激光焊接不锈钢车体侧墙钢结构研发

商 亮

（中国北车长春轨道客车股份有限公司,长春 130000）

1 国内外激光焊接技术的发展简述及激光焊接技术的特点

1.1 国内外激光焊接不锈钢车体现状

20世纪80年代，激光焊接技术在欧洲、美国和日本等地陆续得到了广泛的关注。1985年，德国大众汽车公司成功试验出世界上第一块激光拼焊板，并应用于Audi100车身上。90年代开始，世界各大汽车制造厂商陆续大规模地将激光拼焊板技术应用于汽车车身的制造中。

本世纪初，德国、日本、韩国等国相继开发将激光焊接技术应用于城市轨道车辆领域，并且已有激光焊接的不锈钢车体在线运营，但截至目前，国内仍无激光焊接不锈钢车体成功上线的案例。近日，中国北车长春轨道客车股份有限公司的激光焊研发项目完成了国内首列激光焊接不锈钢车体的试制，成为了国内第一家成功研制此项技术的轨道车辆制造商。

目前国内轨道列车行业普遍采用的主要焊接方式为电阻点焊焊接。点焊后的车体表面会留下点焊痕迹，影响车体外表面的美观性。而激光焊接技术则避免了这一问题，让车体表面更加美观。

采用激光焊接技术的车体外观在平整度和美观程度上都是传统点焊技术无法比拟的，强度和刚度也比传统点焊车体更优。该车体的研制成功，为激光焊接的轨道车辆的正式生产打下了良好的基础。

1.2 激光焊接的特点

激光焊接技术的原理简单来说就是将高强度的激光束辐射致金属表面,通过激光与金属的相互作用,金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。

激光焊接技术的优点：

（1）激光焊接的能量密度高，热量集中，作用时间短。可将入热量降到最低的需要量，热影响区范围小，所以因热传导所导致的变形量较低，非常适用于对温度及其敏感的不锈钢材料的焊接；

（2）激光焊接的焊缝密封性好。在激光焊接过程中不需要类似焊丝等添加物质，而是通过加热，使金属熔化后重新凝结为一体。这一优势可大大降低车体漏雨的风险；

（3）强固焊缝，因为炽热热源降低杂质含量、改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布，熔化区受污染少，使得焊缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属；

（4）精确控制。因为聚焦光点很小，焊缝的定位精度更高。用数控光束移动技术还可以焊接较为复杂的工件。这将更容易实现自动化的高速焊接，达到提高生产的效率和质量的目的。

当然激光焊接也存在一些缺点：

（1）激光焊接对焊件间的间距要求较高，这导致焊件本身的平整度、平面度、直线度等参数和所需使用的工装夹都必须具有非常高的精度才能保证焊接质量；

（2）激光焊接的设备价格较高，一次性投入较大。

2 长客股份采用激光焊接侧墙钢结构的车体研发

2.1 激光焊接车体钢结构设计的基础

随着激光焊接技术的不断发展，其在轨道列车行业中的应用也越为广泛。近几年，中国北车长春轨道客车股份有限公司正自主研发激光焊接技术在城轨车辆不锈钢车体生产中的应用。研发初期，为了设定合理的焊接参数并掌握真实的焊接数据，长客股份利用现有的激光焊接设备，进行了大量试验，终于完成了原始数据的积累，从而为接下来的车体钢结构的设计奠定了基础。

根据对传统点焊结构的计算分析和实验数据以及前期设计经验的积累，长客股份对激光焊接的实验数据和现有的设备工装情况进行了细致的分析，对传统的车体侧墙钢结构进行了有针对性的更新。

2.2 激光焊接侧墙钢结构的设计思路

本次激光焊接钢结构车体设计是依托于长客股份城铁车辆B型不锈钢车平台，对端墙、车顶及底架钢结构不做任何改动，仅对侧墙进行适用于激光焊接技术的结构设计。这不仅要保证各大系统间的接口不变，还要满足BS EN 12663欧洲标准和TB/T 1335 铁道车辆强度标准，设计难度大大提高。

根据激光焊的实际特点和工艺设备的具体情况和实验分析具体数据，此次激光焊接的侧墙钢结构主要采用了“夹心式”结构。此结构主要包括了侧墙外板、波纹板、结构强度件、结构功能件等主要零部件。同时，由于激光焊接技术对焊接件的精度要求较高，本次研发中，为让所采用的零部件能够符合激光焊接的标准，设计师对所采用的零部件的精度做了更高标准的要求。

分块侧墙的设计，要充分考虑如何利用现有设备，达到全部焊缝均采用激光焊接，从而满足强度、刚度、外观等诸多要求。侧墙门口单元和分块侧墙单元合成时，采用点焊方式合成为侧墙。

2.3 采用激光焊接侧墙钢结构的不锈钢车体静强度分析

为了验证设计的合理性，对采用激光焊接侧墙钢结构的车体钢结构进行了压缩与垂直载荷、拉伸与垂直载荷等10种工况的静强度计算，同时还进行了车体钢结构的一阶弯曲频率和一阶扭转率计算。

计算结果表明，本次采用激光焊接侧墙钢结构的车体完全满足BS EN 12663欧洲标准和TB/T 1335 铁道车辆强度标准，这一结果为采用激光焊接技术的车体结构的生产提供了理论的基础和保障。

3 结束语

随着技术的日益成熟、制造规模的不断扩大，中国北车长春轨道客车股份有限公司所生产的不锈钢车辆已遍及中外多个国家。目前，长客股份的激光焊接技术在侧墙上的研发已经成功，在端墙钢结构上的试制工作也接近尾声。近日，长客股份更是一举拿下了美国波士顿地铁的两条线路。而招标文件中明确提出，车辆表面需采用激光焊接技术的要求。这说明激光焊接技术在轨道列车行业中被广泛应用已是大势所趋。相信在不久的将来，中国北车长春轨道客车股份有限公司所生产的激光焊接不锈钢车体，会开往更多的国家，同时也会在轨道列车发展史上，开创新的篇章！

[1]长客股份企业标准QCC90-021-2012激光焊接头疲劳试验方法[S].

[2]王铁民.“激光焊接不锈钢车体钢结构研发”[J].吉林铁道，2012(07).