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焊接作為工程機(jī)械領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，直接決定著國(guó)之重器的安全可靠性。目前，智能焊接與檢測(cè)嚴(yán)重依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格昂貴、售后服務(wù)難以保障。對(duì)于大型、復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，焊后焊縫質(zhì)量智能檢測(cè)在整條焊接產(chǎn)線上屬于空白。本團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)了大型焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)外一體化智能檢測(cè)裝備及軟件，部分高端裝備達(dá)到國(guó)際水平，建成了國(guó)內(nèi)首條內(nèi)外一體化焊接智能檢測(cè)與評(píng)估生產(chǎn)線，在徐工挖掘機(jī)上獲得應(yīng)用，并在央視CCTV2制造中國(guó)節(jié)目中播出。 圖片 內(nèi)外一體化焊縫智能檢測(cè)與評(píng)估生產(chǎn)線獲央視CCTV2報(bào)道

成果與項(xiàng)目的背景及主要用途：統(tǒng)計(jì)資料表明，80-90%焊接結(jié)構(gòu)斷裂事故 是由疲勞失效引起的，由于焊接接頭的焊趾處的應(yīng)力集中和殘余拉伸應(yīng)力作用， 焊接接頭疲勞強(qiáng)度大幅度地低于基本金屬的疲勞強(qiáng)度。雖然結(jié)構(gòu)按疲勞規(guī)范設(shè) 計(jì)，仍然發(fā)生一些整體結(jié)構(gòu)的過(guò)早疲勞失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是人 身傷亡事故。由于焊接接頭焊趾是疲勞裂紋引發(fā)部位，如果對(duì)該部位實(shí)施適當(dāng) 的處理，使殘余拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力和減少應(yīng)力集中，這將有利于延緩疲 勞裂紋的產(chǎn)生，具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目是在國(guó)家自然科學(xué)基 金的支持下完成的，從超聲波沖擊、相變應(yīng)力應(yīng)用、等離子噴涂等三方面提出 了三種改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的新技術(shù)，研制發(fā)明了相應(yīng)的裝置、焊接材料和 噴涂技術(shù)。這些方法可以方便地應(yīng)用到橋梁、采油平臺(tái)、船舶、飛機(jī)、機(jī)車(chē)車(chē) 輛、壓力容器及管道等工況、野外施工和高空現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的場(chǎng)合，其應(yīng)用前景是 十分樂(lè)觀。 技術(shù)原理與工藝流程簡(jiǎn)介：天津大學(xué)科技成果選編 1）超聲沖擊方法改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的基本工作原理為：通過(guò)超聲波發(fā) 生器將電網(wǎng)上的工頻交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻的交流電，用以激勵(lì)聲學(xué)系統(tǒng)的換能器。 換能器將電能轉(zhuǎn)換成同樣頻率的機(jī)械振動(dòng)，在機(jī)架所提供的一定壓力作用下，將 該超聲頻的機(jī)械振動(dòng)傳遞給工件上的焊縫，使以焊趾為中心的一定區(qū)域內(nèi)焊接接 頭表面產(chǎn)生足夠厚度的塑性變形層，從而達(dá)到改善接頭幾何外形，降低應(yīng)力集中 程度、調(diào)節(jié)其應(yīng)力場(chǎng)沿厚度方向的分布狀況，最終達(dá)到改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的 目的。 2）相變應(yīng)力應(yīng)用改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的基本工作原理：利用開(kāi)發(fā)的相變 應(yīng)力焊接材料使焊縫金屬冷卻中產(chǎn)生的相變應(yīng)力，抵消焊接殘余拉伸應(yīng)力并獲得 壓縮應(yīng)力，最終達(dá)到改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的目的。 3）等離子噴涂改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的基本工作原理：利用等離子在焊趾 部位噴上結(jié)合性能良好的涂層材料來(lái)改善接頭的應(yīng)力集中狀態(tài)，最終達(dá)到改善焊 接接頭疲勞強(qiáng)度的目的。 技術(shù)水平及專(zhuān)利與獲獎(jiǎng)情況：整體研究達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平；已獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利 3 項(xiàng)，在申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利 5 項(xiàng)；2004 年度天津市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，2002 年獲 教育部發(fā)明二等獎(jiǎng)。 應(yīng)用前景分析及效益預(yù)測(cè)：接頭焊趾及焊跟部位是焊接結(jié)構(gòu)承受疲勞載荷的 薄弱環(huán)節(jié)，改善焊趾和焊根部位的疲勞性能將提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞性能。使用超 聲波沖擊、相變應(yīng)力及等離子噴涂等這些新技術(shù)可以大幅度地改善焊接結(jié)構(gòu)的疲 勞壽命，顯著降低焊接結(jié)構(gòu)破壞事故的發(fā)生幾率, 進(jìn)而節(jié)約焊接結(jié)構(gòu)的用鋼量和 資金，增加焊接結(jié)構(gòu)的安全裕度，防止因焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生意外疲勞破壞事故給國(guó)家 和人民財(cái)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失，因此具有廣闊的應(yīng)用前景及產(chǎn)生巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效 益的可能。 應(yīng)用領(lǐng)域：可以應(yīng)用到橋梁、采油平臺(tái)、船舶、飛機(jī)、機(jī)車(chē)車(chē)輛、壓力容器 及管道、水輪機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車(chē)制造等諸多領(lǐng)域。 

本項(xiàng)目涉及的是一種與大線能量焊接用鋼相配套的專(zhuān)用藥芯焊絲。近年，隨著構(gòu)件的大型化和大跨度化，為提高焊接施工效率和降低生產(chǎn)成本，諸如自動(dòng)氣電立焊、埋弧焊、電渣焊等大線能量焊接方法已相繼在造船、建筑、橋梁、石油化工、海洋結(jié)構(gòu)等制造領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 例如，在船舶制造中，焊接工時(shí)約占總工時(shí)的40%，焊接成本約占船舶制造成本的17%，日本造船行業(yè)從90年代初開(kāi)始應(yīng)用大線能量焊接技術(shù)后，焊接效率較傳統(tǒng)的多道次焊接提高近10倍，但是在大線能量焊接條件下，焊接接頭處的溫度升高、受熱時(shí)間增長(zhǎng)，導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)(HAZ) 晶粒組織粗化，會(huì)使力學(xué)性能尤其是沖擊韌性變差，為解決此問(wèn)題，日本在20年前就已采用氧化物冶金新技術(shù)研究開(kāi)發(fā)成功能夠承受400kJ/cm以上熱輸入的大線能量焊接造船鋼板，40至100mm厚度的鋼板可實(shí)現(xiàn)一道次焊接成形，使造船成本顯著降低、船舶建造周期大幅度縮短，但日本各鋼鐵公司對(duì)這項(xiàng)技術(shù)嚴(yán)格保密從不披露其工藝細(xì)節(jié)。在此背景下，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)和科研院校相繼開(kāi)展了大線能量焊接專(zhuān)用鋼的研究開(kāi)發(fā)，其中，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室同國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)合作已經(jīng)工業(yè)試制成功線能量大于400kJ/cm的 戰(zhàn)略石油儲(chǔ)罐用鋼（該項(xiàng)成果2013年獲冶金科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)）和EH40、EH36級(jí)船板用鋼，但是與這些大線能量焊接用鋼相配套的國(guó)產(chǎn)焊接材料此前鮮有研究開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用業(yè)績(jī)報(bào)道，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)所需的100-300kJ/cm 大線能量焊接專(zhuān)用藥芯焊絲幾乎全部從日本高價(jià)進(jìn)口，而能夠承受400kJ/cm以上線能量的高端藥芯焊絲日方處于某種戰(zhàn)略考量至今拒絕出口中國(guó)市場(chǎng)，為了改變這種長(zhǎng)期受制于人的被動(dòng)局面，東北大學(xué)RAL國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于前期大線能量焊接用鋼研發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)，近期已試制成功直徑1.0-1.6mm、焊接線能量100-500kJ/cm、適于氣電立焊的大線能量焊接專(zhuān)用藥芯焊絲，藥芯焊絲在線能量200～425kJ/cm的較大范圍內(nèi)，各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿(mǎn)足目前國(guó)內(nèi)常用船板的大線能量焊接要求，同樣有望滿(mǎn)足儲(chǔ)油罐鋼板的大線能量焊接要求。該焊絲除有望替代進(jìn)口、滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)造船企業(yè)和國(guó)家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備庫(kù)建設(shè)的大量需求外，還有望在海洋工程、石油化工、高層建筑和橋梁建造等眾多領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。

通過(guò)無(wú)損探傷、拉伸試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)和水壓爆破試驗(yàn)對(duì)采用該技術(shù)制備的接 頭進(jìn)行了完整性和力學(xué)性能檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果合格。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施一種5自由度簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人。簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人可以靠底座的四個(gè)腳輪方便地在工件周?chē)苿?dòng)。架體側(cè)面安裝有電磁吸盤(pán)，當(dāng)操作者指定一段焊縫時(shí)，機(jī)器人吸附在工件一側(cè)，機(jī)器人基座與工件保持相對(duì)固定。簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人具有5個(gè)自由度。三個(gè)移動(dòng)軸沿x、y和z方向可將末端工具送到不同的空間位置，而機(jī)器人末端的兩轉(zhuǎn)動(dòng)軸解決焊槍姿態(tài)調(diào)整的不同要求。x和y方向的移動(dòng)靠同步帶傳動(dòng)，z方向的移動(dòng)由梯形絲杠傳動(dòng)，在焊接一個(gè)平面特征時(shí)，z軸可自動(dòng)或由手工調(diào)節(jié)完畢，可不做位置控制。兩個(gè)手腕正交布局，且電機(jī)前置，縮短傳動(dòng)鏈，簡(jiǎn)化設(shè)備。機(jī)器人的末端設(shè)計(jì)有焊槍連接法蘭。其關(guān)鍵技術(shù)包括：直線/圓弧焊接特征的軌跡規(guī)劃、焊槍擺動(dòng)規(guī)劃、機(jī)器人控制技術(shù)。 簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人體積小、重量輕，移動(dòng)和安裝都很方便，可以連續(xù)工作并能提供穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人的焊接軌跡為比較規(guī)則的直線或者圓弧，主要用來(lái)滿(mǎn)足手工焊接和機(jī)器人自動(dòng)焊接中間的空白焊接需求。

本項(xiàng)目己列入江蘇省2017年科技廳重點(diǎn)研發(fā)資助項(xiàng)目，項(xiàng)目瞄準(zhǔn) 國(guó)際領(lǐng)先的美國(guó)SMC國(guó)際鐐合金集團(tuán)公司及Techalloy公司、瑞典伊薩 (ESAB)公司鐐基特種焊條產(chǎn)品，立足本土資源研發(fā)出可替代進(jìn)口產(chǎn)品 的國(guó)產(chǎn)化鐐基焊條。在研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)NiCrMo、NiCrFe兩大系列 鐐基焊條采用獨(dú)創(chuàng)熔渣設(shè)計(jì)思路,攻克了高鐐液態(tài)金屬熔點(diǎn)高、粘度大、 流動(dòng)性差、與熔渣相互粘合從而難于焊接成型及脫渣困難的技術(shù)難題。 研發(fā)出的產(chǎn)品焊縫成型良好、脫渣性好