激光制造業(yè)亟需組建優(yōu)秀的激光加工團(tuán)隊(duì)，大力普及激光加工技術(shù)，設(shè)立激光加工教學(xué)、科研和生產(chǎn)基地，加大相關(guān)技術(shù)同步研究，將機(jī)器人技術(shù)、仿真技術(shù)應(yīng)用等大規(guī)模地應(yīng)用到城市軌道車輛制造中，發(fā)展我國(guó)自主特色的激光加工設(shè)備以及加工工藝。激光加工技術(shù)在城市軌道車輛制造中的應(yīng)用，包括焊接、切割、表面改性、打標(biāo)、快速成型、打孔及微細(xì)加工等。文章以城市軌道車輛為研究對(duì)象，闡述了先進(jìn)激光焊接、激光切割在城市軌道車輛制造和輪軌表面處理等的原理和特點(diǎn)，分析了目前激光加工技術(shù)在城市軌道車輛制造中的特點(diǎn)和應(yīng)用前景，為縮短與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距，加快軌道交通技術(shù)儲(chǔ)備提供參考。

城市軌道交通已成為現(xiàn)代城市公共交通的主動(dòng)脈，具有運(yùn)量大、能耗低、效率高、污染小、準(zhǔn)點(diǎn)率高等優(yōu)勢(shì)。中國(guó)如今已成為全球城市軌道交通建設(shè)投入的主力軍，甚至連許多二線城市都具備了軌道交通建設(shè)的條件與需求。

隨著中國(guó)政府“十三五”規(guī)劃的提出，國(guó)家發(fā)改委已批復(fù)了多地軌道交通的規(guī)劃，到2020年投資預(yù)計(jì)將超萬(wàn)億。目前城市軌道車輛制造行業(yè)中，激光加工制造技術(shù)備受矚目，其很大程度上提升了城市軌道車輛制造水平；輕量化與高速化的趨勢(shì)，也持續(xù)為其提出新方向、新課題。

由于中國(guó)的城市軌道交通起步較晚，因此為了縮短與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距，應(yīng)引進(jìn)、研究和消化當(dāng)前最新技術(shù)及設(shè)計(jì)思路，加快軌道交通技術(shù)儲(chǔ)備，探究激光加工技術(shù)在城市軌道車輛制造中的應(yīng)用。車輛激光焊接車輛轉(zhuǎn)向架以及車體是城市軌道車輛上的關(guān)鍵構(gòu)成，材質(zhì)也經(jīng)歷了普通合金鋼、不銹鋼、鋁合金型材幾個(gè)階段。目前在城市軌道車輛制造中，逐步引入了激光焊接等新的加工工藝。

激光拼焊

激光拼焊是城市軌道車輛中最被看好的技術(shù)之一，屬于無(wú)接觸焊接，可將不同鋼種、厚度、表面處理的鋼板焊接成一個(gè)整體，區(qū)別于電阻滾壓縫焊，通過(guò)自由組合，使得構(gòu)件變輕，零件變少，不僅提高可靠性，為寬體車制造奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也改善了焊接質(zhì)量，提高了鋼材收得率，并降低了生產(chǎn)成本。

激光組焊

激光組焊在城市軌道車輛車身制造中舉足輕重，通過(guò)雙件組焊、多件組焊，將已切割成形的各類車身構(gòu)件，焊接成白車身分總成，進(jìn)而總裝成整車車身。激光組焊因其焊接強(qiáng)度高，可明顯改善車身強(qiáng)度、剛度及密閉性。焊接同時(shí)結(jié)合面小、變形小、焊接速度快、可焊材料范圍廣，適合于柔性化生產(chǎn)，投資效益好。但激光組焊技術(shù)也有明顯的缺點(diǎn)，如對(duì)夾具、被焊件、監(jiān)測(cè)精度等要求嚴(yán)格，焊接后檢測(cè)評(píng)價(jià)和返修困難，一次性投入大等。

激光-電弧復(fù)合焊

1）不銹鋼車體制造。城市軌道車輛車體通常選用不銹鋼車體，由于電弧焊接后熱影響及變形等較嚴(yán)重，因此為改善外觀，過(guò)去常常進(jìn)行涂裝作業(yè)，而現(xiàn)在則選用激光或電阻焊進(jìn)行作業(yè)。

通過(guò)長(zhǎng)期加工技術(shù)應(yīng)用的實(shí)踐、積累及分析，不銹鋼接頭焊接技術(shù)規(guī)范、疲勞曲線、硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、等技術(shù)指標(biāo)相繼被取得或檢驗(yàn)，車體激光焊接樣件的制評(píng)亦完成。

2）車輛轉(zhuǎn)向架制造。城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架通常選用日本進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)的中厚合金鋼板材，同時(shí)多選用熔化極氣體保護(hù)焊。用于長(zhǎng)直縫焊接的機(jī)械人手臂，已被各廠商所引進(jìn)，來(lái)改善焊接穩(wěn)定性；而開具有不同規(guī)格的坡口，通常留較小鈍邊，以確保熔透。激光-電弧復(fù)合焊優(yōu)化焊接效率，顯示了激光和電弧的特點(diǎn)；同時(shí)減少了設(shè)備和人員投入，降低了焊接成本，并且可選較大鈍邊。

車輛激光切割

激光切割技術(shù)特性城市軌道車輛制造廠商已大量使用激光切割技術(shù)，其加工的產(chǎn)品有很多，如車體、內(nèi)裝板材、轉(zhuǎn)向架，常選用二維平面切割。激光可以加工出高精度、高切割斷面質(zhì)量的零件外形、輪廓和孔。

固體（或CO2）激光切割機(jī)通常適用于碳合金鋼、不銹鋼，同時(shí)也適用于鋁合金板，可達(dá)到理想斷面加工質(zhì)量和切割速度。以某企業(yè)為例，軌道車輛車體為不銹鋼，選用6kW激光和剪板機(jī)對(duì)6mm以下板材下料。車輛轉(zhuǎn)向架選用激光切割機(jī)對(duì)14mm以下板材進(jìn)行下料，其材料為Q345C低合金結(jié)構(gòu)鋼。

下料環(huán)節(jié)激光切割

城市地鐵機(jī)車制造首先要準(zhǔn)備相關(guān)材料，這個(gè)階段激光切割技術(shù)尤為重要。激光切割與火焰切割相比，切割速度快、工件變形小、加工精度高、適用性強(qiáng)、節(jié)料省錢、經(jīng)濟(jì)適用[16]，因此激光切割技術(shù)已被廣泛用于軌道車輛制造中。以某企業(yè)為例，其高速動(dòng)車組車體選用激光和剪板機(jī)對(duì)6mm以下板材下料，材料為鋁合金板材及型材。車輛轉(zhuǎn)向架選用6kW激光切割機(jī)對(duì)12mm以下板材下料[17]。

三維激光切割

城市軌道車輛制造中，三維激光切割技術(shù)方興未艾。其主要進(jìn)行了各種三維沖壓件的切割、割孔，除了配置機(jī)械手、光纖激光、實(shí)時(shí)監(jiān)控外，還配置有除塵系統(tǒng)、交換工作臺(tái)、封閉切割間[18]。解決了復(fù)雜工件的三維切割，代替落后的無(wú)齒具、手工等離子切割工藝，改善質(zhì)量、減小污染[19]。在城市軌道車輛制造中對(duì)大長(zhǎng)件，尤其是組成部件后加工，起到了改善切割能力和提高質(zhì)量的作用。激光切割技術(shù)隨著多元需求和先進(jìn)制造的要求，正一步步完善和創(chuàng)新，一批批現(xiàn)代的技術(shù)和裝備發(fā)展起來(lái)。

輪軌表面激光改性

城市軌道車輛的牽引、制動(dòng)工況，需要利用輪軌之間的滾動(dòng)接觸完成。車—軌間載荷的傳遞需依靠很小的接觸斑，各種復(fù)雜載荷反復(fù)作用發(fā)生其上，導(dǎo)致輪軌接觸表面產(chǎn)生車輪輪緣、鋼軌側(cè)磨、輪軌剝離、鋼軌波磨、表面擦傷和鋼軌壓潰性磨損等。

因此需要選用激光熔覆、激光淬火、激光離散熔凝和激光合金化等全表面處理的激光強(qiáng)化工藝，來(lái)提高輪軌材料抗磨損能力，以達(dá)到緩解磨損的效果。激光熔覆工藝激光熔覆工藝屬于較為先進(jìn)的材料表面改性工藝，屬于激光加工范疇，可在車輪和鋼軌表面獲得無(wú)氣孔及裂紋優(yōu)質(zhì)熔覆層，進(jìn)而提升輪軌抗磨損能力，改善產(chǎn)品使用周期。

該加工方法將不同涂層材料設(shè)置于基體表面，同時(shí)利用高能密度激光束將涂層材料與基體表層材料共同熔凝，形成涂層。且該涂層有與基體冶金結(jié)合的功能，可以有效提升材料的抗氧化、抗熱變形、抗腐蝕、抗磨損等特性。激光淬火處理激光淬火處理時(shí)，溫度急速升高或冷凝，表層晶粒極細(xì)、位錯(cuò)密度增加，進(jìn)而在表層形成壓應(yīng)力，能夠大大改善工件的耐磨性、耐疲勞、耐蝕性，改善工件材料的性能。研究城市軌道車輛鋼輪鋼軌的損傷機(jī)理，利用試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光淬火工藝后的輪軌表面硬度增加，抗磨性能改善，磨損量同比減少超過(guò)60%，且表面損傷相對(duì)較輕，表現(xiàn)為小麻點(diǎn)式剝落損傷，與處理前明顯的剝落損傷相比，抗損傷能力有顯著增強(qiáng)。

用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行淬火處理，功率設(shè)置為300W，鋼軌材料為U74，發(fā)現(xiàn)可使鋼軌表面硬度改善3——4倍，達(dá)到800——900HV0.01，有效地改善了鋼軌性能。

激光離散工藝

工件進(jìn)行激光離散熔凝，可以獲得非均勻性能表面。在頻繁起動(dòng)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)過(guò)程中會(huì)形成具有某種深度的熔凝點(diǎn)，而熔凝點(diǎn)分布提升輪軌耐磨能力，進(jìn)而形成穩(wěn)定表面形貌，還能改善其摩擦特性，有學(xué)者就將激光離散技術(shù)應(yīng)用到車輪鋼的改性處理。經(jīng)過(guò)激光離散處理后，熔凝點(diǎn)硬度高，在磨損過(guò)程中，容易形成凸起；熔凝點(diǎn)可改善輪軌抗塑性變形性能，有效阻止表面塑性變形積累，減少層片狀剝落，顯示較高耐磨損能力。

激光毛化處理

激光毛化技術(shù)已成功應(yīng)用于軋輥的裝備處理，原因在于輥面能夠精確制造出粗糙形貌，并且輥面的硬度也得到改性強(qiáng)化?；谶@一優(yōu)勢(shì)，蔡寶春等通過(guò)激光毛化處理獲得了3種不同影響輪軌材料混合潤(rùn)滑摩擦因數(shù)的表面紋理形貌（橫紋、縱紋、菱形），試驗(yàn)對(duì)比得出在油污條件下使用激光毛化的菱形紋理表面，能較顯著地改善輪軌間的摩擦因數(shù)，減少輪軌間的磨損。

其他應(yīng)用及評(píng)價(jià)

激光制造其他應(yīng)用

激光掃描跟蹤定位作為自動(dòng)焊接定位與跟蹤的重要設(shè)備，通常隨焊接手或機(jī)器人一起提供，并由制造商開發(fā)生產(chǎn)。中車四方廠構(gòu)建了構(gòu)架自動(dòng)焊接生產(chǎn)線，激光導(dǎo)向運(yùn)用于物料運(yùn)輸?shù)腁GV小車，還可以擴(kuò)展到其他自動(dòng)物流系統(tǒng)。激光打標(biāo)技術(shù)不但適用于微痕標(biāo)識(shí)，而且還適用于條形碼及二維碼管理。激光快速成型通常用于制作樣車、開發(fā)模具，能夠較大程度減小試制周期，降低成本，用于有限元分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、校驗(yàn)分析、特性測(cè)試、工藝裝配性能等。激光檢測(cè)適用性強(qiáng)、可靠性好、精度高，零件與車身制造監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)，精密化、自動(dòng)化程度更高。

激光制造存在的問(wèn)題

激光制造目前雖然發(fā)展迅猛，但高功率激光切割尚未成熟，設(shè)備成套應(yīng)用也有待發(fā)展。加工技術(shù)的研究，尤其精細(xì)加工方面更為薄弱。隨著城市軌道車輛制造中對(duì)精細(xì)加工的要求與日俱增，但是目前國(guó)內(nèi)的大量理論研究成果難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，大都停滯在試驗(yàn)樣機(jī)狀態(tài)，成熟產(chǎn)品少。而且同步化工程較差，沒有大規(guī)模將機(jī)器人技術(shù)、仿真技術(shù)等應(yīng)用到激光加工中。設(shè)備的可靠性、可維修性、配套性也欠佳。

激光加工前景展望

因此，對(duì)于我們目前的激光制造業(yè)而言，亟需組建優(yōu)秀的激光加工團(tuán)隊(duì)，大力普及激光加工技術(shù)。同時(shí)設(shè)立激光加工教學(xué)、科研和生產(chǎn)基地，加大相關(guān)技術(shù)同步研究。將機(jī)器人技術(shù)、仿真技術(shù)應(yīng)用等大規(guī)模地應(yīng)用到城市軌道車輛制造中。同時(shí)借鑒歐美日等技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展出我國(guó)自主特色的激光加工設(shè)備以及加工工藝。除此之外政府還可以通過(guò)靈活運(yùn)用貸款、稅收等經(jīng)濟(jì)調(diào)控政策，鼓勵(lì)激光加工在我國(guó)的快速發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)

激光加工技術(shù)在城市軌道車輛制造中的應(yīng)用，包括焊接、切割、表面改性、打標(biāo)、快速成型、打孔及微細(xì)加工等，具有很大的發(fā)展空間，但也存在以下優(yōu)缺點(diǎn)：

1）激光加工優(yōu)點(diǎn)：效率高，材料省，污染少，噪音低，勞動(dòng)強(qiáng)度低；設(shè)備成套化、系列化、多功能，靈活性高；數(shù)控加工，可二維或三維的立體加工，熱變形小，加工質(zhì)量高等。

2）存在問(wèn)題：激光器的品種少、技術(shù)落后、可靠性不佳；精細(xì)加工研究薄弱；科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差等。

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