《中国电力报》文章《十年磨一剑——发电机组现场抢修激光熔覆技术诞生记》
发布时间:2010/11/19   发布单位:集团总部   点击次数:7943次

       

   “我们的自主知识产权是非卖品”


    2005年8月,盛夏的北京炎热难当。在昆仑饭店顶层商务俱乐部的一张长桌旁,分坐着刚从法国总部飞来的阿尔斯通负责全球电力业务战略性增长的高级副总裁蒂莫西先生和从沈阳驱车赶到的沈阳大陆企业集团董事长董侠先生。两个完全不在一个量级的企业负责人。简单寒暄之后,谈话直接切入了主题。蒂莫西先生说道:经过我们中国电力服务公司项目总监何慕德先生和设在瑞士洛桑的工程中心焊接专家安瑞斯先生的考察评估,我们对贵公司拥有完整专利的激光显微仿形熔覆现场修复汽轮机主轴及缸体等关键部件成套技术很感兴趣。想和您讨论在这项技术上合作的可能性。蒂莫西先生如数家珍地介绍了阿尔斯通在全球170余个国家和地区均保有和在建电站设备,电力服务每年有数十亿欧元销售额等情况,强烈地表示了与大陆企业集团合作的意向希望中国沈阳大陆公司的这项独创性技术能够整合到阿尔斯通的平台里面去。
    一个年销售额刚刚过亿元的中国小公司能被阿尔斯通这样的世界级企业、行业巨擘相中,并且能够籍此一步迈入全球性舞台,当然极具诱惑力。
    但是,当蒂莫西先生明确表示阿尔斯通的合作方式是收购大陆集团旗下拥有这项技术的公司70%以上股权时,董侠先生原本平静的面容上掠过一丝严峻。仅过片刻,董侠眉头一扬,语气坚定地对蒂莫西先生说:感谢您对我们公司技术的欣赏,更感谢您的合作诚意,但很抱歉,您提出的合作方式我们不能接受。看到蒂莫西先生诧异的目光,董侠解释说,您很清楚,中国现在已经成为一个制造业大国,但还不是一个制造业强国,原因是我们的现代工业起步晚,拥有自主知识产权的技术少。我们这个公司专心致志地搞了八年,我们的研发人员大部分是从中科院走出来创业的专家。创业之初,我们就抱定了产业报国的理想,就想用二十年以至三十年的时间搞成一项可以走向世界的原创技术和制造业的世界级品牌,因此我们相约,我们的技术是非卖品,我们也不想由于被并购后失去对知识产权和品牌的拥有权。希望您能理解我们的想法,我愿意讨论并购以外的其它合作方式。
    结果可想而知,合作没有谈成,但相互间的信任和尊重存留下来。董侠从蒂莫西先生分别时的握手中分明地感觉到了这一点。


    为了一句庄严的承诺


    沈阳大陆集团到底拥有一项什么样的技术,惊动了远在欧洲的阿尔斯通和美国的普惠(全球商用航空发动机最大制造商之一)这样的全球制造业顶级企业呢?
    最近,记者到沈阳访问了这家名不见经传的“小公司”,然后又飞赴华能武汉阳逻电厂和上海宝钢观看了他们在现场作业的情况,从中了解到他们的技术奥秘和在攻克这一世界性难题过程中一些鲜为人知的故事。
    1998年春,沈阳一个极其简陋的办公室里,三个人长谈了一天一夜。当晨曦透进室内时,董侠一把推开窗子,回过头来目光中充满着坚毅和自信,对他的创业伙伴郇梅和中科院金属所在读博士陈江坚定地说,就这么定了,我们投入一次创业的全部积累3000万元,陈江放弃你的博士学位,说干就干,搞它二、三十年,给中国民族工业搞出一些尖端的原创技术。两人迎着董侠的目光,坚定地点点头。
    他们要搞的这项技术,就是当时仍在中科院等国家重点试验室里面研究的激光显微仿形熔覆技术。陈江在他的导师吴维岑带领下已经潜心研究5年,有了一定的经验和心得。但让这项前沿技术成熟并走向产业化应用,还有许多未知的难题横亘在前面,需要多少资金投入谁也说不清。但三个人这次是义无反顾,用一个字来说,就是赌——赌上了3000万创业资本和中科院的前程,他们要甩开膀子大干一场。
    用十年磨一剑来形容激光显微仿行熔覆技术的研发再准确不过了。从1998年到2008年,为了当初三个人的一句承诺,大陆人用了整整10年时间,先后投如入了近亿元的资金。做了15万余小时的工艺试验,以牺牲企业效益和发展为代价,终于研制出成熟的激光显微仿型熔覆技术,使这项技术领域攀登上世界的高峰,也难怪阿尔斯通副总裁蒂莫西先生当初是如此看重这项技术。随着这项技术的研制成功,大陆人收获了丰硕的成果,如今他们初步建立了大功率工业激光加工的原创性技术平台。这个平台的核心技术包括三个方面:一是大功率工业激光加工成套设备技术。包括集团自主设计制造的1—10Kw
CO2激光发生器和六轴四联动数控激光加工机床。以及新近研制成功的1-3Kw全固态激光发生器,用光纤输出并通过机器人执行机构进行激光加工这样一套国内首创、达到当期国际先进水平的新式设备;二是激光加工专用材料制造技术。企业研究开发了铁基、镍基、钴基三个系列激光熔覆和激光合金化材料。金属粉末材料品种达几十种;三是激光加工工艺技术。研究开发了包括相变硬化、快速熔凝、激光熔覆、激光合金化等多种工艺,开发应用达15万小时,积累了数万组数据,初步建立起高温合金材料,各种高耐磨材料,各类防腐蚀材料,各类铸铁,各类合金铸钢,锻钢的激光加工工艺数据库。正在研究若干激光加工的物理模型。这是目前国际上最大规模的激光加工工艺研究,也是集团宝贵的软资产。这个技术平台有三项标志性成果:一是集团已申报的专利近百项,其中发明专利近70%;二是由大陆集团作为秘书长单位的全国激光修复标准化技术委员会于2008年3月经国家标准化委员会批准开始筹建。这是继80年代沈阳机床厂、沈阳变压器厂、沈阳鼓风机厂被国家标准委确立为行业标准专业技术委员会秘书长单位之后,时隔20多年,沈阳市又一家被国家标准委确定为标准化技术委员会秘书长单位的企业,而且也是唯一一家民营企业。另外,由大陆集团主持制定的《大功率横流连续波二氧化碳激光器》国家行业标准由国家发改委批准,于2008年2月1日正式实施;三是大陆集团的产品和服务得到了国民经济主战场包括石化、冶金、电力、铁路、汽车、航空、船舶、军工等基础行业世界500强企业如中石油、中石化、中海油、宝钢、华能电力、一汽、中铁以及美国GE、哈里伯顿、英国BP、德国西门子、法国阿尔斯通等世界级公司的认可。

 

     自主产权中的核心技术


    所谓激光显微仿形熔覆技术,就是利用大功率激光高能量并可数字化控制的优点,对采用高合金材料制造的金属部件损伤和缺失进行物理补偿,这种补偿能有效地恢复金属结构部件的几何尺寸和提高机械力学性能。
    当然,各类金属结构部件的修复并不是从有了激光熔覆技术才开始的。在此之前,人们一直在运用各种技术来修复损坏的金属部件。这些技术可分为冷热两大类。热修复技术如电焊、亚弧焊,其优点是能实现补偿材料和基材的冶金结合,但缺点是热容量和热应力过大,通常会损伤部件的疲劳寿命并且造成过大的变形量。因此在修复高合金材料制造,且机械尺寸要求精密的涡轮动力设备部件时这种技术显然不过关而被排除在外,甚至严格禁止。而各种冷修复技术,如各种刷、镀、涂、粘手段,虽然解决了热应力和热变形的问题,但由于结合强度通常在8kg/mm2之下,不能实现补偿材料和基材间的冶金结合,因此只能用做轻微损伤情况下的过渡性修复手段。这也使得各种金属部件的修复,特别是高温、高压、高转速、高精度大型转动设备的修复成为困扰许多行业的世界性难题。
    激光熔覆兼有冷热加工的优点,同时避免了冷热加工的缺点,激光瞬间形成的数千度高温可以通过数字化的精确控制把作用范围严格限制在1毫米至数毫米之间,在这个范围内使基材微熔,并让用于补偿的合金材料完全熔化形成熔池。当熔池在0.3秒内冷却后就形成了补偿材料和基材间的冶金结合。结合强度可达到80kg/mm2。同时,整个加工过程中基体温升不超过摄氏80度,这种比亚弧焊低一个数量级的热应力和热影响区,是包括航空发动机动叶在内的金属结构部件的修复都可以接受的。事实上,大陆公司正是首先从修复军用航空发动机、直升机的动叶和导向叶片,以及工作温度在800摄氏度的石化用烟气轮机动叶、轮盘开始成功应用这项技术的。这就意味着,大陆公司的技术在几乎所有的涡轮动力设备的关键部件,更不用说用普碳钢制造的一般金属结构部件的修复上,都是一项具有高可靠性的技术。
    采用这项技术,大陆企业集团相继在石化、冶金、船舶、航空、铁路、汽车这些行业开始逐步应用,并先后成功修复了汽轮机、烟气轮机、地面燃机、航空发动机、离心压缩机、轴流风机、螺杆压缩机、往复式压缩机以及内燃机、电机等重要的动力机组的各个部件。累计成功修复各类机组3000多台,由于大陆企业集团严格执行军工的质量检验标准,修复的成功率达到99.5%。
       

    电力行业再展风采


    大陆公司进入电力行业是从2000年开始的。当时一家沈阳当地电厂的高速给水泵轴意外损伤,电厂没有备件必须紧急抢修,在接到抢修任务后大陆公司用了不到6个小时就干净漂亮地把一根完好如初的泵轴交给了用户。这件事引起了一位有心人东电一位副总工程师的注意,他特意到大陆公司做了深入细致考察后向大陆人提出了一条建议,你们的技术很好,但要用到电厂来,关键是要能够现场作业。因为电力的发展方向是采用临界和超临界机组,而临界、超临界汽轮机、发电机的转子重达数十吨,出现损伤后一般要返厂修复,但返厂修理运输困难,运输风险大,有时甚至需要出动警力疏导交通。同时,由于是返厂修理,周期长,严重影响发电有效利用时间,产值损失巨大。因此迫切需要能在电厂现场修复的可靠技术。现在,虽然我们也知道刷镀等一些手段可靠性差但还要用,就是因为它能满足现场使用要求。
    “用户的需要就是我们的研发方向”。董侠董事长立即决定由大陆激光技术公司总经理陈江立项并主持研发,决意攻克这一世界性难题。
    项目展开不久,大陆人就开始明白了什么叫“世界难题”,查遍文献没人做过,没有先例,没有可资借鉴的技术,甚至没有线索可循。几番论证之后,他们只是搞清楚了一个问题,要攻克这道世界难题,需要横跨多个学科,要创造性解决一整套技术难题。
    首先是激光器,大陆集团所属的成套设备公司,只能提供CO2大功率激光器,这种激光器是用多组反射镜来实现光能传输的。用了这套激光器到现场作业,很快就显露出体积大,长途运输到现场后调光时间长,专用加工机空间作业自由度不够等一系列缺点。因此,必须采用国际最前沿的半导体泵浦全固态激光器,用光纤来传输光能,才能完全满足现场作业要求。但大功率全固态激光器在国家十五科技发展规划中尚未立项,仅十一五才立项研究,这意味等这项成果研究出来不知要等到什么时候。从不信邪的大陆人天生一副豹子胆,他们果断决定投入2000万搞大功率全固态激光器的开发。张春杰这位来自中科院沈阳自动化所,有10余年国家863课题研究经历的中年专家勇敢地担起了这一课题。1千多个日日夜夜之后,国内第一台基于全固态激光光源,通过光纤传输光能,用空间关节型机器人做执行机构的1KW移动式激光加工系统于2006年8月问世,经过一年的运行测试,于2007年由中科院3位权威院士领导的专家组给出了鉴定:国内首创,达到国际先进水平。

    “做加法的设备解决了,但要实现现场修复,还必须有一套做减法的设备,加减结合才能搞完整的现场修复。”大陆公司董侠董事长这样告诉记者。而所谓做减法的设备,就是一套他们用了三年时间研制出的随形机加设备,包括随形车和随形磨。记者在武汉阳逻电厂看到了这套随形加工设备正在现场加工30万机组电机的轴颈。这段损伤了有70mm的轴颈在激光熔覆了一层2mm厚的合金材料后,正由随形加工设备作磨削加工。最后,阳逻电厂的技术人员给出了验收检测结果:同心度、椭圆度均在0.02mm之内,表面粗糙度为Ra≤0.0004mm,完全合乎标准。
    “如果你认为仅仅有了这些自己研发的设备我们就可以在电厂现场做临界和超临界机组的修复那就错了”。董侠董事长说着站起身来,让我和他一起去了一个装着厚厚铁门的房间。这是一间装有电子门禁的库房,房间里排满了铁架,看我正在好奇地看着架上大大小小容器外的标签,董侠笑了,说你随便看,因为你只能看到近百个DL字头的编号,我们集团只有3个人知道这些编号里面的全部真实含义,而这3个人都是公司的大股东。因为这是公司的核心技术机密之一。
    原来,这是大陆公司的激光加工专用材料库房。激光加工因为激光的高能量密度会造成金属材料理化特性和金相结构的变化,因此需要专用材料。由于激光加工技术是刚刚兴起的新技术,所以世界上还没有现成的激光熔覆和合金化专用材料可以拿来使用,这又是一道世界难题!面对困难大陆人知难而进。十年来,他们潜心研发,不间断地搞激光加工专用材料的试验,资金投入了几千万,研制成功三个系列近百种材料配方。正是凭借这三个系列近百种材料,大陆集团才能应对各种金属结构部件对高强度、抗疲劳、耐腐蚀、耐磨损等材料力学性能的要求,敢于修复各类涡轮动力设备部件。董侠进一步告诉我,大陆公司的修复不是简单的恢复,通常是提升。因为他们要修复一个部件,是从做失效分析开始的,也就是这个部件是因为什么原因在这个地方损坏了,磨损还是腐蚀还是高温疲劳。不找出原因不能开工。而一旦找出原因,他们就设计出性质更好的材料用上去,从而提高修复后部件表面的力学性能。
    接着,董侠又把记者领到了一个装有几台电脑的房间,告诉记者,激光加工这种光学加工不同于机加工,机加工是二个参数,就是进刀量和线速度,匹配好了机加工就可以自由运行。但是光学加工本身就有五个参数,加上机加工的二个参数,光学加工共有七个参数,这七个参数之间具有复杂的多变量关系,要找到准确的加工工艺区间,没有别的办法,只有做大量的工艺实验,大陆集团现在的工艺实验时数达到15万小时,这在目前世界上搞激光加工工艺是绝无仅有的。他们仅在做大轴修复时的工艺实验就花费近万小时,将配制的冶金粉末材料用激光熔上去,车掉,再熔上去,再车掉,反反复复地做工艺实验,在实验室里做好了工艺实验后,才到现场去修复。
       

    留给明天的思考


    回到大陆集团董事长那间简朴的办公室,记者一边翻阅看董侠递过来的现场修复业绩表,一边浮想联翩。
由于职业的原因,记者多年来几乎跑遍了国内各大电厂,深知大陆集团这项革命性技术对发电企业巨大的经济技术价值。近年来,我国电站建设进展迅猛,但相应的运行服务特别是技术服务滞后,以至往往造成巨大的经济损失,影响电网的平稳顺畅运行。俗话说,人吃五谷杂粮,难免三灾六病。哪个电厂专工以至老总不担心机组运行出现故障以至事故,更遑论一年一小修,两年一中修,四年一大修的必然检修周期了。而主轴轴颈、围带铆钉、末级叶片、汽缸缸体这些不易或不能拆卸部件,一旦发生损伤,修复起来就非常麻烦。周期长,风险大,费用高。而现行采用的各种技术手段,如刷镀、微弧焊等,可靠性低,适用范围窄,不能满足电厂现场抢修的要求。如同阳逻电厂抢修主任所说,大陆的技术给我们解决了大问题,今年5个月时间里,他们先后三次到现场抢修了30万、60万两台机组的三个轴颈,分别用时只有3-6天。光是节省的时间抢回的发电产值就数千万。同时这种修复技术的高可靠性让我们晚上睡觉不怕电话铃响,心里踏实多了。近几年来,华能威海、华能淮阴、大唐黄岛、国华盘山、国华绥中、广东茂名、广东汕头、陕西神头二厂、上海宝钢电厂等发电企业临界、超临界机组发电机、汽轮机全部成功进行了现场抢修。
    波音737在跑道上急速滑行,在腾空飞起的一刹那,记者习惯地闭上了眼睛,回想在大陆集团几天来的所见所闻刹那间,一个词蹦入脑海“十年磨一剑”。确实,大陆这批抱有产业报国理想的知识分子勇敢地下海,难为他们放下教授不当,副厅局干部不做,博士弃读;更难为他们一心扑在技术原创上,勇闯世界性难题;尤其难为他们在一片浮躁的世态中耐得住寂寞,一搞10年不动摇。坚持,坚持,再坚持。有这样一个团队,何愁他们不能迅速做大做强?中国有这样的脊梁,何愁不能实现伟大复兴,自立于世界民族之林?三年前他们为了民族工业的发展壮大,果断地回绝了跨国公司的并购提议。三年后,他们必能把这项革命性技术推向全国。(记者:汤兆宏  摘自《中国电力报》2008年7月31日第4419期,国内统一刊号:CN11-0076)
 

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