张毅群 孙朝 王忠平 范振全 张亚文
（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）
摘要：在科学技术高速发展的当下，激光技术在工业中得到了比较广泛的应用。通过对我国的轨道车辆制造行业进行调查可以发现，在轨道车辆制造行业中，激光技术得到了比较广泛的应用。本文将针对激光技术在轨道车辆制造中的应用作简单的介绍。
关键词：激光技术；激光切割；激光测量；激光焊接；轨道车辆；制造
引言：激光在发现之初就因其能量大、速度快、响应灵敏的特点被广泛开发应用领域，激光技术在工业中的应用也越来越广泛且多样化。动车组制造作为高新技术制造业的代表行业，同样在激光技术应用方面有许多应用，具体的应用方向主要有激光测量、激光焊接和激光切割等。
1.激光切割
激光切割的原理是通过透镜把高能激光束集中在一点，迅速产生高温加热工件，工件材料一部分蒸发汽化，一部分熔化，熔化部分被高压气体吹除，以此对母材进行切割。对几何尺寸加工精度要求高的工件，激光切割有着其独特的优势，激光切割切割速度快、效率高、精度理想。
1.1按照细分原理的不同，激光切割可以大致分为四类[1]：
汽化切割：激光汽化切割主要是用高能激光束短时间把工件几种加热到汽化温度，材料在短时间内汽化升腾，不会在母材表面再度液化，达到切割的效果。
熔化切割：激光熔化切割把工件加热到熔化状态，通过外置的空气喷嘴喷出氩气氦气等惰性气体，吹除熔化的工件材料。熔化切割相比汽化切割不需要很大的激光功率。
氧化切割：氧化切割中激光不再直接加热母材，O2等活性气体与金属材料发生氧化反应，气体射流一边参加氧化反应放热，一边吹除加热熔化的金属材料。
激光划片与控制断裂：激光划片是在脆性材料表面进行局部加热，施加一定的压力，控制应力与断裂，使工件按照预定的方式断开。
1.2轨道车辆中主要材料为不锈钢与铝合金，不锈钢主要用于地铁车辆，铝合金多用于动车组制造。在实际应用中主要分为二维平面切割 与三维立体切割：
二维切割：二维激光切割在不锈钢、铝合金等金属板料的加工下料过程中起到重要作用，二维平面切割技术较成熟，程序相对简单，切割效率和精度高。长春轨道客车股份有限公司使用激光切割机实现柔性加工，相较于冲压设备提高了效率，节约了生产成本 [2] 。
三维激光切割：青岛中车四方股份有限公司使用意大利PRIMA公司的型号为PRIMACH-9000L/3D龙门三维激光切割机，采用电容式传感器实时校准激光切割头的空间位姿，保证切割头与工件之间的垂直角度与相对距离的稳定性。对于铝合金材料，三维激光切割主要应用于动车组司机室复杂外形的蒙皮的切割。对于不锈钢材料，三维激光切割主要用于不锈钢地铁的端门立柱，上弯梁等立体结构件的孔及缺口的加工，因为开孔加工后再折弯会影响孔的空间形状，因此需要先折弯再进行三维激光切割开孔。三维激光切割相对于二维切割，三维切割更加适合于空间立体板件的切割 [3] 。
2.激光焊接
传统的不锈钢车体组焊作业多使用电阻点焊，电阻点焊烟尘小，操作方便,但是表面会有焊接残留且密封性较差。激光焊接速度快，焊接变形小，并且提高了不够钢车体整体的密封性，具有很多的优势。激光焊接同样是通过高能激光束加热熔化材料，不同之处是熔化的金属材料不会被吹除，而是再度凝固形成焊缝。2013年，中车青岛四方股份有限公司使用激光焊技术成功制造生产北京地跌14号线列车，现阶段安全行驶距离超过70万公里。之后四方股份继续把激光焊技术应用到不锈钢车体制造中，青岛一号线、二号线等以及海外项目都全部或部分使用了激光焊技术 [5,6] 。
3.激光测量
激光测量技术作为一种高精度的非接触式测量方式，广泛应用于加工过程中的尺寸控制和尺寸测量。在轨道车辆制造中，激光测量技术主要应用于车轴表面划痕、车轴尺寸测量、司机室轮廓测量以及焊缝跟踪等方面，应用方向比较多样化。
3.1车轴划痕缺陷激光测量
在动车检修过程中，需要对车轮和车轴进行拆卸，拆卸过程中不可避免地会在车轴表面产生划痕，划痕会对车轴的使用寿命产生很大的影响，根据《铁路客车段修规程》要求，车轴轴径距防尘板座50mm以内不允许有划痕，50mm以外允许纵向划痕 的 深 度 不 超 过1mm 或横向划痕的宽深小于0.5mm。针对表面划痕的测量，基于线激光和CCD相结合的测量系统取得不错的效果。线性激光照射在车轴表面，反射后的信息被CCD相机采集，通过对取得的图像进行边缘提取、图像分割、Hessian矩阵算法处理等过程，获得表面划痕图像[7]。
3.2车轴尺寸测量
动车车轴的精度直接影响到列车行驶的安全性与运行使用寿命，传统的工人接触式测量测量效率低，测量误差随工人的工作方式变化较大，同时有可能划伤车轴，中车青岛四方机车车辆股份有限公司设计一种动车车轴尺寸高精度测量平台，使用两台KEYENCE激光测仪为主要测量设备，测量车轴的直径，误差为0.0001，圆柱度误差为0.005[8]。
3.3司机室轮廓测量
随着动车运行速度的提高，司机室的设计制造要求也越来越高，实际生产制造中司机室外蒙皮焊接变形控制难度大，需要对焊接后的司机室外轮廓进行测量。唐山轨道客车有限公司使用API激光测量技术，对司机室表面的特征点进行跟踪测量，测量固定目标时的精度为±0.01mm/m，测量活动范围为±0.02~0.04mm/m[9]。
3.4焊缝跟踪
在现阶段铝合金车辆制造过程中，对于长直焊缝多使用自动焊接技术，自动焊接技术使用机械式焊缝跟踪或者激光焊跟踪。唐山轨道客车有限责任公司在进行CRH380BK项目时，使用IGM自动焊机（Rti-2000）进行焊接时，激光跟踪可以识别所有的焊接形式，对于不同的焊缝如搭接、角接等，设定编写不同的程序即可进行识别，灵敏度高，但是在运行过程中产生的烟尘会附着在测量仪器的透镜上，影响测量精度，需要定期进行清理[10]。
4.结语
随着前沿科技在轨道车辆制造领域的实践与应用，轨道车辆的制造过程与制造质量将会有更高的提升。激光技术虽然已经或多或少地运用在轨道车辆制造中，但所占比重仍然很低且很多仍在原型机阶段。今后激光技术会朝着更加高效、稳定、柔性化的方向发展，更加有效地服务于轨道车辆制造。
参考文献
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[2] 刘庆祝, 韩锋. 激光加工在轨道交通车辆制造中的应用现状及发展趋势[J]. 焊接与切割, 2015(04)
[3] 王强, 党键, 王鹏. 三维激光切割技术在机车车辆制造中的应用[J]. 金属加工(热加工), 2015(10）
[4] 张石磊, 刘学之. 高速动车组司机室外板三维激光切割工艺[J]. 冷热工艺, 2015(06)
[5] 王春生, 王文权等. 不锈钢轨道客车侧墙激光焊接与电阻点焊数值模拟对比研究[J]. 电焊机, 2020(07)
[6] 彭蝶, 张连华等. 轨道交通制造焊接技术应用现状及发展趋势[J]. 金属加工(热加工), 2020(08)
[7] 郝磊. 基于线激光和ＣＣＤ组合测量的动车车轴表面划痕检测分析[J]. 电子测量技术, 2020(13)
[8] 王海, 姚笛. 动车车轴关键尺寸高精度测量平台设计[J]. 电子技术与软件工程, 2018(09)
[9] 李宝旺, 王洪奇, 李永军. 激光跟踪仪在动车组司机室测量技术中的应用[J]. 轨道交通装备与技术, 2013(06)
[10] 王陆钊, 姚肖洁, 田忠利等. 铝合金车顶MIG自动焊技术及跟踪系统应用[J]. 焊接, 2015(01)