激光焊接技術(shù)工程化應(yīng)用研究

不銹鋼車體激光焊接技術(shù)工程化應(yīng)用研究情況匯報中國南車四方股份2014年7月15日Page

2目錄Page

2一、激光焊技術(shù)簡介三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況二、應(yīng)用前景展望四、后續(xù)工作計劃Page

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32.激光焊影響因素3.典型激光焊接頭形式1.激光焊定義4.軌道車輛典型激光焊接系統(tǒng)一：激光焊技術(shù)簡介Page

4一：激光焊技術(shù)簡介1、激光焊定義

激光焊是通過聚焦高能量的激光束，在移動過程中照射到被連接部位的表面進行高效焊接的方法。按照不同的功率密度形成不同的傳熱機制，激光焊可分為熱導(dǎo)焊和深熔焊。兩種焊接方式的傳熱形式見圖。Page

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5一：激光焊技術(shù)簡介激光熱導(dǎo)焊激光功率密度在104-106W/cm2時，激光焊接方式為熱導(dǎo)焊。主要特點是功率密度小，焊接熔深淺，焊接速度慢，主要用于薄壁小件的加工。激光深熔焊激光功率密度106-107W/cm2時，激光焊接方式為深熔焊。主要特點是功率密度大，激光吸收效率高，焊縫深寬比大，變形小、速度快，適用于軌道車輛無涂裝不銹鋼車體的焊接。Page

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6一：激光焊技術(shù)簡介2、激光焊影響因素根據(jù)激光焊接的原理分析影響激光焊的各種因素，影響激光焊接質(zhì)量的主要因素是光束特性、材料特性、焊接特性和保護氣體。Page

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7一：激光焊技術(shù)簡介3、典型激光焊接頭形式根據(jù)激光焊的工藝特點，適于激光焊工藝的典型接頭參見下圖。Page

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8軌道車輛常用焊接接頭形式為部分熔透的搭接焊縫，激光束貫穿上層不銹鋼板，在熔入下層不銹鋼板的內(nèi)部某一深度時中止。理論計算：dw=1.4142di時，拉剪強度最高；拉剪試驗：dw≤1.4di時，在連接界面破斷；

dw≥1.6di

時，在熱影響區(qū)破斷。一：激光焊技術(shù)簡介3、典型激光焊接頭形式Page

9阿爾斯通LHB工廠激光焊接系統(tǒng)

德國阿爾斯通及四方首臺激光焊設(shè)備均采用龍門式CO2激光焊接系統(tǒng)，選配通快CO2快速軸流激光器，用于不銹鋼車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)的激光焊接。一：激光焊技術(shù)簡介4、軌道車輛典型激光焊接系統(tǒng)Page

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1.支撐結(jié)構(gòu)2.焊接龍門3.承重龍門4.激光發(fā)生器5.激光控制柜6.冷卻單元7.激光頭8主控制面板9.安全門10.自動升降門11.吸塵裝置

主龍門，用來承載激光發(fā)生器實現(xiàn)高速焊接；

輔助龍門，用來承載所有的重

量部件及其它輔助裝置；二龍門之間通過電氣聯(lián)動。

一：激光焊技術(shù)簡介4、軌道車輛典型激光焊接系統(tǒng)Page

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日本川崎公司采用大功率的YAG固體激光焊接系統(tǒng)進行側(cè)墻單元的焊接，采用柔軟的光纖自激光發(fā)生器向激光頭傳輸激光，因此激光頭裝在多關(guān)節(jié)的機器人臂上配合移動工裝進行精確的位置控制和較大范圍的焊接。

一：激光焊技術(shù)簡介4、軌道車輛典型激光焊接系統(tǒng)Page

12激光器類型CO2激光器YAG激光器波長（um）10.61.06光束質(zhì)量BPP(mm.mrad)3.752光斑直徑（mm）0.20.15焦距（mm）300300體積重量大較小傳輸光路鏡片傳輸光纖傳輸使用成本高較高防護要求工作區(qū)域四周封閉工作區(qū)域全封閉兩種激光焊接系統(tǒng)進行對比。結(jié)論如下：CO2與YAG激光器的功率和光束質(zhì)量均可滿足不銹鋼激光焊接的要求；

CO2激光焊接系統(tǒng)體積重量較大，多采用龍門式；YAG激光焊接系統(tǒng)體積重量較小，設(shè)備采用關(guān)節(jié)式；

CO2激光器波長為YAG波長的10倍，安全性高，防護要求低。4、軌道車輛典型激光焊接系統(tǒng)一：激光焊技術(shù)簡介Page

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13目前不銹鋼車體制造工藝局限性未來激光焊工藝的優(yōu)越性不銹鋼車體焊接工藝發(fā)展歷程二、應(yīng)用前景展望Page

14二、應(yīng)用前景展望Page

14不銹鋼車體焊接工藝發(fā)展歷程電弧焊工藝為主，輔以電阻點焊工藝電阻點焊工藝為主，輔以電弧焊工藝激光焊、等離子焊等高能密封焊接工藝與點焊工藝結(jié)合、輔以極少量電弧焊工藝Page

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15目前不銹鋼車體制造工藝局限性

不銹鋼車體電弧焊:電弧焊接變形大,焊后調(diào)修工作量增加；

不銹鋼反復(fù)調(diào)修造成晶間腐蝕，影

響不銹鋼車體強度和耐腐蝕性；

電弧焊后外觀效果較差，也一定程度影響無涂裝車體的商品化質(zhì)量。二、應(yīng)用前景展望Page

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16不銹鋼傳統(tǒng)制造工藝局限性

不銹鋼車電阻點焊:無涂裝車體外露表面形成直徑約1cm

的壓痕，車體商品化質(zhì)量較差；

焊點數(shù)量較多，易產(chǎn)生外板凹凸波浪

變形；車體表面不平度：2mm/m；

離散的焊點，無法保證車輛的氣密性

二、應(yīng)用前景展望Page

17未來激光焊工藝的優(yōu)越性熱輸入低,焊接變形小;車體表面無壓痕,外墻板平滑美觀;車體不平度:1mm/m;

連續(xù)焊接,密封性能好；

焊接速度快,3-6m/min；接頭強度高于點焊接頭.

通過有效利用激光焊接的低熱輸入特性，可顯著提高無涂裝不銹鋼車體外觀品質(zhì)，有效解決不銹鋼車輛的氣密性問題。二、應(yīng)用前景展望Page

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182.不銹鋼激光焊接頭基礎(chǔ)性能研究3.激光焊側(cè)墻單元工藝開發(fā)三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況1.項目歷程及應(yīng)用概況4.激光焊A型不銹鋼車體研制5.北京14號線激光焊車體工業(yè)化生產(chǎn)6.干線不銹鋼激光焊車體研制Page

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1920082009201020112012激光焊應(yīng)用調(diào)研、成立項目組激光焊側(cè)墻單元工藝開發(fā)激光焊A型樣車研制不銹鋼激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究引進第一臺激光焊接系統(tǒng)2013

北京地鐵14號線3列激光焊車體工業(yè)化生產(chǎn)干線不銹鋼激光焊車體研制20141、項目歷程及應(yīng)用概況引進第二臺激光焊接系統(tǒng)三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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20四方激光焊技術(shù)主要應(yīng)用在無涂裝不銹鋼車體的側(cè)墻部件，同時在端墻、空調(diào)平頂?shù)炔考驳玫搅顺晒υ囍?。激光焊技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在北京地鐵14號線車輛，目前有3列激光焊車輛在線運行，首列車輛運營里程已超過10萬公里，年內(nèi)預(yù)計再交付3列；不銹鋼地鐵激光焊車體目前批量生產(chǎn)能力為兩臺設(shè)備14輛/月。1、項目歷程及應(yīng)用概況三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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212.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究試驗流程試驗標準不同間隙對比試驗不同保護氣體對比試驗工藝評定試驗結(jié)果試驗小結(jié)三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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222.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究

結(jié)合產(chǎn)品圖紙，提取典型接頭。按照標準ISO15614-11進行焊接工藝評定試驗，進行拉伸、彎曲、硬度、疲勞等力學(xué)性能試驗以及金相組織分析，同時對焊縫接頭的表面變色、變形情況進行評估。優(yōu)化激光焊接參數(shù)；完成不銹鋼激光焊接接頭性能評定，并建立焊接質(zhì)量標準。試驗流程三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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232.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究序號標準號標準名稱1ISO15614-11金屬材料焊接程序的規(guī)范和鑒定.焊接程序試驗電子和激光束焊2ISO13919-1電子束焊和激光焊接頭缺陷質(zhì)量分級指南第1部分鋼3ISO17637無損檢測—VT試驗（外觀檢測）4ISO3452-1無損檢測—PT試驗（著色探傷）5ISO17636-2無損檢測—RT試驗（射線探傷）6ISO4136金屬材料焊縫破壞試驗—橫向拉伸試驗7ISO5173金屬材料焊接的破壞試驗彎曲試驗8ISO9015-1金屬材料焊接的破壞試驗硬度測試9EN1321金屬材料焊接的破壞試驗.焊接的宏觀和微觀檢驗10JISZ3103電弧焊接的脈動（單向）拉伸疲勞試驗

11ISO14273電阻點焊、縫焊、凸焊拉伸剪切試樣尺寸及試驗方法12GB/T15111點焊接頭剪切拉伸疲勞試驗方法試驗標準三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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激光焊接頭質(zhì)量缺陷參照ISO13919-1中的B級進行判定；激光焊對接接頭的強度指標按照不低于電弧焊對接接頭強度判定，搭接接頭的拉剪強度、疲勞強度按照不低于點焊接頭進行判定；激光焊接頭的外觀變色、變形以不影響無涂裝不銹鋼車體的商品化質(zhì)量進行判定，原則上梁柱與墻板的搭接接頭在墻板側(cè)應(yīng)無明顯的變色和變形。2.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究試驗標準三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

25不同間隙對比試驗進行對接間隙在0，0.25，0.4mm的對比試驗發(fā)現(xiàn):兩種保護氣體條件下，間隙在0-0.25mm，激光焊接過程穩(wěn)定；間隙達到0.4mm，焊接過程不穩(wěn)定，焊縫成型不良。2.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究DJD-Ar-9（間隙0.4mm、純氬保護）焊縫正面圖、背面圖DJD-Ar-4（間隙0mm、純氬保護）焊縫正面圖、背面圖三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

26不同保護氣體分析試驗

純氬保護時光致等離子體較大，消弱激光焊接能量，搭接接頭外板表面變形較重，不適用于側(cè)墻外板搭接接頭的焊接；混合氣體保護時有效抑制了光致等離子體的產(chǎn)生，使焊接過程更加穩(wěn)定，熱量更為集中，可獲得外板表面變形輕微的搭接接頭。不同保護氣體在不同功率下的等離子體形態(tài)2.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

27工藝評定試驗結(jié)果

焊縫間隙在0.25mm以內(nèi)時，無論采用高純氬還是混合氣體，焊縫成型均勻美觀，無焊接缺陷，焊縫表面呈現(xiàn)金黃色或銀灰色。對接間隙0mm，純氬保護對接間隙0.25mm，純氬保護對接間隙0mm，混合氣保護2.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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相關(guān)力學(xué)性能試驗表明：對接間隙0-0.25mm的對接接頭其拉伸試樣均斷裂在母材位置，說明激光焊縫強度高于母材；彎曲試驗全部合格。采用純氬保護，對接間隙0mm采用純氬保護，對接間隙0.25mm采用混氣保護，對接間隙0mm采用混氣保護，對接間隙0.25mm2.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究工藝評定試驗結(jié)果三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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純氬保護激光焊縫呈V型，混氣保護激光焊縫呈Y形，較純氬保護更為細窄；焊縫多為細小的柱狀組織，熱影響區(qū)為尺寸略大的等軸晶。電弧焊對接接頭焊縫組織細小，熱影響區(qū)為垂直于熔合線的柱狀晶。

純氬保護激光焊縫宏觀混氣保護激光焊縫宏觀激光焊微觀組織電弧焊顯微組織2.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究工藝評定試驗結(jié)果三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

30激光焊顯微硬度電弧焊顯微硬度激光焊接頭焊縫顯微硬度高于電弧焊對接接頭，約高出25%左右。2.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究工藝評定試驗結(jié)果三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

31試驗小結(jié)激光焊接頭具有比電弧焊、點焊接頭具有更優(yōu)的組織和力學(xué)性能；無論采用混氣還是純氬保護，兩種接頭裝配間隙不得大于0.25mm；混氣保護錯邊量不得大于0.8mm；純氬保護錯邊量不得大于0.4mm；通過優(yōu)化工藝，控制熔深，可得到背面無變色、變形輕微的搭接接頭；長度40mm激光搭接焊縫的拉剪強度相當于1個標準焊點。2.激光焊典型接頭基礎(chǔ)性研究三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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323.激光焊側(cè)墻單元工藝開發(fā)側(cè)墻單元激光焊接試驗側(cè)墻零件成型工藝開發(fā)三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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對接接頭處的裝配精度應(yīng)達到0.25mm以下能夠滿足激光焊接要求；通過優(yōu)化成型工藝，保證了裝配精度。

成型工藝開發(fā)3.激光焊側(cè)墻單元工藝開發(fā)改進前，裝配間隙達到0.5mm改進后，裝配間隙小于0.25mm三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

34單元工藝試驗墻板拼接—橫梁組裝焊接—立柱組裝焊接—L型連接梁及補強板焊接。側(cè)墻單元焊接順序四、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況3.激光焊側(cè)墻單元工藝開發(fā)制定激光焊側(cè)墻單元工藝流程及焊接順序如下：Page

35激光焊單元試制

單元工藝試驗3.激光焊側(cè)墻單元工藝開發(fā)開發(fā)激光焊專用工裝并進行激光焊側(cè)墻單元的試制，過程圖片如下：三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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激光焊側(cè)墻單元完工后商品化效果較點焊結(jié)構(gòu)側(cè)墻單元大大提高。

側(cè)墻單元內(nèi)部梁柱焊接圖

側(cè)墻單元完工后外觀效果單元工藝試驗3.激光焊側(cè)墻單元工藝開發(fā)三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

37平面度測量效果側(cè)墻單元平面度均不超過1mm/m。輪廓度均在1mm以內(nèi)。輪廓度測量效果單元工藝試驗3.激光焊側(cè)墻單元工藝開發(fā)三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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384.激光焊A型不銹鋼車體研制為推動激光焊接技術(shù)的工程化應(yīng)用，四方股份于2012年4月利用第一臺激光焊接設(shè)備完成了激光焊A型不銹鋼樣車的研制。激光焊A型樣車三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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39側(cè)墻單元4.激光焊A型不銹鋼車體研制激光焊A型不銹鋼樣車的側(cè)墻、端墻以及空調(diào)平頂全部采用激光焊接技術(shù)，其平面度指標和商品化質(zhì)量較點焊結(jié)構(gòu)大大提升。端墻空調(diào)平頂三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

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40在線運行的北京地鐵14號線激光焊車輛5.北京地鐵14號線激光焊車輛工業(yè)化生產(chǎn)2013年4月，四方完成了國內(nèi)首列工業(yè)化生產(chǎn)的激光焊地鐵車輛，車輛平面度指標達到1mm/m；13年底已交付3列，14年10月計劃再交付3列。三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況Page

415.北京地鐵14號線激光焊車輛工業(yè)化生產(chǎn)三、四方激光焊技術(shù)應(yīng)用情況通過北京地鐵14號線6列激光焊車輛的生產(chǎn)，完成了以下工藝開發(fā)工作1.完成了無涂裝不銹鋼車體典型激光焊接頭的各項基礎(chǔ)性研