中国工业报 王保明 实习生 李玉霜
12月22日，2019年度科学技术奖励大会在青岛举行，中车四方轨道客车关键承载构件激光电弧复合焊接技术及其产业化项目获青岛市科学技术进步奖一等奖。
今年年初，由中车四方首席工艺师韩晓辉领衔完成的“轨道客车关键承载构件激光电弧复合焊接技术及产业化”项目基于高速磁浮列车严苛的服役环境和载荷工况，完成了涵盖接头、组件、部件及整车的性能评估和服役评价，构建了激光-电弧复合焊制造技术标准体系。同时，项目共申请专利21项，授权专利10项，其中发明专利6项，含授权美国专利1项。还参与制定ISO23493国际标准1项,已正式出版，这是迄今为止中国焊接标委会主导形成的唯一一项国家复合焊推荐工艺规范标准。
此外，通过项目实施，先后培养出中车首席技术专家、资深技术专家，青岛市拔尖人才、政府特殊津贴专家等一批高层次领军人才、形成一支由方法、编程、设备工程师及高技能人员组成的团队。该项目也获得了2019年度青岛市科学技术奖一等奖。
据悉，随着高速列车速度等级的不断提高以及车辆运行区域的扩大，轨道交通承受的载荷工况日趋严苛。在此基础上时速600公里的高速磁浮列车则对车身在轻量化、精度以及连接强度上提出了更高的要求，并且，由轻量化引发的壁厚减薄与特定结构下精度的提高以及速度提升后强度的增大存在着“不可调和”的矛盾，给传统电弧焊接工艺带来了严峻的挑战。
因此，中车四方项目依托高速磁浮国家重点研发计划，自2016年启动，2019年完成。该项目基于激光电弧复合焊接技术高强度、小变形、低应力、良好适应性的工程特点，围绕基础机理研究、成套装备研制、标准体系建设、服役性能评价四方面，解决了轨道客车大型构件制造精度低、焊接控制难、服役性能有待提高的工程难题，创建了完整的激光电弧复合焊接技术体系并形成了产业化能力。
然而，在项目进行过程中也不可避免的遇到了一些难题：首先是参数复杂。激光电弧覆盖有两个热源，参量非常复杂，实际上这两种热源的能量的分配，要结合焊的金属材料以及焊接的板厚，包括焊接的各种工程条件，要进行精量化的调控，这需要去基础工艺，这激光电火到底怎么去配合完成攻坚的案件，这就是就是激光电弧它的产量多，工艺难度比较大。其次就是激光电弧复合焊带来的变形很大。在25米工程的焊接过程当中，其间隙实际上是随着热量进行动态的变化，导致其工程条件也不断进行变化。再者就是在轨道交通特殊的运维环境下，对于其质量和性能的要求很高。在16年开发初期，不管是它的组装装备，还是焊接装备以及焊后的检测装备，在国内并没有配套的硬件设施，都需要定制开发。最后一点就是不论在国内还是国际，对于复合焊都没有形成具体的标准，这对复合焊的项目工作造成了很大的困扰。
“我希望能给这个行业带来一些变化，带来一些变化，就不希望墨守成规，要有创新精神。”韩晓辉谈到，在这项技术研发过程中，包含了四个创新点。
在基础工艺方面，韩晓辉及其团队揭示了激光和电弧双热源耦合、多参量控制的焊接物理作用机制以及参数对接头组织性能的影响规律。并且，通过基础研究，发现了复合焊双热源耦合存在双导电回路的双重导电机制以及电弧表面受激光作用辐射强度增大的能量传输特点，揭示了多参量耦合对等离子体抑制、电弧形态压缩、匙孔形态和熔池流动的影响规律；为激光与电弧相互作用可实现1+1＞2工程效果以及复合焊接工艺的制定奠定了理论依据，为大型配套装备的研制提供了技术支撑。
在配套工艺装配方面，为了保证大型构件复合焊接制造过程“组得精、焊得好、检得准”，韩晓辉及其团队研制了满足一次组装、连续焊接、组焊一体的大型随动工装，通过地面全自动转运实现工序流转；创新了集激光清洗、变焦、填丝、激光+电弧多功能一体的大型复合焊接系统；研制了结构紧凑、组合灵活、稳定可靠的专用多功能复合焊枪，解决了长距离连续焊接焊枪易烧损的难题；开发了激光-电弧复合焊接质量在线监控系统，实现了焊接参数闭环控制和过程实时管控；自主研制超声爬波检测装置，实现焊缝缺陷快速、精量检测，检测精度可达0.1毫米，解决了薄壁铝合金焊缝内部缺陷缺乏有效检测手段的困扰。
再面向特殊长大薄壁部件的工程方法，创新了铝合金长大薄壁部件激光电弧复合焊接成套技术，形成激光变焦生成大光斑完成自熔定位焊组装、激光“清洗+焊接+检测”一体化作业等系列方法，支撑了时速600公里高速磁浮列车的研制。
在标准体系方面创建了激光-电弧复合焊接设计、制造、评价标准体系，填补了标准体系的空白。提出了工艺优先、形性调控、工况适应的接头设计准则，开发的特殊结构形式的复合焊接头令复合焊的速度达到4-6m/min，较自动弧焊提高6倍，窄坡口的个性化设计令焊丝填丝量较电弧焊降低80%，组装间隙可扩大至1.5mm，增强了复合焊的工程适应能力；开发了自定位、互约束的侧墙、车顶、地板等典型结构，形成了大型构件复合焊接结构设计规范。并且，基于高速磁浮列车严苛的服役环境和载荷工况，完成了涵盖接头、组件、部件及整车的性能评估和服役评价，构建了激光-电弧复合焊制造技术标准体系。
通过项目实施，韩晓辉及其团队先后完成了高速磁浮长大薄壁铝合金车身中的地板、车顶、侧墙三大部件以及夹层端板组成等中小部件的研制，实现了激光电弧复合焊接技术在时速600km高速磁浮列车中的开创性应用。高速磁浮铝合金车身复合焊缝长度单辆车超千米，占比超过单车主结构连接总量的90%，通过复合焊技术的引入，车辆制造尺寸精度提升3-5倍，平面度、轮廓度指标大幅提升，平面度达到1mm/m，轮廓度不大于2mm，制造精度的提高也令车辆腻子用量减少13%，有力支撑了高速磁浮长大薄壁车身的强度、精度、抗疲劳及轻量化等核心技术指标的达成。
在此基础上，项目还同时支撑了该技术在科技部重大研发计划时速140公里下一代地铁列车高强不锈钢枕梁中的开创性应用；支撑了该技术在复兴号中国标准动车组、香港及芝加哥地铁共计3560辆轨道客车中关键功能组件的拓展应用，支撑四方获得巴西、埃及、智利等海外订单。
项目紧扣《交通强国建设纲要》文件精神，属于现代轨道交通系列的重要设计提升及先进焊接制造技术的工程化应用，是支撑我国轨道交通强国发展战略的重大技术创新。通过技术成果的应用推广，极大提升了轨道客车的强度、精度及轻量化水平，推动了轨道客车制造的技术革命和产品升级换代，达到国际先进水平，填补了行业空白，形成了激光-电弧复合焊车辆的产业化能力，在轨道客车高端装备制造领域起到了重要的引领与示范作用。
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