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《电焊机》杂志50卷400期 | 宋天虎:开创我国焊接行业的新局面
焊接设备分会 发布时间:2020-10-11 阅读:182

    作者:宋天虎(中国机械工程学会)

    摘要:进入2020年以来,全球经济环境进入了新旧动能转换期和深度调整期,而新一轮的科技产业革命对于我国经济结构调整具有重大的促进和提升作用,当前的形势紧迫地要求我们“在危机中育新机,于变局中开新局”,接受挑战,抓住机遇,开创包括焊接制造在内的中国制造新局面。本文写在“十三五”收官在即、“十四五”又将启航之际,通过回顾近年来我国焊接行业新技术研发深度及其应用推广力度,彰显新时代精神风貌和行业的责任担当,谨以此文与焊接行业同仁们互勉互励;与此同时,也作为对半个世纪以来与我国焊接行业相伴前行的《电焊机》杂志发刊50卷400期的祝贺与纪念。

    关键词:焊接;创新;应用

 

    /0 前言

 

    我国焊接制造产业的发展,遵循了大国工业化进程的基本规律,集曲折的过程和辉煌的成就于一身,积累了丰富的经验。当前技术应用与服务产业市场化转型,正处于保生存、保市场的高压期,经济增长的换挡期,改革调整的阵痛期,思维模式的转型期。长期以来形成的“大而不强”“竞争不力”等问题仍然凸显。在“十三五”收官在即、“十四五”又将启航之际,通过回顾近年来我国焊接行业的新技术研发深度及其应用推广力度,彰显新时代精神风貌和行业责任担当,接受挑战,抓住机遇,立足于构建具有中国特色的焊接制造的新业态,打造拥有核心技术基因的大系统级、生态优良的“高端”新技术型产品和新技术型企业。

 

    /1 以基础研究创建焊接新工艺

 

    哈尔滨焊接研究院有限公司是我国最早开展千瓦级高功率固体激光-电弧复合焊接技术研究的单位之一,在林尚扬院士带领下持续进行了2~30 kW固体激光-电弧复合焊接应用基础研究,创建了激光-电弧复合焊接“双重导电”机制[1](如图1所示)、“熔池表面电弧辐射增强”机制、“电弧等效功率”、熔池流动特性与熔滴过渡特性等系统化的工艺理论,从机理上解决了制约激光-电弧复合焊接技术应用推广的关键共性问题,为激光-电弧复合焊的工程应用、工艺设计和优化提供了坚实的应用基础,由此引领和指导了激光-电弧复合焊接技术的国家标准体系建设。根据“双重导电”机制开发出了激光-超小电流GMA电弧复合焊接方法、基于纯氩气体保护的不锈钢激光-CMT复合焊接方法等4项专利技术。激光-超小电流GMA电弧复合焊接方法可实现焊接电流仅为15 A时的激光-电弧复合稳定焊接和焊缝可靠成形,而基于纯氩气体保护的不锈钢激光-CMT复合焊接方法可实现不锈钢焊接接头性能与TIG焊相当,但其焊接效率却提高5倍[2]。研究还发现,与传统弧焊相比,激光-电弧复合焊熔池的流动速度显著提高(提高了约70%),且熔池金属自焊缝中心向边缘流动速度加快;电弧与激光复合后,熔滴空中飞行速度增加,合金元素的过渡系数增加,熔滴过渡及其落点也更加稳定和集中[3]。其技术成果已陆续在军工、工程机械、煤炭机械、轨道交通等领域实现了典型示范应用。

 

 

    图2为采用激光-电弧复合焊接技术焊接的某型号战车减震器缸体,利用该技术解决了高强钢缸体单面焊双面成形、根部熔透可靠性及焊接变形等问题。基于熔滴过渡及熔池特性研究,首次提出了“低合金高强钢激光-电弧复合焊低强度焊材匹配”的概念,使焊材使用成本降低30%,该技术成果在某型号战车、起重机高强钢伸臂焊接中获得应用。

 

 

 

    图3为徐工集团开发的我国第一套轮式起重机高强钢伸臂激光-熔化极电弧复合焊接系统,重点解决了原有弧焊工艺无法解决的单面焊双面成形及背面焊缝熔透的可靠性问题,与原有弧焊工艺相比,其焊接生产效率提高了1倍,焊接变形减少了50%,自2012年交付使用至今累计焊接焊缝总长度已超过300 km。与此同时,激光-电弧复合焊接技术也在徐工集团大型履带起重机三大结构件、奔牛集团刮板输送机中部槽等中厚板高强钢产品的焊接中实现了工业应用。

 

 

 

    在轨道交通制造领域,哈尔滨焊接研究院有限公司自主研发了轨道交通车体激光-电弧复合焊接成套装备,与青岛四方机车车辆股份有限公司开展了“产学研”合作,将激光-电弧复合焊接技术应用于新一代地铁枕梁和时速600km/h全新一代磁浮高铁首列试验车车体的焊接。图4为新一代地铁不锈钢轻量化枕梁,利用激光-电弧复合焊接技术解决了轻量化设计及焊接变形问题,产品减重400多千克。在600km/h全新一代磁浮高铁试验车车体的焊接中,完成了焊接接头设计、焊接工艺开发、焊接工装设计制造、焊接装备集成制造、首列样车车体部件焊接示范验证等一系列工程问题,完成了首列高速磁浮列车样车的地板、侧墙、顶棚三大通长型部件(长度25m)的连续焊接(如图5所示),与传统弧焊相比,焊接效率提高了约4倍,焊接变形减小了70%~90%。

 

 

 

    从哈尔滨焊接研究院在激光-电弧复合焊接的机理研发及其工程应用成果可见,加强应用基础研究是提高焊接制造技术水平的根本途径,可以说这是新技术、新工艺应用推广的动力和源泉。

 

    /2 重大产业的核心技术“自主化”

 

    重大产业的发展核心是关键技术的“自主化”。历尽半个世纪、举世瞩目的我国油气管线建设过程就是一个生动的实例。油气管道建设与清洁能源、国民生计、经济发展紧密相关,长距离、大口径、高钢级、高压力的石油、天然气管道建设一直是该行业持续发展的方向。面对以往采用进口焊材存在供货周期长、生产过程中沟通和监管难度大、价格贵、采购行为受国际政治经济大环境影响等我国油气管线发展的瓶颈,从20世纪90年代以来,管线钢从X70开始,到目前自主研发的X120,我国用了20年的时间完成管线钢的研发和应用工作,走过了国外40年的研发历程(如图6所示)[4-5],相应的焊接工艺也得到了发展(如图7所示)。

 

 

 

 

 

    就管道焊接材料和配套工艺而言,自20世纪80年代以来,从美欧引进了“焊条下向焊”的管道焊接方法(1982年),包括纤维素焊条下向焊和低氢焊条下向焊。1988年,国内首条天然气管道中沧线,首次使用纤维素焊条和低氢型焊条的下向焊方法。与“上向焊”相比,劳动强度降低,熔敷效率提高。1992年从美国建筑行业引进“半自动下向焊”的焊接方法,主要指自保护药芯焊丝半自动焊,只能进行填充、盖面焊操作。半自动焊最早应用于1992年突尼斯天然气管道,1995库鄯线管道作为试验段应用。后经兰成渝、涩宁兰等工程的应用,作为管道焊接施工主流焊接方法一直持续至2016年。国产自动焊工艺和装备于1998年首次在郑州义马煤气管道中应用,进口自动焊工艺和装备于1999年首次在港京输气管道中应用,到2002年西气东输管道中实现规模应用。从2016年中俄原油二期、中俄东线北段,自动焊真正从质量提升角度开始获得广泛使用。1992年管道局开始自动焊设备自主研发;1999年5月管道二公司从英国引进NOREAST自动焊设备;2001年7月管道局从意大利引进PWT根焊自动焊设备;2008年从美国进口CRC M300、P600等自动焊设备。1998年12月,国产自动焊在郑州义马煤气管道应用;1999年11月,NOREAST自动焊在港京输气管道应用。2002年,PWT自动焊用于西气东输。2008年,CRC自动焊用于西二线。目前管道局CPP900系列自动焊装备和熊谷等国产自动焊装备已成为高钢级、大口径管道焊接施工主要焊接方法(如图8所示)。自动焊焊接材料主要为AWS A5.18 ER80S-X实心焊丝和AWS A5.29E91T1-X气保护药芯焊丝。保护气体有CO2、及CO2Ar混合气。值得一提的是,熊谷管道自动焊装备在2017年1月通过了俄罗斯天然气公司和俄罗斯石油公司认证,在中俄东线工程中全线采用了超大口径天然气长输管道的自动焊,熊谷A-800系列内焊机、A-305单枪外焊机、A-610双枪外焊机和C-48/56坡口机作为主力装备参与了该项工程的建设(如图9所示)。2019年熊谷管道自动焊机应用于海洋铺管船进行海管自动焊接(如图10所示),实现AUT检测一次合格率100%。油气管线钢及焊接自动化的发展见表1。

 

 

 

▲ 图8大管径端面加工(左)      ▲ 图8 环缝焊接的自动化装备(右)

 

 

    Fig.9 Automatic welding is adopted for the whole line of super large diameter natural gas long-distance pipeline between China and Russia

 

                                     ▲ 图9-中俄东线超大口径天然气长输管道全线采用自动焊

     

 

 

 

    在油气管线焊接材料国产化及焊材质量稳定性方面,在国家相关政策的指导和支持下,对关键技术问题进行了攻关,形成了西四线(吐鲁番-中卫)1422mm X80管道焊接材料国产化方案,研发自动焊用实心焊丝、气保护药芯焊丝,半自动焊用气保护药芯焊丝、返修焊用低氢型焊条产品,用于西四线管道工程环焊缝焊接的应,从而推动和加快油气管道环焊缝焊接材料国产化进程。

 

    油气管线工程是一个典型的从材料、工艺到装备的系统工程。半个多世纪以来我国油气管线的建设历程表明,从引进、消化到自主研发,走出了与国情需求相结合的可持续发展之路。引进先进技术的最终目的是为了走出自己的路,这条路不是简单模仿、打价格战,而是为了建立和实现我国油气管线焊接工程的技术体系。这再次说明产业发展的关键是对核心技术的自主研发以及在工程应用中的集成创新。

 

    /3 大力提倡集成创新

 

    创新不是摒弃传统,而是在传统技术的基础上探索新路,组合资源,走出集成创新的新路。凯尔达机器人科技股份有限公司的通用多关节弧焊机器人及产业化就是一个成功的例子。该公司研制了基于IPC(WinOS+RTOS+EtherCAT架构)控制系统的弧焊机器人,开发了正逆运动学计算、前瞻运动规划和振动抑制等高效算法,实现了高速循环周期的机器人控制。提出并实现通过WinOS、RTOS和安全单元三者相互验证的方法保证了机器人系统的安全性,通过断电数据保护及时序逻辑控制保证了机器人系统的可靠性。提出了运行过程机器人多关节各伺服电机增益参数自适应、变加速柔顺化控制方式,保证高速作业轨迹的运动稳定性和低速作业轨迹下运动精确性。提出了快速主从切换的多机器人协调控制方法(如图11所示),开发相应的指令系统,将每个机器人当前的主从信息集成于该机器人的运动指令中,可在一个执行任务中根据不同阶段需求在线改变多机器人间的主从状态,提高了多机器人系统完成复杂任务的适应性。提出了基于双目视觉的机器人快速标定方法,实现了弧焊机器人出厂前的逐台标定,为机器人运行轨迹的精准化提供了坚实基础[6]。通用型6轴弧焊机器人KR1440,在轨迹准确度、位置准确度及重复性等方面的主要技术指标达到或超过国际主流品牌产品,已在金属结构加工领域得到应用。

 

 

 

    杭州凯尔达机器人科技股份有限公司还完成了“高动态响应送丝与电流波形协同调控伺服焊接系统”。发明了一种高动态响应送丝与电流波形协同调控的伺服焊接技术,实现了MAG/CO2低飞溅低热输入量高速焊接、PCT焊接熔深稳定控制的创新工艺;发明了一种伺服专用焊枪与力矩反馈同步送丝相结合的前置伺服方式,提出了一种预测控制抵消送丝时延与动态调节焊丝盘阻尼力相结合的后置伺服方式,实现了碳钢、不锈钢、铝合金等多种材料的高动态响应送丝;发明了一种大电流快速衰减与低纹波小电流维弧输出相结合的弧焊电源输出控制方法,研制了全数字控制伺服焊接逆变电源,提高了MAG/CO2低飞溅低热输入量高速焊接的稳定性。其MAG/CO2焊接飞溅量等指标达到或超过国际一流品牌产品,在汽车制造、金属结构加工等领域得到应用。

 

    自2013年以来,弧焊机器人系统销售累计超过1万台,2020年1~7月,弧焊机器人系统销售已达1600台。参与起草制定了10多项国家标准,拥有25项已授权发明专利、50余项实用新型专利。凯尔达的弧焊机器人及产业化发展生动地表明焊接技术就是基于传统制造需求的不断发展和功能提升,通过对各种工程需求和先进焊接工艺的不断认识、理解和掌握,实现多源技术的组合和专业知识的集成,“握指成拳,集群发展”,实现了从“机器代替人”到“机器优于人”的跨越(如图12所示),为弧焊机器人技术在我国焊接制造及相关领域的应用水平不断提高作出了重要贡献。在IPC(WinOS+RTOS+EtherCAT架构)控制系统等多项关键应用技术上达到或超过了国际先进水平。

 

 

▲ 图12 a  PCT技术焊接铝合金车架

 

    /4 对传统技术的挑战与“突破”

 

    “突破”是指敢于去挑战传统技术领域及其产品的“强类项”。往往因为技术以及研发成本的限制,对“强类项”的挑战难以得到持续和发展,对传统 “强类项”的突破很难,但难才是价值的体现。其中一个例子是“绞股焊丝”,即多股绞合焊丝,是由多根较细的焊丝按照一定的生产工艺螺旋绞合而成的新型焊丝。其特殊的物理结构使其具有独特的焊接电弧特性、能量分布特性和工艺特性。其多种产品已在军工装备、能源动力、石油化工以及核电等重要产业中实现了“变革性”应用。

 

    绞股焊丝的电弧特性来源于其结构特性。随绞股焊丝的送进,参与绞合的各焊丝相对中心轴而言是旋转的,因而出现了电弧旋转现象,这种现象引发了对焊接熔池的自搅拌效应(如图13所示)。这种自搅拌效应有利于熔池气体的逸出和熔池夹渣的排出,有利于焊缝成分的均匀化和焊缝组织细化,从而为焊缝质量的提升提供了物理机制。同时由于构成绞股焊丝的各单丝直径较小且各自导电熔化,因此绞股焊丝对电弧能量的利用优于同直径的传统单丝。这对降低焊接热输入量、减小焊接变形量及减少焊后修整工作量是非常有益的。

 

 

 

 

      ▲ 图13  绞股焊丝的电弧及其对熔池的自搅拌效应(左)    ▲ 图13 焊接速度2 m_min时的电弧形貌(右)

 

    在工艺特性方面,主要表现为熔敷速度大,焊接效率高。在同样的能耗下,绞股焊丝的熔化量变大,因而可以通过增大绞股焊丝的直径或者送丝速度来提高熔敷速度和焊接效率,在薄板的焊接中,焊接速度能成倍提高。绞股焊丝柔韧性较好,增大直径后并不影响其良好的可盘绕性,也不会明显增大送丝阻力和可操作性。绞股焊丝还可通过改变其绞股结构、捻距、捻向等参数实现对焊缝熔深的调控。

 

    目前,江苏联捷焊业科技有限公司已定型生产碳钢及低合金钢类、不锈钢类、铝合金类、镍基合金类和复合类五大类绞股焊丝产品(如图14所示),通过各种合金单丝的绞合,可以得到理想、精确的焊丝化学成分组合。某些合金丝是难以熔炼或拉制的,采用先生产适当合金成分的细丝、再组合的方式,就能较容易得到与该合金丝相同化学成分的绞股焊丝。

 

 

 

 

    自绞股焊丝产品定型以来,其应用领域也逐步拓宽,目前已经在军工、核电、海工、压力容器、3D打印、轨道交通、基础建设等领域开展了实际应用或试验性应用[7-9]。图15为采用绞股焊丝机器人焊接某型装甲车现场,整车焊接过程中未出现焊缝气孔及裂纹现象。现已开始推广应用到高强钢装甲车及无人装甲车上。绞股焊丝压力容器焊接、镍基合金表面堆焊如图16所示。

  

▲ 图15 高氮装甲钢绞股焊丝机器人自动焊接

 

 

▲ 图16 镍基合金焊丝表面堆焊(右)

 

    /5 面对新形势,开拓新局面

 

每一轮产业结构调整或转折都会产生出行业自身发展的内生动力,都会有不同的创业故事和焊接企业同仁奋勇向前的品牌抱负,塑造着“Made in China”的优良品质。然而,在面对当前新一轮科技革命带来的产业结构调整,我们并不乐观。焊接行业的技能性人才缺乏,焊接专业人才供需矛盾日益突出;焊接领域内研发水平和新技术应用仍步履艰难:绝大多数焊接企业属于中小型焊接企业,自身研发能力较弱,需要依赖于大学及研究院的力量,但长期以来这一合作创新链远远不够完善,极大地制约着我国焊接行业的创新和发展。焊接学界和工程界都需要继续关注和高度重视以下几个方面的问题:

 

    (1)“十四五”期间,要尽快把在客场进行的、以出口为主要特征的经济全球化,升级为以利用我国庞大内需为主要特征的“主场全球化”战略模式。从“客场全球化”走向“主场全球化”将成为一种自主调整的新趋势。世界经济发展的经验和规律已证明,在成为大国经济的过程中,必然伴随着“内需主导型”经济的形成。目前全球人口和市场规模较大的发达国家,基本上都属于这种“内需主导型”经济形态。

 

    (2)以品牌为核心的实体经济是全球经济竞争的“主战场”,在走向世界、参与世界竞争之路上,中国品牌要紧紧围绕着优质、精品、创新等关键词稳步迈向“高品质化”阶段,重视创立企业自己的技术标准,大力弘扬和树立起“技术就是艺术、产品就是作品、质量就是形象”的工匠精神和敬业精神,充分发挥制造企业自身的能力和特长,生产出质量优于“通用标准”的品牌产品,打造出更多影响世界的中国品牌。

 

    (3)随着新型、高强材料的不断涌现以及高参数、大尺度焊接结构的应用需求,促使焊接制造企业尽快形成从焊接接头、焊接结构的“控形”到焊接产品使役性能的“控性”能力,加强对焊接材料、焊接工艺和焊接装备之间信息和数据的分析与融合,能够对焊接产品的生产过程和质量做出确切的评价和对应措施,从而促进数字化焊接制造的知识积累,促进现代焊接制造科学体系的发展与形成。

 

    正如习近平主席指出的:“中国立足自身国情和实践,从中华文明中汲取智慧,博采东西方各家之长,坚守但不僵化,借鉴但不照搬,在不断探索中形成了自己的发展道路”。我国的焊接行业仍然需要不断向国外同行借鉴学习先进经验,壮大自身。在深化改革道路上,惟改革者进,惟创新者强,惟改革创新者胜,从而带动我国焊接材料、焊接设备、辅助机具、制造应用等行业的健康持续的发展,营造出创新、活力、充满向心力的中国焊接制造品牌。

 

参考文献

 

[1]  王威, 林尚扬, 王旭友, 等. 激光-熔化极脉冲电弧复合焊接的双重导电机制[J]. 中国激光, 2012, 39(2): 50-59.

[2] 雷振, 林尚扬, 王旭友, 等. 激光-数字化精确控制短路过渡电弧复合热源焊接技术[J]. 焊接, 2009(5): 23-26.

[3] 吴艳明, 王威, 林尚扬, 等. Nd:YAG激光-脉冲MAG复合热源焊熔滴过渡分析[J]. 焊接学报, 2011, 32(7): 83-86.

[4] 隋永莉. 长输油气管道高强钢管线钢管现场焊接技术[R]. 北京: IFWT2014‘高强钢先进焊接技术’国际论坛大会报告, 2014.

[5] 隋永莉. 油气管道环焊缝焊接现状及需求[R]. 宁波: 第二十届全国焊接材料行业大会, 2019.

[6] 侯润石, 蒋启祥, 王胜华, 等. 大型复杂构件的无模型工业机器人自动编程系统[J]. 电焊机, 2020, 40(7): 134-141.

[7] 梁裕, 高金良, 冯和永, 等,新型高氮不锈钢用绞股焊丝[J]. 新技术新工艺,2020(4): 12-16.

[8] 梁裕, 刘平礼, 冯昱. 一种Al-Cu-Si绞股焊丝及其制备方法[P]. 中国专利,CN109623197A.

[9] 梁裕. 一种3D打印丝材多股绞合焊[P]. 中国专利, CN110936049A

 

本文编辑:唐凰

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