高速動車組焊接質(zhì)量先進支撐技術體系建設

路浩，張合禮，仲崇成，張風東

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

高速動車組焊接質(zhì)量先進支撐技術體系建設

路浩，張合禮，仲崇成，張風東

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

以高速動車組焊接質(zhì)量保障的總需求為核心，圍繞焊接工藝設計、焊接生產(chǎn)準備、焊接殘余應力和變形控制、焊縫質(zhì)量檢驗技術、弧焊裝備及工藝過程質(zhì)量控制以及評價技術體系智能化、精確化、信息化的建設要求，系統(tǒng)規(guī)劃開展高速動車組自主創(chuàng)新中的虛擬焊接技術、高速動車組焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)、智能化焊接裝備及工藝評價技術、焊接缺陷超聲成像檢測及評價技術、高速動車組焊縫射線檢測智能化評定技術等關鍵子系統(tǒng)研制，形成了保障焊接質(zhì)量的先進支撐技術體系。關鍵詞：高速鐵路；動車組；焊接；技術體系

1 項目體系架構

我國高速鐵路的迅猛發(fā)展，促進了高速動車組焊接技術的不斷提升，焊接是高速動車組制造的主要連接方法，是決定動車組制造效率、品質(zhì)及質(zhì)量水平的關鍵因素。焊接技術是一種特殊的制造工藝，涉及材料科學、力學、電氣工程、計算機工程等多個學科；焊接工藝的復雜性表現(xiàn)為電弧物理、材料冶金、熱力學、結(jié)構力學、電力電子控制等多項技術關聯(lián)、交叉影響，多因素隨機控制，代表國家材料制備、裝備制造的水平。

自高速動車組的設計、制造技術引進以來，隨著引進技術的不斷消化吸收，在時速200km平臺上開發(fā)出30多種車型，型號改進頻繁。不同車型車體結(jié)構變動較大，對制造工藝的設計和確定帶來連續(xù)不斷的壓力，對焊接工藝設計、焊前生產(chǎn)準備、焊中質(zhì)量控制、焊后質(zhì)量檢驗技術體系、弧焊裝備及工藝的質(zhì)量評價等提出了智能化、精確化、信息化的要求。

概括總結(jié)“十二五”期間高速動車組焊接質(zhì)量先進支撐技術體系的建設成果。以高速動車組焊接質(zhì)量保障的總需求為核心，取得焊前、焊中、焊后系列先進支撐技術，形成了高速動車組焊接質(zhì)量保障技術體系成果：成套完備的高速動車組車體焊接變形控制技術，建成完備的高鐵焊接仿真熱物理參數(shù)數(shù)據(jù)庫、行業(yè)首套焊縫射線檢測智能化評定系統(tǒng)和首套焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)、國內(nèi)領先的智能化焊接裝備及工藝評價裝備、國際領先的高頻超聲成像檢測和智能化相控陣檢測技術等，形成了焊接質(zhì)量先進支撐技術體系（見圖1）。

圖1 關鍵技術體系框架

2 關鍵技術

2.1 焊接工藝仿真及工藝準備信息化技術（焊前）

針對“十二五”期間高速動車組技術消化、吸收、創(chuàng)新，軌道車輛焊接工藝準備任務日趨繁重的需求，研發(fā)信息化、智能化工藝準備輔助手段，完成軌道車輛行業(yè)最完備的高鐵虛擬仿真數(shù)據(jù)庫、行業(yè)首套焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)的建設，使焊接生產(chǎn)由“理論設計—試驗—生產(chǎn)”的模式向“理論設計—模擬—生產(chǎn)”的模式發(fā)展。

針對機車車輛焊接工藝準備任務日趨繁重問題，開發(fā)研制的高速動車組焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)，包含焊接工藝評定系統(tǒng)、焊接工藝設計系統(tǒng)、焊工檔案與資質(zhì)管理系統(tǒng)、焊接性分析及材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、焊接成本分析系統(tǒng)等，以輔助焊接工程師完成常用鋁合金的焊接性分析、焊接工藝設計、焊接接頭統(tǒng)計等焊接工藝準備工作。

高速動車組焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)（見圖2）系統(tǒng)地總結(jié)焊接數(shù)據(jù)、知識和經(jīng)驗，結(jié)合EN15085標準，利用數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)技術實現(xiàn)了焊接工藝準備過程全方位數(shù)字化、信息化和智能化，使焊接數(shù)據(jù)、知識、模型、工藝根據(jù)需要在企業(yè)實現(xiàn)信息的自由交換流通。高速動車組焊接專家系統(tǒng)能夠為車輛焊接施工提供技術上的保障和資源共享平臺，提高機車車輛設計和制造效率，提升焊接施工的規(guī)范性，并對已有焊接工藝方案進行有效管理[1]。

促進企業(yè)生產(chǎn)信息化，縮短生產(chǎn)周期，保證制定焊接工藝規(guī)程的準確性和規(guī)范性。高速動車組焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)是國內(nèi)軌道車輛行業(yè)開發(fā)的首套焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)，推進了工藝信息化平臺、智能化制造平臺建設，項目總體技術水平和技術經(jīng)濟指標達到行業(yè)先進水平。

圖2 高速動車組焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)構成

針對高速動車組精確焊接仿真的需求，測試了多種鋁合金、耐候鋼等高鐵常用材料的熱物理參數(shù)，測試高鐵常用材料和焊絲的固、液相線，熱擴散率、比熱、密度和熱導率等熱物理性能和力學參數(shù)。熱導率采用非穩(wěn)態(tài)法測量，熱擴散率采用激光脈沖法測試，彈性性能采用動態(tài)測量方法敲擊共振法測試，熱膨脹系數(shù)采用頂桿法測量。建立最完備的高鐵焊接仿真用材料熱物理參數(shù)庫。

隨著引進技術的不斷消化吸收，在時速200km平臺上開發(fā)出多種系列車型，型號改進頻繁，先后生產(chǎn)的車型有：時速200km短、長編，時速300km一、二階段等30多種車型；不同車型車體結(jié)構變動較大，新結(jié)構對車體大部件焊接變形及殘余應力的控制提出新的要求，對制造工藝的設計和確定帶來連續(xù)不斷的壓力。新的車體結(jié)構需要確定新的焊接順序、裝卡方式、反變形、工裝設計、焊接工藝參數(shù)、工藝放量等，迫切需要一種新的信息化、智能化工藝準備輔助手段。焊接工藝仿真可對焊接溫度場、殘余應力、變形等進行仿真計算，優(yōu)化焊接工藝過程，減少試驗成本，評估殘余應力和組織對結(jié)構疲勞強度的影響。焊接仿真可對焊接方向、焊道布置、坡口形式、焊接順序、焊接電流電壓、焊接速度、裝卡方式、反變形、焊絲與母材匹配、預熱、層間溫度、焊槍擺動、焊接方法等多種因素對工藝、結(jié)構、應力、變形等影響進行計算仿真。

針對高速動車組大型結(jié)構焊接仿真存在計算量大、收斂困難的難點，開發(fā)了“線彈性體積法”“局部-整體”和串狀帶熱源等適用大型焊接結(jié)構的仿真熱源模型及高效計算方法。系統(tǒng)開展了高速動車組轉(zhuǎn)向架及底架、地板等大部件焊接仿真，降低大部件焊后變形，控制焊接殘余應力，減小了整車裝配誤差及難度，優(yōu)化焊接工藝、設計結(jié)構，提升制造過程控制水平和產(chǎn)品質(zhì)量，有力保障了高速動車組制造技術的創(chuàng)新進步[2-3]。

對某型高速動車組底架進行焊接仿真（見圖3），計算表明底架結(jié)構的縱向殘余拉應力主要分布于焊縫及其附近區(qū)域，而在遠離焊縫的區(qū)域出現(xiàn)縱向殘余壓應力。殘余應力模擬結(jié)果與試驗測量結(jié)果對比吻合良好，數(shù)值仿真結(jié)果對車體壽命及可靠性評估提供了支持。

圖3 某型高速動車組底架焊接仿真

針對高速動車組轉(zhuǎn)向架焊縫結(jié)構形式復雜、多樣，焊接工藝復雜，焊接殘余應力和變形控制的工藝特點及要求，完成某型動車組轉(zhuǎn)向架焊接仿真。研發(fā)針對大型結(jié)構的局部-整體方法，對于轉(zhuǎn)向架局部組件的典型結(jié)構采用熱彈塑性法進行計算，確定典型接頭形式的固有應變大小及分布，以此固有應變?yōu)榛A，對整體構架進行模擬分析（見圖4）。模擬計算了構架自由、剛性約束2種裝卡條件下的焊接變形及應力分布。仿真結(jié)果表明：采用優(yōu)化焊接工藝后，焊接變形得到明顯控制，殘余應力分布峰值降低。最大橫向扭曲變形降低35%；最大縱向收縮降低39%；最大翹曲變形減少40%；減小了焊接調(diào)修量，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。焊接仿真結(jié)果指導了橫梁、側(cè)梁、構架組成三大部件焊前組裝工藝反變形的設計。例如齒輪箱吊座焊后變形主要表現(xiàn)為向上翹曲變形，根據(jù)仿真結(jié)果，焊前組焊時齒輪箱吊座向下設置反變形，焊后消除了變形，消除了吊座的火焰和機械調(diào)修，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4 高速動車組轉(zhuǎn)向架焊接仿真

圖5 某型動車組雙層地板焊接仿真

技術引進消化吸收后，高速度等級車體地板由單層變?yōu)殡p層結(jié)構，正、反兩面焊縫長度近200m，型材壁厚較薄，焊接時產(chǎn)生嚴重變形，企業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)需花費大量人力進行焊后調(diào)修，通過試驗難以確定地板變形規(guī)律。

針對新結(jié)構焊接工藝快速制定的需求，進行某型動車組雙層地板焊接仿真（見圖5），實現(xiàn)了焊接變形快速模擬。采用有效的數(shù)值模擬方法分析焊接過程中地板變形規(guī)律，計算焊接順序、反變形、裝夾條件、結(jié)構設計優(yōu)化對焊接變形的影響，指導雙層地板結(jié)構的焊接工藝制定。

先后進行8種焊接順序模擬，結(jié)果表明，雖然在不同焊接步后地板變形分布不同，但在地板焊接結(jié)束、卡具卸載后，地板變形規(guī)律沒有發(fā)生變化，變形量均在26～27mm。因此，在同時進行2條焊縫焊接的前提下，僅改變焊接順序難以有效降低地板結(jié)構變形。同時，地板反面焊接減輕、消除正面焊接后變形以實現(xiàn)整體地板焊后平面度要求，是進行變形控制的關鍵問題。先后進行3種裝卡方式的變形模擬，與現(xiàn)場工藝相比，當?shù)匕逯胁啃筒氖┘舆m當約束，卡具卸載后，地板彈性變形量最大值由27mm減小至20mm?？梢?，適當在地板中部設置工裝夾具，有利于改善地板變形。計算了結(jié)構優(yōu)化對焊接變形的影響，優(yōu)化地板結(jié)構，增大地板型材寬度，將目前采用的7塊型材焊接改為3塊型材焊接，兩側(cè)地板寬度增大至約1100mm寬，中部地板寬度增大至約1000mm寬，新結(jié)構的最大變形值減小33%，變形控制效果明顯。

2.2 高速動車組車體焊接變形控制技術（焊中）

根據(jù)取得的高速動車組轉(zhuǎn)向架及底架、地板、車頂?shù)却蟛考暮附臃抡娉晒?，提出?yōu)選方案，結(jié)合控制變形技術措施的實際驗證，形成鋁合金車體底架、側(cè)墻、車頂、司機室、關鍵部件及整車總組焊接變形控制技術和工藝方法成套成果。主要科技創(chuàng)新：

（1）通過鋁合金底架、側(cè)墻、車頂?shù)溶圀w關鍵部件焊接變形規(guī)律的研究，系統(tǒng)確定高速動車組整車焊接變形控制技術和工藝方法，保證車體關鍵部件制造完成后滿足直線度、輪廓度等尺寸要求。

（2）首次將反變形技術應用于自動化焊接工裝中，提高了焊件尺寸的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了技術理論與生產(chǎn)實踐的有機結(jié)合，為高速動車組鋁合金車體的批量生產(chǎn)提供了技術支持。

（3）變形抵消控制技術。基于強約束固定和預變形（反變形）原理的控制技術，首次通過改變優(yōu)化工裝夾具拘束的位置、約束力和約束點數(shù)量，改進地板焊接支撐架結(jié)構形式、支撐位置和支撐方法，使正面焊接及反面焊接時各條焊縫附近收縮變形規(guī)律趨于一致，正反撓曲變形相互抵消，避免出現(xiàn)波浪變形。

研究了高速動車組車體及大部件焊接變形規(guī)律，制定了焊接變形控制措施、矯正方法，解決了高速動車組車體焊接變形大、尺寸精度難以保證等問題。通過應用驗證，車體大部件外形尺寸、直線度、平面度、輪廓度等技術指標均滿足或高于設計要求，突破了高速動車組車體制造關鍵技術難點，成功支持了新一代高速動車組車體的研制。

通過對車體典型結(jié)構焊接變形規(guī)律分析和對變形控制、調(diào)修方法的驗證，得出以下結(jié)論：

（1）高速動車組鋁合金焊接變形基本規(guī)律：底架地板、車頂、側(cè)墻等長大部件的焊接變形以收縮變形、角變形和輪廓度變形為主；端墻板、司機室外板以波浪變形為主；車體總成變形以收縮變形、彎曲變形（直線度）為主。

（2）仿真計算可提高焊接變形控制的準確性，預估反變形量基本與實際吻合。

（3）工藝余量法是解決焊接收縮變形的主要方法。反變形是減小角變形、保證輪廓度的有效手段。

（4）矯形是保證鋁合金車體及部件焊接變形的手段。不同焊接變形采用不同矯正方法，例如直線度主要通過機械法矯正，波浪變形需通過薄板火焰噴水法矯正。

（5）通過鋁合金車體焊接變形規(guī)律研究，提出的焊接變形控制、矯正方法能夠滿足新一代高速動車組車體技術要求。

2.3 焊接工藝過程質(zhì)量檢測及控制技術（焊中）

為貫徹實施中車發(fā)展戰(zhàn)略和“十二五”三大技術平臺建設，加速技術創(chuàng)新，進一步提升公司核心競爭力，優(yōu)化研發(fā)流程，提升產(chǎn)品焊接質(zhì)量和制造過程控制水平，研發(fā)建立重要技術平臺——智能化焊接裝備及工藝評價系統(tǒng)（見圖6）。

圖6 智能化焊接裝備及工藝評價系統(tǒng)

現(xiàn)代焊機參數(shù)設置越來越專家化、智能化、封閉化，新型焊接技術都采用了精確的波形控制技術，已經(jīng)不能靠平均電流、電壓等進行評定。手工焊接試驗考察焊機性能、工藝優(yōu)劣具有一定局限性，人工主觀感受評判過于粗略和不科學。

通過對焊接設備工藝性能、焊材工藝性能、焊接過程工藝參數(shù)的系統(tǒng)、完整、定量的評價系統(tǒng)，可對大型焊接工程設備及材料的選型、招投標、工藝定型、技術培訓和貿(mào)易，焊接設備的研發(fā)改進，焊絲、氣體等焊接材料的試驗優(yōu)化等提供充分依據(jù)，不但可使焊接質(zhì)量有質(zhì)的突破，還可以提高產(chǎn)品的使用性和競爭力，保證產(chǎn)品的焊接安全性。

智能化焊接裝備及工藝評價系統(tǒng)在焊接生產(chǎn)和質(zhì)量控制中可以完成以下任務：焊接工藝參數(shù)精確校核；焊機性能科學分析評價；焊絲工藝性分析評價；焊接氣體工藝性分析；特種焊接技術研究；MIG/MAG/ TIG等焊接電弧動態(tài)分析；新型弧焊技術過程分析；焊接過程質(zhì)量控制研究；焊接缺陷形成過程分析等。

以此裝備為手段，先后完成重大焊接設備選型、高速動車組焊接工藝評價及三元氣體保護焊、冷金屬過渡焊接技術、重大焊接工藝改進等測試評價（見圖7）[4-6]。

同時，上述技術成果進一步推廣應用，在高速動車組車體側(cè)墻生產(chǎn)線建立高速動車組車體焊縫在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了焊接操作人員近距離人工觀測電弧向遠距離視頻實時視頻監(jiān)控的轉(zhuǎn)變，降低了人工成本，增強了焊接過程的監(jiān)控能力，提高了質(zhì)量問題的處置速度，焊接操作人員不需近距離觀察電弧，降低了勞動強度，改善了工作環(huán)境。

高速動車組車體側(cè)墻、地板等部件由長大型材焊接成形，由于焊縫長、坡口規(guī)則，采用自動焊接機器人焊接。為了保證焊接過程安全可靠，不發(fā)生走偏、焊接質(zhì)量異常等問題，焊接過程中，每套自動焊接機器人需2名焊工實時觀察電弧，人力成本高。由于焊工必須近距離觀察電弧，工作條件差，勞動強度高。此外，由于只有主手控制示教器，當副手發(fā)現(xiàn)焊接異常再反饋給主手操作機器人時，時間差導致焊接異常惡化，嚴重時導致車體大部件報廢。在生產(chǎn)線建立焊縫在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)（見圖8），實現(xiàn)焊接操作人員近距離人工觀測電弧向遠距離視頻實時監(jiān)控的轉(zhuǎn)變，1名焊工可同時監(jiān)控2個焊槍作業(yè)過程，降低了人工成本，增強了焊接過程的監(jiān)控能力，提高了質(zhì)量問題的處置速度，焊接操作人員不需近距離觀察電弧，降低了勞動強度，改善了工作環(huán)境。該系統(tǒng)是數(shù)字化工廠建設的重要組成部分，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.4 先進焊接質(zhì)量檢測技術（焊后）

圖7 焊接工藝過程質(zhì)量控制技術

圖8 焊縫在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

研發(fā)高頻超聲掃查系統(tǒng)，實現(xiàn)了高精度機械掃查、高頻超聲收發(fā)、全波數(shù)據(jù)高速采集和實時成像檢測，高頻超聲成像檢測技術應用到激光焊車體焊接缺陷檢測中，實現(xiàn)了缺陷、焊縫熔寬的定量測量；使用智能化相控陣檢測技術完成中國標準動車組的牽引梁、枕梁等關鍵攪拌摩擦焊接部件的可視化檢測（見圖9）[7-10]。

研發(fā)的國內(nèi)首套高速動車組焊縫射線檢測智能化評定系統(tǒng)（見圖10），實現(xiàn)了評定結(jié)果的信息化管理，焊縫底片的數(shù)字化掃描及底片缺陷自動搜尋、測量與自動化評定，企業(yè)射線檢測的數(shù)據(jù)庫管理，提升X射線檢測技術的信息化、自動化水平。

高速動車組焊縫射線檢測底片數(shù)字化評定系統(tǒng)包括底片圖像的增強顯示與測量模塊，焊接缺陷的搜尋、自動測量與分類模塊，焊接底片的自動評定模塊，實現(xiàn)了高速動車組焊縫底片的自動評定和計算機輔助評定。

圖9 先進焊接質(zhì)量檢測技術

高速動車組焊縫底片數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)包含檢驗項目、焊縫底片、焊接缺陷三級數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)包含車輛產(chǎn)品、焊接工件、檢驗人員、檢驗條件、焊縫底片圖像、底片評定、缺陷尺寸和特征等信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)庫管理。實現(xiàn)了符合標準的高速動車組焊縫射線檢測報告的自動生成、預覽和打印，以及高速動車組焊縫射線檢測結(jié)果的統(tǒng)計和遠程訪問。

研發(fā)的行業(yè)首套焊縫底片數(shù)字化系統(tǒng)性能達到了EN14096-2-2003《無損檢驗X射線照相膠片數(shù)字化系統(tǒng)的質(zhì)量鑒定》規(guī)定的DS級和GB/T28266—2012《承壓設備無損檢測射線膠片數(shù)字化系統(tǒng)的鑒定方法》規(guī)定的DB級，滿足了高速動車組焊縫底片數(shù)字化的需求，達到或超過了國外同類專用底片數(shù)字化系統(tǒng)的技術水平，達到國際先進水平。該系統(tǒng)是數(shù)字化工廠建設的重要組成部分。

圖10 高速動車組焊縫射線檢測智能化評定系統(tǒng)

3 結(jié)束語

“十二五”期間以高速動車組焊接質(zhì)量保障為核心開發(fā)焊前、焊中、焊后系列先進支撐技術，形成了高速動車組焊接質(zhì)量保障技術體系成果。相關技術成果可向數(shù)字化工廠建設、地鐵車輛焊接質(zhì)量控制、激光焊與攪拌摩擦焊接質(zhì)量控制等領域進行轉(zhuǎn)移、應用、擴展。在“十三五”期間將進一步完善、推廣，實現(xiàn)世界軌道行業(yè)焊接支撐技術的引領發(fā)展。

[1]路浩，肖金枝，占小紅．基于ISO15614-2標準的焊接工藝評定數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[J]．焊接，2013(6)：42-45．

[2]路浩，陶傳琦．高速列車自主創(chuàng)新中的虛擬焊接技術[J]．兵器材料科學與工程，2016，39(3)：52-56．

[3]曹志偉，路浩．380A高速列車地板焊接變形調(diào)控研究[J]．焊接技術，2016(9)：23-26．

[4]路浩，蘇陸軍．智能化焊接工藝及裝備評價系統(tǒng)[J].兵器材料科學與工程，2016，39(4)：115-118．

[5]路浩．高速列車用厚板鋁合金CMT焊接工藝[J]．焊接學報，2015，36(4)：75-78．

[6]路浩．鋁合金三元氣體溫度場特征與接頭組織[J].焊接學報，2015，36(6)：69-72．

[7]路浩，張鐵浩，邢立偉，等．攪拌摩擦焊接缺陷相控陣探測技術研究[J]．焊接，2014(4)：39-42．

[8]路浩，邢立偉，趙新玉．焊接缺陷高頻顯微超聲可視化掃查檢測[J]．焊接，2014(9)：19-23．

[9]路浩，邢敬偉．CO2激光焊接質(zhì)量控制[J]．兵器材料科學與工程，2016，39(1)：111-116．

[10]邢立偉，路浩．弧焊缺陷超聲相控陣探測技術研究[J]．焊接，2014(11)：59-62．

責任編輯高紅義

Building of An Advanced Support Technology System for Welding Quality of High-speed EMU

LU Hao，ZHANG Heli，ZHONG Chongcheng，ZHANG Fengdong
（CRRC Qingdao Sifang Co Ltd，Qingdao Shandong 266111，China）

Centering on the overall demand on welding quality assurance for high-speed EMU, this paper focuses on the welding process design, welding production preparation, welding residual stress and deformation control, weld joint quality inspection technology, arc welding equipment and process quality control as well as the requirement to build an intelligent and accurate technical evaluation system with information application, and develops the key subsystems related with the virtual welding technology, high-speed EMU welding database and expert system, intelligent welding equipment and process evaluation technology, ultrasonic imaging detection and evaluation technology for welding defects, intelligent assessment technology for weld joint ray detection of high-speed EMU, forming an advanced support technology system for welding quality assurance.

high speed railway；EMU；welding；technical system

U270.6；TG40

A

1001-683X（2017）05-0047-08

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.05.047

2016-10-10

路浩（1981—），男，教授級高級工程師，博士。

E-mail：lhhit9@163.com