轨道客车激光焊技术原理和工艺制造应用

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摘要：　目前激光焊接技术以其高效、质量稳定、变形小等优点已在国内外轨道客车行业得

到了广泛应用。通过开展激光焊半熔透工艺方法的研究，解决了不锈钢激光焊工艺中各种焊接

变形、焊接质量控制、工艺评定、焊后检测等难题。实现了激光焊替代传统的电阻点焊工艺，

提高焊接接头的强度、静强度、疲劳强度 20%以上；改善了车体侧墙的表面外观质量；提高了

生产效率。通过对激光焊的原理和方法及优缺点、焊接设备选用、工艺参数、工艺评定及质量

检测控制等进行深入分析，促进激光焊技术在轨道车辆上的推广与应用。

　  关键词 :　　　轨道客车制造;激光焊;工艺评定;质量检测;

 1 、国内外研究现状

当今日本的高速列车和轻轨客车在客车车体制造中应用了激光焊接技术，日本的几个主要车辆

厂分别开发了采用激光焊接侧墙板的方法制造不锈钢车辆[1]。目前此项技术已用于不锈钢车辆

的批量生产，技术的可行性、侧墙的表面质量改善得到了认可。此外，德国西门子的磁悬浮客

车、丹麦的 DMU　I　C4 级高速列车、意大利 E　T　R500 高速摆动列车、美国亚特兰大轻轨车及意

大利轻轨车均准备应用激光焊接技术。据有关资料统计，在欧美发达工业国家中，有 50%～

70%的汽车零部件采用激光加工。激光焊接在汽车中的成熟应用，为其在轨道客车制造中的应

用奠定了基础。

我国在汽车领域、电子领域以及轨道客车领域也采用了激光焊接技术[2,3]。国内株洲电力机

车、青岛四方轨道车辆有限公司已经开展了激光焊接不锈钢轨道车辆的研究[4]。

我公司也较早地开展此项目研究，开发了不锈钢车体新结构，完成了某不锈钢高速动车组激光

焊样车试制，以及不锈钢车城轨车激光焊样车试制，并编制了相关激光焊企业技术标准，在国

内地铁产品中和国外等发达国家项目应用了激光焊技术进行车体侧墙焊接。

2 、激光焊技术原理与方法

　  2.1 、激光焊技术原理

激光焊一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能

“ ”量转换机制是通过小孔结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形

成小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，热量从这个高温

孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化，实质是激光与非透明物质相互作用的

过程。激光焊接原理如图1所示。

 2.2 、激光焊适用范围

我公司在不锈钢轨道车辆的焊接中，将车辆侧墙构件的点焊逐步替换为激光焊，目的是提高焊

接的精度和作业效率，使作业速度比目前提高 20%～30%，成本降低 20%～30%。通常，每辆

轨道车辆需实施7000～8000 处点焊，而且经点焊的加工表面需要后续进行除黑处理，耗费作

业时间长，而激光焊改善了以上这两方面的问题。目前激光焊能够实现 2.5m　m 以内不锈钢板

的对接、搭接等接头形式的焊接要求。

2.3、激光焊优缺点

激光焊优点是焊接速度快，焊接热输入量小，热影响区小，焊接应力小，工件变形小，可以获

得高质量的接头强度和较大的深宽比；且可焊材料多，如难熔金属、热敏感性强的材料，还可

用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃；可达性好，可借助反射镜使光束达到一般焊接方

法无法施焊的位置，特别适合微型零件和远距离焊接；不要求与焊缝区直接接触，可穿过透明

介质对密闭容器内的工件进行焊接，如可焊接玻璃密封容器内的铍合金等剧毒材料。

激光焊的缺点是激光器及焊接系统各配件的价钱较为昂贵，因此初期投资及维护成本比传统焊

接工艺高；难以焊接反射率较高的金属。由于激光焊接的聚焦光斑较小，所以对工件接头的装

备精度要求较高，很小的装备偏差就会产生较大的加工误差。

 2.4、激光焊焊接设备

激光器按照激活媒介的物质状态分类可分为气体、液体、固体和半导体激光器。各类激光器各

有特色。(1)气体激光器的单色性强，如氦-氖激光器的单色性比普通光源要高 1亿倍，由于气

体激光器工作物质种类繁多，因此可产生许多不同频率的激光。但由于气体密度低，所以激光

输出功率相应较小。(2)固体激光器则正好相反，能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，

单色性较差。(3)液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。这种激光器

特别适合于对激光波长有着严格要求的场合。(4)半导体激光器的特点则是体积小、重量轻、结

构简单，但输出的功率较小，单色性也较差。

激光器问世不久，美国光学公司（American　Optical　Corporation）的Snitzer 和Koester 于1963

年首先提出光纤激光器和放大器的构思。近年来，美国 IPG　Photonics 公司在光纤激光器研发方

面取得了突破性进展，不仅展示了各种光纤放大器，高功率的 EDFA,Raman 光纤激光器和双波

长Raman 光纤激光器，更引起国际关注的是该公司已推出各种商用掺Y　b 高功率光纤激光器，

最大功率达 10k　W，单模输出功率高达 1k　W。光纤激光器结构相对简单，且制作难度小，成

本较低。

对激光器的质量要求最主要的是光束模式和输出功率及其稳定性。光束模式是光束质量的主要

指标，光束模式阶数越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊

缝深宽比越大。但从国外情况来看，激光器的光束质量和输出功率稳定性已相当高，不会成为

激光焊接的问题。公司现有设备用于激光焊技术研发、样车试制及地铁项目生产，后续将应用

到出口项目中的车体侧墙生产。

 3 、激光焊技术工艺制造应用

一套可靠完整的激光焊工艺应用需要从激光焊工艺参数、接头性能结合数值模拟多方面去验

证，才会形成适合车辆制造可用的工艺参数。

 3.1、最优工艺参数研究

按照外表面无焊接痕迹，强度高于电阻点焊接头的标准，对不同板厚组合的不锈钢板材进行激

光焊接不锈钢车体工艺试验，总结出不锈钢车体激光焊接的最优参数组合。

(1）激光功率激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值熔深很浅，一旦达到或超过此

值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才

会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即

焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导

焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊时，激光功率同时控制熔

透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函

数。一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。

(2）焊接速度焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过

度熔化、工件焊穿。因此，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范

围，并在相应速度值时可获得最大熔深。

(3）光束焦斑光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高功率

激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。光束焦点衍射极限光斑尺

寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，所以实际光斑要比计算值偏大。最

简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这种

方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束作用的时间。

(4）焦点位置焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。焦点与工件表面相对位置

的变化直接影响焊缝宽度与深度。激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心

的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面，功率密度分布相对均匀。离焦方式

有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，

当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的

熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。试验表明，激光加

热50～200μs 材料开始熔化，形成液相金属并出现气化，形成室压蒸汽，并以极高的速度喷

射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度气体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹

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摘要：　目前激光焊接技术以其高效、质量稳定、变形小等优点已在国内外轨道客车行业得到了广泛应用。通过开展激光焊半熔透工艺方法的研究，解决了不锈钢激光焊工艺中各种焊接变形、焊接质量控制、工艺评定、焊后检测等难题。实现了激光焊替代传统的电阻点焊工艺，提高焊接接头的强度、静强度、疲劳强度20%以上；改善了车体侧墙的表面外观质量；提高了生产效率。通过对激光焊的原理和方法及优缺点、焊接设备选用、工艺参数、工艺评定及质量检测控制等进行深入分析，促进激光焊技术在轨道车辆上的推广与应用。　关键词: 　　　轨道客车制造;激光焊;工艺评定;质量检测; 1 、国内外研究现状当今日本的高速列车和轻轨客车在...

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