论文部分内容阅读
摘要：激光焊接技术以其高能、低热、变形小、应力低的技术特点，在轨道交通领域获得了工业化应用。通过激光焊接技术的引入，推动了不锈钢城轨车辆制造水平的提升，支撑了城轨地铁市场的拓展，激光焊接技术也正以其独特的技术优势逐步推向高速列车铝合金车体制造领域。结合激光焊接技术独特的工程技术特点，对工业化生产过程中影响激光焊缝质量全要素梳理，从人、机、料、法、环、测等方面进行分析，提升过程质量保证能力，对于夯实激光焊接技术应用基础，支撑轨道行业未来发展具有重大的战略意义。
关键词：激光焊 工业化 生产全要素分析
1概述
激光焊是利用高能量激光束作为热源作用于工件完成材料连接的焊接技术，具有焊接速度快焊缝成形美观、焊缝宽深比小、焊接变形小等优点。按能量密度可分为热传导焊和深熔焊;按是否有填充材料可分为填丝焊、自熔焊;按照激光源产生原理可分为CO2、固态和光纤三种激光发生器。激光焊在国内外轨道交通行业中有着广泛的应用，国外轨道车辆激光焊接技术的工业化应用起步于2005年。欧洲轨道车辆激光焊接技术的应用主要集中在德国，多为涂装的碳钢或不锈钢车辆;日本将激光焊接技术应用于无涂装不锈钢城轨列车，车辆商品化水平很高，但局部也存在着激光焊接缺陷修复情况。国内激光焊接技术应用研究起于2009年，2012年四方完成了国内首辆激光焊A型样车。
2工业化生产全要素分析
对工业化生产激光焊接过程从人、机、料、法、环、测等方面进行全要素分析。分析结果如下。
2.1强大的人员队伍
激光焊接对专业技术人员要求很高，焊接工程师需要有丰富的激光专业知识、离线编程能力及设备操作能力。在工业化生产过程中，焊接工程师需具有快速、准确诊断并解决质量问题的能力。在新产品生产过程中，至少需要3到4名焊接工程师参与生产，通过生产试制，发现所有影响焊接质量、效率的问题，并予以解决。为工业化批量生产打下坚实基础。工件装配人员需具有精细作业意识和质量风险意识，工件装配质量是影响激光焊缝质量的关键因素之一，在工业化生产过程中良好的装配质量是产生高质量焊缝的前提。设备操作人员需要对设备运行过程稳定性起监控作用，需具备根据激光焊缝外观状态判定焊缝质量的能力，从而对质量不良的焊缝提前进行修补。检验人员作为产品质量把关的最后一道关口，人员素质、能力及责任心是尤为重要，检验人员要在工业化生产整个过程中起到监督作用，包括焊前、焊中、焊后的检查，是工业化生产质量控制的关键
2.2可靠的装备配置
通常来说，在工业化生产过程中，激光焊接设备和激光焊接工装是决定激光焊缝质量的必要配备。
一台性能优良的激光焊设备通常具高精度的走行机构、稳定的激光发生器、良好的激光导向传输系统、高质量的激光头配置及先进的激光焊接监控系统。高精度的走行机构是工业化生产的前提，通常一台良好的激光焊设备重复定位精度不大于0.5mm;激光发生器作为激光焊光束的产生机构稳定性要求尤为重要，国际先进的激光发生器能将激光功率控制在±1%以内，产生稳定的光源足以满足工业化生产;激光导向传输系统是激光行走的通道，激光经过导向传输系统后会有定的功率损耗，一般光纤作为导向传输时功率损耗较小，且损耗量稳定。镜片作为导向传输时功率损耗较大，且损耗量随着光路的改变而变化，这对稳定的功率需求是不利的。激光头是激光的输出部位，直接决定光束质量、焦点稳定性，一般随着输出功率的变化光束质量和焦点位置都会产生相应的变化，高质量激光头输出功率每增大1000W，光束能量集中区域不会有明显的变化，焦点位置变化不会大于0.3mm;不是所有的激光焊设备都有激光焊接监控系统，目前国际上先进的激光焊监控系统能够对焊接过程的熔池进行实时监测，拥有良好的激光焊监控系统会对工业化生产焊缝质量控制起到保障作用。
激光焊接工装形式多种多样，轨道交通行业常用真空吸附配合辅助压紧工装模式，这种工装组合因效率高、装配质量好、重复定位精度高在工业化生产中得到广泛应用。因装配质量需求，激光焊工装对平面度、直线度、轮廓度、表面粗糙度对指标要求极为严格，通常通过焊接工艺生产的工装难以满足激光焊生产需求，激光焊工装往往需要机加工得到，这也是激光焊工装成本高的原因。
2.3精细的物料质量
为保证稳定的装配质量，激光焊接物料的质量有着极其严格的要求。大量的试验、生产结果表明搭接激光焊接头工件装配间隙不大于0.2mm，所以单间质量要求通常更为严格。对需要机加工、压型的工件平面度、直线度、轮廓度要求极为严格，往需要高水平的工艺方法支撑，这样才能满足工业化生产的需求。
2.4合理的焊接参数
焊接速度、激光功率、离焦量、保护气是激光焊焊接中最重要的四个参数。焊接速度对焊缝熔宽影响较大，焊接速度越大，熔宽越小。工业化生产过程中焊接速度直接决定生产效率，一般控制在（8-10）m/min。激光功率对熔深影响较大，激光功率越大，熔深越大。对于半熔透搭接激光焊而言，一般控制下层板熔深不小于0.3mm，一般激光功率控制在3000W左右。离焦量直接关系到激光作用在工件上的功率密度。激光焦点处功率密度最大，稳定性高，若0离焦能够得到良好稳定的焊缝形貌，建议采用0离焦焊接。负离焦能加大焊缝的熔深，焊接厚板大熔深焊缝可选择使用。正离焦能获得较宽的熔宽，但激光穿透能力差，建议在薄板焊接中使用。保护气种类、流量对焊缝质量有影响，常见的激光焊保护气有He、Ar、N2等，He气成本最高，激光焊缝质量稳定，一般不建议工业化生产大量使用。Ar气是常见的激光焊保护气。最新研究表明N2对激光焊缝的微观组织起到有益的影响，且成本低，满足工业化生产需要。很多科学研究人员会考虑多参数耦合情況下（焊接速度、激光功率、离焦量同时变化时）对焊缝质量的影响，在工业化生产中未必适用，轨道交通行业选用的激光焊接设备基本都会对焊接速度、激光功率、离焦量进行同时控制。在工业化生产时几乎不会出现多参数同时变化。
2.5有效的管控措施
在工业化生产过程中，一次性获得100%合格的激光焊缝是不可能的，往往通过有效的修复方法，让焊缝质量达到100%合格。长期从事激光焊生产的人员能够根据激光焊缝外观形貌判定激光焊缝的质量，发现不良焊缝提前进行修复。一些肉眼不能识别出的缺陷，需要采用高科技探伤方式将焊缝缺陷暴露出来，并通过修复手段得到100%合格焊缝。
3总结
激光焊接技术的特点重在强调过程和细节管控，在工业化生产过程中，全要素中任何环节产生问题都会对激光焊缝质量产生毁灭性影响。这就要求所有从事激光焊生产的人员有高度的责任心、良好的专业知识和敬业态度。这是保证激光焊缝质量的基本要求。
参考文献
[1]李刚卿，韩晓辉.不锈钢车体的焊接工艺及发展[M]·江苏：机车车辆工艺版社，2004
作者简介：梁赛（1994.10-），男，安徽淮北，本科，工程师，研究方向：动车组质量管理。
关键词：激光焊 工业化 生产全要素分析
1概述
激光焊是利用高能量激光束作为热源作用于工件完成材料连接的焊接技术，具有焊接速度快焊缝成形美观、焊缝宽深比小、焊接变形小等优点。按能量密度可分为热传导焊和深熔焊;按是否有填充材料可分为填丝焊、自熔焊;按照激光源产生原理可分为CO2、固态和光纤三种激光发生器。激光焊在国内外轨道交通行业中有着广泛的应用，国外轨道车辆激光焊接技术的工业化应用起步于2005年。欧洲轨道车辆激光焊接技术的应用主要集中在德国，多为涂装的碳钢或不锈钢车辆;日本将激光焊接技术应用于无涂装不锈钢城轨列车，车辆商品化水平很高，但局部也存在着激光焊接缺陷修复情况。国内激光焊接技术应用研究起于2009年，2012年四方完成了国内首辆激光焊A型样车。
2工业化生产全要素分析
对工业化生产激光焊接过程从人、机、料、法、环、测等方面进行全要素分析。分析结果如下。
2.1强大的人员队伍
激光焊接对专业技术人员要求很高，焊接工程师需要有丰富的激光专业知识、离线编程能力及设备操作能力。在工业化生产过程中，焊接工程师需具有快速、准确诊断并解决质量问题的能力。在新产品生产过程中，至少需要3到4名焊接工程师参与生产，通过生产试制，发现所有影响焊接质量、效率的问题，并予以解决。为工业化批量生产打下坚实基础。工件装配人员需具有精细作业意识和质量风险意识，工件装配质量是影响激光焊缝质量的关键因素之一，在工业化生产过程中良好的装配质量是产生高质量焊缝的前提。设备操作人员需要对设备运行过程稳定性起监控作用，需具备根据激光焊缝外观状态判定焊缝质量的能力，从而对质量不良的焊缝提前进行修补。检验人员作为产品质量把关的最后一道关口，人员素质、能力及责任心是尤为重要，检验人员要在工业化生产整个过程中起到监督作用，包括焊前、焊中、焊后的检查，是工业化生产质量控制的关键
2.2可靠的装备配置
通常来说，在工业化生产过程中，激光焊接设备和激光焊接工装是决定激光焊缝质量的必要配备。
一台性能优良的激光焊设备通常具高精度的走行机构、稳定的激光发生器、良好的激光导向传输系统、高质量的激光头配置及先进的激光焊接监控系统。高精度的走行机构是工业化生产的前提，通常一台良好的激光焊设备重复定位精度不大于0.5mm;激光发生器作为激光焊光束的产生机构稳定性要求尤为重要，国际先进的激光发生器能将激光功率控制在±1%以内，产生稳定的光源足以满足工业化生产;激光导向传输系统是激光行走的通道，激光经过导向传输系统后会有定的功率损耗，一般光纤作为导向传输时功率损耗较小，且损耗量稳定。镜片作为导向传输时功率损耗较大，且损耗量随着光路的改变而变化，这对稳定的功率需求是不利的。激光头是激光的输出部位，直接决定光束质量、焦点稳定性，一般随着输出功率的变化光束质量和焦点位置都会产生相应的变化，高质量激光头输出功率每增大1000W，光束能量集中区域不会有明显的变化，焦点位置变化不会大于0.3mm;不是所有的激光焊设备都有激光焊接监控系统，目前国际上先进的激光焊监控系统能够对焊接过程的熔池进行实时监测，拥有良好的激光焊监控系统会对工业化生产焊缝质量控制起到保障作用。
激光焊接工装形式多种多样，轨道交通行业常用真空吸附配合辅助压紧工装模式，这种工装组合因效率高、装配质量好、重复定位精度高在工业化生产中得到广泛应用。因装配质量需求，激光焊工装对平面度、直线度、轮廓度、表面粗糙度对指标要求极为严格，通常通过焊接工艺生产的工装难以满足激光焊生产需求，激光焊工装往往需要机加工得到，这也是激光焊工装成本高的原因。
2.3精细的物料质量
为保证稳定的装配质量，激光焊接物料的质量有着极其严格的要求。大量的试验、生产结果表明搭接激光焊接头工件装配间隙不大于0.2mm，所以单间质量要求通常更为严格。对需要机加工、压型的工件平面度、直线度、轮廓度要求极为严格，往需要高水平的工艺方法支撑，这样才能满足工业化生产的需求。
2.4合理的焊接参数
焊接速度、激光功率、离焦量、保护气是激光焊焊接中最重要的四个参数。焊接速度对焊缝熔宽影响较大，焊接速度越大，熔宽越小。工业化生产过程中焊接速度直接决定生产效率，一般控制在（8-10）m/min。激光功率对熔深影响较大，激光功率越大，熔深越大。对于半熔透搭接激光焊而言，一般控制下层板熔深不小于0.3mm，一般激光功率控制在3000W左右。离焦量直接关系到激光作用在工件上的功率密度。激光焦点处功率密度最大，稳定性高，若0离焦能够得到良好稳定的焊缝形貌，建议采用0离焦焊接。负离焦能加大焊缝的熔深，焊接厚板大熔深焊缝可选择使用。正离焦能获得较宽的熔宽，但激光穿透能力差，建议在薄板焊接中使用。保护气种类、流量对焊缝质量有影响，常见的激光焊保护气有He、Ar、N2等，He气成本最高，激光焊缝质量稳定，一般不建议工业化生产大量使用。Ar气是常见的激光焊保护气。最新研究表明N2对激光焊缝的微观组织起到有益的影响，且成本低，满足工业化生产需要。很多科学研究人员会考虑多参数耦合情況下（焊接速度、激光功率、离焦量同时变化时）对焊缝质量的影响，在工业化生产中未必适用，轨道交通行业选用的激光焊接设备基本都会对焊接速度、激光功率、离焦量进行同时控制。在工业化生产时几乎不会出现多参数同时变化。
2.5有效的管控措施
在工业化生产过程中，一次性获得100%合格的激光焊缝是不可能的，往往通过有效的修复方法，让焊缝质量达到100%合格。长期从事激光焊生产的人员能够根据激光焊缝外观形貌判定激光焊缝的质量，发现不良焊缝提前进行修复。一些肉眼不能识别出的缺陷，需要采用高科技探伤方式将焊缝缺陷暴露出来，并通过修复手段得到100%合格焊缝。
3总结
激光焊接技术的特点重在强调过程和细节管控，在工业化生产过程中，全要素中任何环节产生问题都会对激光焊缝质量产生毁灭性影响。这就要求所有从事激光焊生产的人员有高度的责任心、良好的专业知识和敬业态度。这是保证激光焊缝质量的基本要求。
参考文献
[1]李刚卿，韩晓辉.不锈钢车体的焊接工艺及发展[M]·江苏：机车车辆工艺版社，2004
作者简介：梁赛（1994.10-），男，安徽淮北，本科，工程师，研究方向：动车组质量管理。