中國工業報 王保明  實習生 李玉霜

　　12月22日，2019年度科學技術獎勵大會在青島舉行，中車四方軌道客車關鍵承載構件激光電弧復合焊接技術及其產業化項目獲青島市科學技術進步獎一等獎。

　　今年年初，由中車四方首席工藝師韓曉輝領銜完成的“軌道客車關鍵承載構件激光電弧復合焊接技術及產業化”項目基于高速磁浮列車嚴苛的服役環境和載荷工況，完成了涵蓋接頭、組件、部件及整車的性能評估和服役評價，構建了激光-電弧復合焊制造技術標準體系。同時，項目共申請專利21項，授權專利10項，其中發明專利6項，含授權美國專利1項。還參與制定ISO23493國際標準1項,已正式出版，這是迄今為止中國焊接標委會主導形成的唯一一項國家復合焊推薦工藝規范標準。

　　此外，通過項目實施，先后培養出中車首席技術專家、資深技術專家，青島市拔尖人才、政府特殊津貼專家等一批高層次領軍人才、形成一支由方法、編程、設備工程師及高技能人員組成的團隊。該項目也獲得了2019年度青島市科學技術獎一等獎。

　　據悉，隨著高速列車速度等級的不斷提高以及車輛運行區域的擴大，軌道交通承受的載荷工況日趨嚴苛。在此基礎上時速600公里的高速磁浮列車則對車身在輕量化、精度以及連接強度上提出了更高的要求，并且，由輕量化引發的壁厚減薄與特定結構下精度的提高以及速度提升后強度的增大存在著“不可調和”的矛盾，給傳統電弧焊接工藝帶來了嚴峻的挑戰。

　　因此，中車四方項目依托高速磁浮國家重點研發計劃，自2016年啟動，2019年完成。該項目基于激光電弧復合焊接技術高強度、小變形、低應力、良好適應性的工程特點，圍繞基礎機理研究、成套裝備研制、標準體系建設、服役性能評價四方面，解決了軌道客車大型構件制造精度低、焊接控制難、服役性能有待提高的工程難題，創建了完整的激光電弧復合焊接技術體系并形成了產業化能力。

　　然而，在項目進行過程中也不可避免的遇到了一些難題：首先是參數復雜。激光電弧覆蓋有兩個熱源，參量非常復雜，實際上這兩種熱源的能量的分配，要結合焊的金屬材料以及焊接的板厚，包括焊接的各種工程條件，要進行精量化的調控，這需要去基礎工藝，這激光電火到底怎么去配合完成攻堅的案件，這就是就是激光電弧它的產量多，工藝難度比較大。其次就是激光電弧復合焊帶來的變形很大。在25米工程的焊接過程當中，其間隙實際上是隨著熱量進行動態的變化，導致其工程條件也不斷進行變化。再者就是在軌道交通特殊的運維環境下，對于其質量和性能的要求很高。在16年開發初期，不管是它的組裝裝備，還是焊接裝備以及焊后的檢測裝備，在國內并沒有配套的硬件設施，都需要定制開發。最后一點就是不論在國內還是國際，對于復合焊都沒有形成具體的標準，這對復合焊的項目工作造成了很大的困擾。

　　 “我希望能給這個行業帶來一些變化，帶來一些變化，就不希望墨守成規，要有創新精神。”韓曉輝談到，在這項技術研發過程中，包含了四個創新點。

　　在基礎工藝方面，韓曉輝及其團隊揭示了激光和電弧雙熱源耦合、多參量控制的焊接物理作用機制以及參數對接頭組織性能的影響規律。并且，通過基礎研究，發現了復合焊雙熱源耦合存在雙導電回路的雙重導電機制以及電弧表面受激光作用輻射強度增大的能量傳輸特點，揭示了多參量耦合對等離子體抑制、電弧形態壓縮、匙孔形態和熔池流動的影響規律；為激光與電弧相互作用可實現1+1＞2工程效果以及復合焊接工藝的制定奠定了理論依據，為大型配套裝備的研制提供了技術支撐。

　　在配套工藝裝配方面，為了保證大型構件復合焊接制造過程“組得精、焊得好、檢得準”，韓曉輝及其團隊研制了滿足一次組裝、連續焊接、組焊一體的大型隨動工裝，通過地面全自動轉運實現工序流轉；創新了集激光清洗、變焦、填絲、激光+電弧多功能一體的大型復合焊接系統；研制了結構緊湊、組合靈活、穩定可靠的專用多功能復合焊槍，解決了長距離連續焊接焊槍易燒損的難題；開發了激光-電弧復合焊接質量在線監控系統，實現了焊接參數閉環控制和過程實時管控；自主研制超聲爬波檢測裝置，實現焊縫缺陷快速、精量檢測，檢測精度可達0.1毫米，解決了薄壁鋁合金焊縫內部缺陷缺乏有效檢測手段的困擾。

　　再面向特殊長大薄壁部件的工程方法，創新了鋁合金長大薄壁部件激光電弧復合焊接成套技術，形成激光變焦生成大光斑完成自熔定位焊組裝、激光“清洗+焊接+檢測”一體化作業等系列方法，支撐了時速600公里高速磁浮列車的研制。

　　在標準體系方面創建了激光-電弧復合焊接設計、制造、評價標準體系，填補了標準體系的空白。提出了工藝優先、形性調控、工況適應的接頭設計準則，開發的特殊結構形式的復合焊接頭令復合焊的速度達到4-6m/min，較自動弧焊提高6倍，窄坡口的個性化設計令焊絲填絲量較電弧焊降低80%，組裝間隙可擴大至1.5mm，增強了復合焊的工程適應能力；開發了自定位、互約束的側墻、車頂、地板等典型結構，形成了大型構件復合焊接結構設計規范。并且，基于高速磁浮列車嚴苛的服役環境和載荷工況，完成了涵蓋接頭、組件、部件及整車的性能評估和服役評價，構建了激光-電弧復合焊制造技術標準體系。

　　通過項目實施，韓曉輝及其團隊先后完成了高速磁浮長大薄壁鋁合金車身中的地板、車頂、側墻三大部件以及夾層端板組成等中小部件的研制，實現了激光電弧復合焊接技術在時速600km高速磁浮列車中的開創性應用。高速磁浮鋁合金車身復合焊縫長度單輛車超千米，占比超過單車主結構連接總量的90%，通過復合焊技術的引入，車輛制造尺寸精度提升3-5倍，平面度、輪廓度指標大幅提升，平面度達到1mm/m，輪廓度不大于2mm，制造精度的提高也令車輛膩子用量減少13%，有力支撐了高速磁浮長大薄壁車身的強度、精度、抗疲勞及輕量化等核心技術指標的達成。

　　在此基礎上，項目還同時支撐了該技術在科技部重大研發計劃時速140公里下一代地鐵列車高強不銹鋼枕梁中的開創性應用；支撐了該技術在復興號中國標準動車組、香港及芝加哥地鐵共計3560輛軌道客車中關鍵功能組件的拓展應用，支撐四方獲得巴西、埃及、智利等海外訂單。

　　項目緊扣《交通強國建設綱要》文件精神，屬于現代軌道交通系列的重要設計提升及先進焊接制造技術的工程化應用，是支撐我國軌道交通強國發展戰略的重大技術創新。通過技術成果的應用推廣，極大提升了軌道客車的強度、精度及輕量化水平，推動了軌道客車制造的技術革命和產品升級換代，達到國際先進水平，填補了行業空白，形成了激光-電弧復合焊車輛的產業化能力，在軌道客車高端裝備制造領域起到了重要的引領與示范作用。