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光纤激光切割机_手持激光焊接助力轨道交通

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  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,为不锈钢车体制造进一步应用激光焊技术提供了可能。

  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,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,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,代手持式激光焊设备随之出现,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),其与氩弧焊的相比,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无替代氩弧焊。

  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,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。

  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,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。在灵活性方面,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,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。

  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)手持式激光焊仍输入人工焊接,长时间作业会产生疲劳,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。

  不锈钢车体具有耐腐蚀性强、塑韧性好和免涂装等特点,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。

  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,端墙排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光纤激光切割机,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,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。

  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。

  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,热输入大光纤激光切割机,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。

  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、提升客户满意度光纤激光切割机,可以预见未来在不锈钢车体中将逐步替代手弧焊。

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