到行業(yè)人士的追捧。

激光焊是通過聚焦高能量的激光束射到被連接部位的表面將需要連接的材料熔化形成焊縫的方法，在軌道客車不銹鋼車體制造中長直焊縫較多。日本、 德國、 中國等車輛制造企業(yè)均具備了不銹鋼車體激光焊能力。然而，專機激光焊設(shè)備的高成本、長周期、 可達性差、 靈活性差等缺點阻礙了不銹鋼車體中激光焊技術(shù)的進一步發(fā)展。近些年來隨著手持式激光焊設(shè)備的出現(xiàn)ꎬ 為不銹鋼車體制造進一步應(yīng)用激光焊技術(shù)提供了可能。

２　手持式激光焊的發(fā)展

從電能輸入到真正的激光形成，需要經(jīng)歷泵浦源、 增益介質(zhì)、 諧振器三個階段，能量從泵浦源(燈、 二極管、 無線電頻率裝置等) 泵浦到激光介質(zhì)，刺激激光介質(zhì)發(fā)送激光輻射，輻射出的激光在諧振器中被放大ꎬ 最后通過光路輸出高功率的激光。按照增益介質(zhì)不同激光器可以分為氣體激光器、 固體激光器、 液體激光器 (工業(yè)沒有應(yīng)用)。

其中，目前應(yīng)用廣泛的固體激光器的介質(zhì)是由人工合成的單晶釔鋁石榴石 (ＹＡＧ) 或玻璃摻以光學(xué)激活離子如釹 (Ｎｄ) 或鐿 (Ｙｂ) 構(gòu)成。固體激光器增益介質(zhì)的作用為促使激光發(fā)光最大吸收， 同時確保熱量盡可能被有效的消耗。由于增益介質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同ꎬ 固體激光器分為碟片激光器、 光纖激光器、半導(dǎo)體激光器等種類，傳統(tǒng)的固體激光器的增益介質(zhì)為棒狀，碟片激光器的增益介質(zhì)為薄而寬的碟片狀，光纖激光器的增益物質(zhì)為細長的光纖。

光纖傳輸設(shè)備的出現(xiàn)，解決了光路按使用需求方向變化的難題，第一代手持式激光焊設(shè)備隨之出現(xiàn)。第一代手持式激光焊設(shè)備雖然能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)的焊接，但光電轉(zhuǎn)化效率低，設(shè)備體積大 (是普通氬弧焊設(shè)備體積的 ４ ~ ６ 倍)，焊接熔深小，可焊范圍小，設(shè)備成本高 (是氬弧焊的設(shè)備成本的３倍以上)。其與氬弧焊相比，主要應(yīng)用于有美觀性要求的廣告牌、 裝飾件等方面，對于結(jié)構(gòu)連接件尚無法替代氬弧焊。

近些年光纖激光器有了長足發(fā)展，其優(yōu)勢主要有: 光電轉(zhuǎn)化率高、 散熱快、 柔性好、 抗干擾能力強、 低成本、 壽命長、 免調(diào)節(jié)、 免維護、 高穩(wěn)定性、體積小。應(yīng)用光纖激光器的手持式激光焊設(shè)備也漸漸得到發(fā)展。激光焊對于工件的裝配精度要求較高，焊縫容易出現(xiàn)缺欠ꎬ 為解決這一問題，設(shè)計人員參照專機激光焊設(shè)備研究出光斑擺動的手持式激光焊設(shè)備，激光呈 “８” 字型或 “Ｏ” 型擺動可以降低工件裝配精度，焊接熔深增大。經(jīng)過一系列的優(yōu)化改進，目前常見的手持式激光焊設(shè)備功率 ０.５ ~１.５ｋＷ，設(shè)備大小及重量與氬弧焊焊機相當，可以焊接 ３ｍｍ 及以下金屬板。為了解決激光焊結(jié)構(gòu)焊縫強度不足的缺點，近年設(shè)備廠家在激光焊的基礎(chǔ)上集成自動送絲裝置，研制出可以自動送絲的手持式激光填絲焊設(shè)備，基本滿足了 ４ｍｍ 以下薄金屬板的焊接， 基本可以替代和超過氬弧焊，實現(xiàn)高速度、低熱輸入、 小變形、 低成本環(huán)保焊接，同比條件下制造成本低于氬弧焊。

３　手持式激光焊的特點

３.１ 手持式激光焊的優(yōu)點

１) 手持式激光焊具備激光焊的高效、 低熱輸入、 低成本環(huán)保的特點，同時由于焊槍前端通常設(shè)計了長導(dǎo)嘴。焊接過程中導(dǎo)嘴尖端可以貼住工件，沿工件形狀進行移動ꎬ 操作人員在使用過程中無需像手弧焊耗費力氣克服焊槍自身的重力，且單手可以操作。因此，對焊工的技能水平要求較低。通常一個焊工從開始學(xué)習(xí)到熟練使用，只需要 ５ ~７ｄ，而同等情況下， 熟練手弧焊焊工需要耗費 ３０ｄ 甚至更長。

２) 對于較復(fù)雜的工件，其效率較傳統(tǒng)手弧焊有了質(zhì)的提升ꎮ 在靈活性方面ꎬ 焊槍可以個性化定制，可以適應(yīng)各種狹小空間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) 激光焊焊縫平滑美麗，焊縫金屬體積小，適合外觀要求高的部位ꎬ 其常見的激光焊接頭形式如圖 １ 所示。通常情況下 ３ｍｍ 及以下常規(guī)接頭均可使用手持式激光焊完成。

３.２　手持式激光焊的不足

１) 由于激光對眼睛和皮膚無論是直射還是反射都有可能發(fā)生危險，在焊接鋁、 鋁合金、 銅、 金、銀等高反材料時，很大部分激光會被材料反射，激光屬于不可見光，操作時需注意反射角度，使用手持式激光焊的工序需避免交叉作業(yè)。同時為防止激光設(shè)備區(qū)域內(nèi)的激光反射、 散射和漫散射造成人員傷害，需要設(shè)置隔離保護設(shè)施，操作人員需佩戴防激光眼鏡。

２) 對于常見的激光焊焊縫。要求工件裝配后間隙≤０.１ｍｍ，為減少裝配精度要求，降低配件制造成本，可使用手持式填絲激光焊及有擺動的手持式激光焊設(shè)備。可根據(jù)設(shè)備能力及產(chǎn)品情況進行不同間隙試驗最終滿足使用需求。

３) 手持式激光焊由設(shè)備光纖傳輸激光。當設(shè)備傳輸線路彎曲半徑過小時會造成光纖折損。因此，應(yīng)盡量避免焊接過程中彎曲角度過大。通常單次連續(xù)焊接焊縫的長度宜控制在人員活動范圍內(nèi)。對于長度超過 ２ｍ 的長直焊縫，可以考慮分段進行，并設(shè)置焊槍線纜懸掛裝置。

４) 手持式激光焊仍輸入人工焊接，長時間作業(yè)會產(chǎn)生疲勞ꎬ 對于焊接可達性好的長直焊縫。需要考慮專機或者自動化設(shè)備進行焊接。

４　不銹鋼車體中的應(yīng)用展望

不銹鋼車體具有耐腐蝕性強、 塑韌性好和免涂裝等特點ꎬ 備受客戶青睞，不銹鋼車體激光焊具有傳統(tǒng)焊接無法比擬的優(yōu)勢。其焊接強度高，能有效減少缺欠，外觀美觀。因此備受推崇 。

軌道車輛不銹鋼車體通常都由薄板構(gòu)成，輕量化設(shè)計的不銹鋼車體 (見圖２) 除底架結(jié)構(gòu)承載部位板厚超過４ｍｍ 外， 其他部位均采用薄壁材料。板厚 ０.８ ~ ３ｍｍ，其中， 頂蓋部位最薄的波紋板僅０.８ｍｍ。而外表面要求的側(cè)墻板及端墻板鋼材料后續(xù)通常為 ２ｍｍ，均在手持式激光焊適用的板厚范圍內(nèi)。

４.１　美觀要求焊縫應(yīng)用展望

門框四周與側(cè)墻蒙皮的搭接焊縫 (見圖３)，其位于車體客室進門處，端墻水與端墻蒙皮的角接焊縫 (見圖４)。端部包邊與側(cè)墻蒙皮的搭接焊縫(見圖５)。位于站臺乘客的可見面，有著較高的焊縫美觀度要求，采用手弧焊焊縫成形不美觀。如全滿焊，大的焊接熱輸入會造成外表面出現(xiàn)變形。但為保證車輛長時間運行不受腐蝕及結(jié)構(gòu)需要，目前常規(guī)采用的方案是氬弧焊段焊 ＋ 打膠處理的方式。而氬弧焊焊縫為魚鱗狀，焊縫位置不均勻時有出現(xiàn)，焊縫接頭凹坑或者凸起，不美觀ꎬ 端焊間隙打膠處理操作繁瑣，膠縫厚度小，易老化脫落，維護成本高。

上述位置的焊縫，通常焊縫接頭位置間隙能夠控制在 ０~ １ｍｍ 以內(nèi)，采用手持式激光焊，可以完全替代氬弧焊 ＋ 打膠的方式，大幅度降低制造成本，提升效率，焊縫焊后平直均勻，無需打磨，可以提升客戶滿意度。

４.２　變形大焊縫應(yīng)用展望

頂蓋上方隔板與彎梁的搭接焊縫、 隔板與底板的角接焊縫 (見圖６)，每條長度約３ｍ。在使用手弧焊時，熱輸入大，即使采用分段跳焊，焊后變形仍然較大。底板處超過 ５ｍｍ，隔板處變形超過 １０ｍｍ，需要耗費大量人力和物力進行調(diào)修，采用手持式激光焊，焊接熱輸入大幅減少，焊接速度可以提升 ３倍以上，可以大大降低后續(xù)調(diào)修校形的工作。同時焊縫成形美觀，接頭缺欠少，可以減少接頭修磨，從而降低成本，提升效率。

５　結(jié)束語

目前，軌道客車不銹鋼車體逐步采用先進的激光焊技術(shù)，相應(yīng)的技術(shù)標準也在逐步完善。激光焊的接頭疲勞強度、 機械強度均優(yōu)于傳統(tǒng)弧焊。在輕量化設(shè)計的不銹鋼車體制造中，手持式激光焊靈活性更高、 適用范圍更廣。隨著該技術(shù)的不斷進步，設(shè)備成本的不斷降低。使用手持式激光焊可以降低成本、 提升效率、 提升客戶滿意度，可以預(yù)見未來在不銹鋼車體中將逐步替代手弧焊。

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