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厚板焊接作为我国核电、船舶、石化等领域重大装备的关键制造技术，对低热输入、高效率、高质量的新型焊接方法升级需求极其迫切。窄间隙焊接技术因采用窄且深的坡口，在厚板焊接时具有效率高、填充量少、热输入小、变形小等优势，在提高焊接效率和焊接质量等方面具有重要应用前景。目前，该类技术在国外核电、船舶等行业广泛应用，技术较为成熟。而我国窄间隙焊接技术研究起步较晚，在大厚板核心焊接设备、工艺及材料均受制于人，尤其针对我国国防重点企业，存在“卡脖子”风险。高端焊接装备依赖于进口，价格高昂。国外主要生产厂家包括法国宝利苏迪、日本日立公司、美国电弧机器等，国内生产厂家华恒、唐山开元等依赖于国外企业的专利授权。 国际和国内现有技术一般采用钨极摆动、陶瓷片约束、横向交变磁场等控制电弧周期性地在两侧壁之间燃烧，存在装置复杂、母材被磁化或间隙较大等缺点。为解决窄间隙焊接侧壁熔合的难题，课题组另辟蹊径，创新性地提出了一种具有完全自主知识产权的“厚板超窄间隙旋转电弧焊接技术及成套装备”新技术。该技术突破了现有窄间隙钨极氩弧焊接（NG-GTAW，narrow-gap gas tungsten arc welding）工艺的局限性，已实现壁厚50 mm超窄间隙焊接，能够更为可靠、简便地解决侧壁未熔合缺陷问题。相对于国内外的现有技术，该技术形成的旋转电弧能够有效改善电弧热量及压力的均匀性，在保证熔敷金属质量均匀的同时避免熔深过大，具备高质量、高效率的突出优势，达到国际先进水平，已在国防、核电、QT等工业领域推广应用。同时，研究团队自主设计研发了面向核电、石化、船舶等装备的大厚板非轴对称旋转钨极超窄间隙GTAW成套装备（图1），可实现板厚超过150 mm、窄间隙5 mm——9 mm的厚壁材料高质量自动化焊接。 图1 大厚板非轴对称旋转钨极超窄间隙GTAW成套装备 该设备特别适用于厚壁不锈钢焊接、钛合金、980高强钢、9Ni钢等特种材料，在核电、军工、石化等领域具有广泛的应用前景。目前处于国际先进水平的宝利苏迪公司生产的单套设备售价高达380万元，国产设备售价也达到150——200万元水平。而自主设计研发的设备单套成本仅约30万元，能够产生巨大的经济效益。

焊接作为工程机械领域的关键技术，直接决定着国之重器的安全可靠性。目前，智能焊接与检测严重依赖国外进口设备，价格昂贵、售后服务难以保障。对于大型、复杂焊接结构，焊后焊缝质量智能检测在整条焊接产线上属于空白。本团队在国内首次开发了大型焊接结构内外一体化智能检测装备及软件，部分高端装备达到国际水平，建成了国内首条内外一体化焊接智能检测与评估生产线，在徐工挖掘机上获得应用，并在央视CCTV2制造中国节目中播出。 图片 内外一体化焊缝智能检测与评估生产线获央视CCTV2报道

成果与项目的背景及主要用途：统计资料表明，80-90%焊接结构断裂事故 是由疲劳失效引起的，由于焊接接头的焊趾处的应力集中和残余拉伸应力作用， 焊接接头疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。虽然结构按疲劳规范设 计，仍然发生一些整体结构的过早疲劳失效，造成巨大的经济损失，甚至是人 身伤亡事故。由于焊接接头焊趾是疲劳裂纹引发部位，如果对该部位实施适当 的处理，使残余拉伸应力转变为压缩应力和减少应力集中，这将有利于延缓疲 劳裂纹的产生，具有巨大的社会效益和经济效益。本项目是在国家自然科学基 金的支持下完成的，从超声波冲击、相变应力应用、等离子喷涂等三方面提出 了三种改善焊接结构疲劳性能的新技术，研制发明了相应的装置、焊接材料和 喷涂技术。这些方法可以方便地应用到桥梁、采油平台、船舶、飞机、机车车 辆、压力容器及管道等工况、野外施工和高空现场作业的场合，其应用前景是 十分乐观。 技术原理与工艺流程简介：天津大学科技成果选编 1）超声冲击方法改善焊接结构疲劳性能的基本工作原理为：通过超声波发 生器将电网上的工频交流电转换成超声频的交流电，用以激励声学系统的换能器。 换能器将电能转换成同样频率的机械振动，在机架所提供的一定压力作用下，将 该超声频的机械振动传递给工件上的焊缝，使以焊趾为中心的一定区域内焊接接 头表面产生足够厚度的塑性变形层，从而达到改善接头几何外形，降低应力集中 程度、调节其应力场沿厚度方向的分布状况，最终达到改善焊接接头疲劳强度的 目的。 2）相变应力应用改善焊接结构疲劳性能的基本工作原理：利用开发的相变 应力焊接材料使焊缝金属冷却中产生的相变应力，抵消焊接残余拉伸应力并获得 压缩应力，最终达到改善焊接接头疲劳强度的目的。 3）等离子喷涂改善焊接结构疲劳性能的基本工作原理：利用等离子在焊趾 部位喷上结合性能良好的涂层材料来改善接头的应力集中状态，最终达到改善焊 接接头疲劳强度的目的。 技术水平及专利与获奖情况：整体研究达国际先进水平；已获国家发明专利 3 项，在申请国家发明专利 5 项；2004 年度天津市自然科学一等奖，2002 年获 教育部发明二等奖。 应用前景分析及效益预测：接头焊趾及焊跟部位是焊接结构承受疲劳载荷的 薄弱环节，改善焊趾和焊根部位的疲劳性能将提高整个结构的疲劳性能。使用超 声波冲击、相变应力及等离子喷涂等这些新技术可以大幅度地改善焊接结构的疲 劳寿命，显著降低焊接结构破坏事故的发生几率, 进而节约焊接结构的用钢量和 资金，增加焊接结构的安全裕度，防止因焊接结构发生意外疲劳破坏事故给国家 和人民财产的经济损失，因此具有广阔的应用前景及产生巨大社会效益和经济效 益的可能。 应用领域：可以应用到桥梁、采油平台、船舶、飞机、机车车辆、压力容器 及管道、水轮机、火箭发动机、汽车制造等诸多领域。 

本项目涉及的是一种与大线能量焊接用钢相配套的专用药芯焊丝。近年，随着构件的大型化和大跨度化，为提高焊接施工效率和降低生产成本，诸如自动气电立焊、埋弧焊、电渣焊等大线能量焊接方法已相继在造船、建筑、桥梁、石油化工、海洋结构等制造领域中得到广泛应用。 例如，在船舶制造中，焊接工时约占总工时的40%，焊接成本约占船舶制造成本的17%，日本造船行业从90年代初开始应用大线能量焊接技术后，焊接效率较传统的多道次焊接提高近10倍，但是在大线能量焊接条件下，焊接接头处的温度升高、受热时间增长，导致焊缝及热影响区(HAZ) 晶粒组织粗化，会使力学性能尤其是冲击韧性变差，为解决此问题，日本在20年前就已采用氧化物冶金新技术研究开发成功能够承受400kJ/cm以上热输入的大线能量焊接造船钢板，40至100mm厚度的钢板可实现一道次焊接成形，使造船成本显著降低、船舶建造周期大幅度缩短，但日本各钢铁公司对这项技术严格保密从不披露其工艺细节。在此背景下，国内钢铁企业和科研院校相继开展了大线能量焊接专用钢的研究开发，其中，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室同国内钢铁企业合作已经工业试制成功线能量大于400kJ/cm的 战略石油储罐用钢（该项成果2013年获冶金科学技术二等奖）和EH40、EH36级船板用钢，但是与这些大线能量焊接用钢相配套的国产焊接材料此前鲜有研究开发和实际应用业绩报道，目前国内市场所需的100-300kJ/cm 大线能量焊接专用药芯焊丝几乎全部从日本高价进口，而能够承受400kJ/cm以上线能量的高端药芯焊丝日方处于某种战略考量至今拒绝出口中国市场，为了改变这种长期受制于人的被动局面，东北大学RAL国家重点实验室基于前期大线能量焊接用钢研发的技术基础，近期已试制成功直径1.0-1.6mm、焊接线能量100-500kJ/cm、适于气电立焊的大线能量焊接专用药芯焊丝，药芯焊丝在线能量200～425kJ/cm的较大范围内，各项力学性能均能满足目前国内常用船板的大线能量焊接要求，同样有望满足储油罐钢板的大线能量焊接要求。该焊丝除有望替代进口、满足国内造船企业和国家战略石油储备库建设的大量需求外，还有望在海洋工程、石油化工、高层建筑和桥梁建造等众多领域得到推广应用。

通过无损探伤、拉伸试验、水压试验和水压爆破试验对采用该技术制备的接 头进行了完整性和力学性能检测，测试结果合格。

本项目设计和实施一种5自由度简易焊接机器人。简易焊接机器人可以靠底座的四个脚轮方便地在工件周围移动。架体侧面安装有电磁吸盘，当操作者指定一段焊缝时，机器人吸附在工件一侧，机器人基座与工件保持相对固定。简易焊接机器人具有5个自由度。三个移动轴沿x、y和z方向可将末端工具送到不同的空间位置，而机器人末端的两转动轴解决焊枪姿态调整的不同要求。x和y方向的移动靠同步带传动，z方向的移动由梯形丝杠传动，在焊接一个平面特征时，z轴可自动或由手工调节完毕，可不做位置控制。两个手腕正交布局，且电机前置，缩短传动链，简化设备。机器人的末端设计有焊枪连接法兰。其关键技术包括：直线/圆弧焊接特征的轨迹规划、焊枪摆动规划、机器人控制技术。 简易焊接机器人体积小、重量轻，移动和安装都很方便，可以连续工作并能提供稳定的焊接质量。简易焊接机器人的焊接轨迹为比较规则的直线或者圆弧，主要用来满足手工焊接和机器人自动焊接中间的空白焊接需求。

本项目己列入江苏省2017年科技厅重点研发资助项目，项目瞄准 国际领先的美国SMC国际镣合金集团公司及Techalloy公司、瑞典伊萨 (ESAB)公司镣基特种焊条产品，立足本土资源研发出可替代进口产品 的国产化镣基焊条。在研发过程中，通过对NiCrMo、NiCrFe两大系列 镣基焊条采用独创熔渣设计思路,攻克了高镣液态金属熔点高、粘度大、 流动性差、与熔渣相互粘合从而难于焊接成型及脱渣困难的技术难题。 研发出的产品焊缝成型良好、脱渣性好

本实用新型提供一种铝母线焊接模具，包括固定在待焊铝母线(1)四周的四块石墨板(4)和通过 引流导管(3)与石墨板(4)连接的坩埚(2)，其特征在于:所述的四块石墨板(4)其中一块上开设 有通孔(7)，所述的通孔(7)与引流导管(3)一端连通，引流导管(3)另一端连通开设在坩埚(2)