3科技成果
3.1焊接材料
大型低温球罐钢焊接用电焊条的研发平台建设：该成果为天津市金桥焊材集团有限公司所有，年1月获天津市科技进步一等奖。通过该项目的建设，促进了公司理化检测中心的建设，目前投资约万元建成理化检测中心，有效提升公司的自主研发能力，增强队伍建设、体制建设能力，促进产学研用结合，加快新品研发。公司已申请各项专利多项，其中已授权78项；“特种焊材研发生产基地项目”已被天津市选为第10批20项重大工业项目。
CHW-S7CG/CHF26H埋弧横焊焊丝焊剂组合：该成果为四川大西洋焊接材料股份有限公司所有，年8月获科学技术部国家重点新产品。该成果是按照国家发改委大型原油储罐高强钢板和配套焊接材料国产化攻关小组的工作要求而完成，为了实现该类焊接材料国产化而独立研究开发的新型焊接材料。该科技成果通过对焊剂成份的优化设计和焊缝金属微量元素的控制，满足10万方及以上大型原油储罐等领域高强钢横焊焊接要求，其部分技术性能优于进口焊接材料水平。产品的成功研制扭转了国内大型石油储罐建设用焊接材料依赖进口的局面，实现国产化。
陶瓷及其与金属的连接：该项目为清华大学机械工程系所有，获得国家自然科学基金和航天基金资助，完成七五、九五攻关、企业项目，在国内外学术刊物发表相关论文40多篇，研究成果应用于汽车发动机陶瓷挺柱的制造、高气密性真空器件的制造等。采用活性合金加陶瓷颗粒组成的复合钎料、原位生成金属间化合物和含金属间化合物钎料、离子注入陶瓷表面、接头结构与材料的优化等技术途径，提高陶瓷钎焊接头的强度和耐热性、减小陶瓷钎焊接头应力和变形、提高接头的可靠性，实现高强度、耐高温、低应力的陶瓷及其与金属的钎焊接头；通过陶瓷表面化学镀的方法在低于℃的温度下实现功能陶瓷的连接。
绿色焊接技术研究及应用示范：该成果为郑州机械研究所所有，年10月获中国机械工业科学技术一等奖。在水泥行业，针对水泥磨辊压机挤压辊的磨损机理及运行工况特点，研发出ZD系列耐磨堆焊焊丝和焊条，成功解决了辊压机挤压辊的磨损，并可根据物料不同的易磨性提供耐磨材料以解决磨损。该系列材料广泛应用于水泥企业。在冶金和矿山行业，TM55、TM65、TN65等耐磨焊条和MD系列耐磨焊丝用于各企业，使用性能在同类产品中处于领先地位，取得良好经济效益。
3.2焊接工艺及设备
蛇形管自动化焊接生产线：该成果为北京中电华强焊接工程技术有限公司所有。年3月获北京市科学技术三等奖，属先进制造领域，是多学科集成创新产品。该项目拥有一项发明专利“弯管机及其卡紧机构”和一项实用新型专利“弯管模具”。技术创新点：整线为流水线模式，生产效率高，极大节约人工和管理成本。主要设备有数控双向双R顶镦弯管机、直管对接机及小R挤压精整机等；数控双向双R顶镦弯管机无需翻身机构，即可实现连续弯制双向双R的蛇形管排，提高工作效率；独立设计的顶镦机构，采用液压伺服系统控制，可根据工艺要求设定不同的顶鐓压力，并可按角度进行设定，从而更好保证弯头处的减薄量和椭圆度。直管对接机应用热丝TIG焊接工艺，实现一次探伤合格率达99.8%以上，焊接效率为冷丝TIG焊的一倍。小R挤压精整机油缸的受力作用在相对的模具上，重要受力部件作用力全都内部消化，在自重减轻之后，仍可实现精整力吨、挤压力60吨的技术指标；小R挤压精整机挤压过程中背压模具可横向浮动，不会造成弯头横向变形，挤压侧模可保护到挤压后的半径位置，内径有直段保护，对薄壁管的挤压也不会变形。
水下焊接与切割技术：该成果为哈尔滨工业大学（威海）所有。该成果来源于该单位承担的国家、、国际科技合作、国家自然科学基金、工信部等10余项科研项目。成果指标如下：低合金钢水下焊条，最大水深30m，屈服强度MPa，抗拉强度MPa~MPa。奥氏体不锈钢水下焊条，最大水深30m，屈服强度MPa，抗拉强度MPa~MPa。低合金钢水下药芯焊丝，最大水深m，屈服强度MPa，抗拉强度MPa。水下电氧切割，电极：最大水深60m，切割长度mm（E40，20mm厚）；水下湿法焊接设备：水下焊接切割电源、送丝系统、焊炬、割炬、控制系统等。形成水下湿法焊接切割技术系列化成果。该成果分别在港珠澳大桥工程、胜利油田海上采油平台修复等领域得到实际应用。目前正致力于开展面向核电修复的水下焊接技术研究工作（图22、图23、图24和图25）。
图22水下焊接作业
图23海上采油平台修复
图24港珠澳大桥工程
图25沉船打捞扳正桩头
航天器舱体结构变极性等离子弧穿孔立焊关键技术与应用：本成果为北京工业大学机械工程与应用电子学院所有。成果面向我国载人航天工程，主要根据长寿命、高可靠大型空间飞行器铝合金密封舱体结构高精度和高可靠制造需求，开发完成铝合金大型薄壁壳体焊接成套技术解决方案。在设备、工艺、应用上均取得实质性突破，形成授权国家发明专利14项、实用新型18项、软件著作权1项，获年国家科技进步二等奖，主要技术突破如下：（1）首次提出并设计自均流型双变压器逆变主电路和全负载软开关控制电路，提高电源容量并保证可靠性；（2）率先采用“电压+电流”脉冲联合稳弧技术和消除双弧技术，保证焊接电弧稳定性（图26）；（3）原创性建立表征穿孔熔池稳定性的“空心沙漏”模型，通过电流波形与离子气协同调制，拓宽变极性等离子弧在薄板铝合金焊接的适应性；（4）设计开发变极性等离子弧专用焊接机头，机器回路和人在回路结合，实现宏、微融合，满足变极性等离子弧立焊的高定位精度的工程需求；（5）提出并实现了铝合金大型薄壁壳体焊接成套技术优化方案，研制铝合金大型薄壁壳体变极性等离子弧焊接成套装备，保证封闭曲线焊缝全过程稳定穿孔焊接，显著减少焊接变形和焊接缺陷（图27）。变极性等离子弧自动化焊接系统在9年成功用于“天宫一号”主体结构焊接，保证天宫一号、新型运载火箭等国家重大工程项目关键构件焊接制造顺利实施，为我国空间交会对接试验顺利实施做出贡献。
图26ZFL-2立式纵缝自动焊机
图27变极性等离子弧焊接系统
高强钢三明治板激光焊接制造：本成果为上海交通大学所有。高强钢三明治板具有比刚度大、比强度高、吸能抗冲击等显著优势，在解决结构轻量化的同时，提高了结构的安全性。在国家自然科学基金重点项目（项目编号No.54））资助下，开展了高强钢三明治板激光焊接制造研究，建立新方法与新技术（图28）。测试表明：高强钢三明治板（BS，L1H60t5s）同重量条件下，其刚度比实心板提高约50倍；并在甲板、隔舱、上层建筑、登陆桥等舰船结构中具有广阔应用前景，可极大降低舰船重量，节约舰船空间。研究成果发表论文42篇，申请专利11项。
图28高强钢三明治板激光制造过程及力学试验
机器人集成及系统装备研发：本成果为上海交通大学所有。通过对成套焊接技术装备的系统集成与二次开发，采用模块化设计，实现机械、电气到控制软件的自主创新和工程化应用。图29和图30分别显示了汽车零部件机器人柔性化点焊/弧焊生产线和汽车车身轻量化高效焊接工艺系统集成（FDS，SPR）。同时，研发的绝缘箱机器人自动填充生产线采用组合式物流控制，包括负压管道输送、分流配方管理、全封闭式填充和自动清粉等多项新技术，生产效率高，维修方便，无污染，如图31所示。生产线已通过法国GTT认证，并正式投入生产。
图29汽车零部件机器人柔性化点焊/弧焊生产线系统集成
图30汽车车身轻量化高效焊接工艺系统集成（FDS，SPR）
图31LNG绝缘箱机器人生产线系统集成
重型船艉桨舵液压工作车安装平台系统：本成果为上海交通大学所有。为满足国内船舶工业的制造吨位大、生产周期短、操作规范安全的需求，平台系统提高了中国船舶制造技术在国际上的竞争力，改变了国内船舶制造中桨舵安装设备长期依赖进口的现状。图32展示了所研发的重型船艉桨舵液压工作车安装平台系统。该系统已在沪东中华造船集团有限公司、浙江金海重工股份有限公司、大连船舶重工、青岛北海船舶重工、浙江欧华造船有限公司和山海关造船重工有限责任公司等多家大型船舶制造企业得到成功应用，完成了10余套平台系统的设计制造。该平台的使用，大大缩短船舶桨/舵的安装周期，真正体现了船舶桨/舵安装的高效性和安全性。
图32重型船艉桨舵液压工作车安装平台系统
汽车白车身激光焊接生产线：本成果为武汉法利莱切焊系统工程有限公司所有。生产线采用光纤激光器，配以相应的导光系统、机器人、工装夹具、车身输送线、控制系统等进行激光焊接技术开发，对轿车大型车身件（顶盖与侧围）可激光焊接，研究实用化的激光焊接关键技术、工艺、质量检验与控制措施，并将各加工制造系统有机集成，实现在线生产，满足生产要求。通过焊装夹具、顶盖夹具、龙门架及地板夹具的设计，焊接工位通过浮动工装再次定位顶盖Z向形面，可保证顶盖与车身焊缝位置和间隙。同时，降低焊接应力减少焊后变形，利用车身自身重量牢牢支撑在地板夹具上，保证Z轴定位准确。再用一个圆柱销和一个棱形销两点定位，保证X、Y轴的方向精度，以便于焊接线路的准确性。位于车尾处的龙门架则用于放置送丝机、焊丝预热系统及其冷却系统。两侧的龙门架内侧设计了四个定位压块，用于工装夹具定位，使夹具放置在车身上稳定定位。激光焊接可以实现两块钢板之间的冶金结合，减少搭接宽度，压缩车身结构件体积，减少车身重量，把传统点焊变成连续焊接，提升车身强度30%，降低热变形，极大提高车身结合精度。
一种连续长焊缝移动送进搅拌摩擦焊技术：本成果为中国科学院沈阳自动化研究所持有。本成果是一种基于辊轮驱动原理的连续长焊缝移动送进搅拌摩擦焊技术。其移动送进工装主要包括基体、主动辊机构、从动辊机构、背部支撑机构和上侧压紧机构等（图33）。上侧压紧机构安装于主机头上，且包围搅拌头。焊接时与背部支撑机构共同对工件施加厚度方向的装卡限位；主动辊和从动辊沿焊接方向分布于搅拌头的前方和后方，二者靠近上侧压紧机构，对工件施加焊接方向的装卡限位并提供移动驱动力（图34）。焊接时，主机头带动搅拌头高速旋转，插入被焊工件。工装主动辊带动从动辊旋转，驱动工件沿焊接方向移动送进，与高速旋转的搅拌头发生相对运动，从而实现长焊缝连续移动送进搅拌摩擦焊接（图35）。工装结构简单紧凑，稳定可靠，占地空间小，制造成本低，工件装卡简单，极大提高焊接生产效率。原则上，采用这一工艺方法，可以实现任意长度长焊缝的低成本、高质量、高效率的连续搅拌摩擦焊接。
图33移动送进工装结构
图34移动送进工装实物
图35平板长焊缝超高转速低载荷搅拌摩擦焊技术：本成果为中国科学院沈阳自动化研究所持有。随着我国制造业的发展，越来越多的现场焊接制造及就位维护维修都对FSW这一高质量的焊接技术提出迫切应用需求，从而要求焊接设备具有更小的体积和重量。要想研制出这样的小型化FSW设备，首要条件就是要从工艺角度降低焊接载荷，即研发出低载荷FSW工艺。超高转速FSW（焊具转速超过r/min）是减小被焊材料变形抗力、降低FSW载荷的有效手段。本成果基于FSW过程的材料流动机理，研发专用焊具，成功在0r/min以上的超高转速下实现铝合金板材的高质量搅拌摩擦焊接，获得优质焊缝成形和优异的接头力学性能。拉伸测试结果显示，接头拉伸时断在焊缝外侧母材区，其拉伸性能达到与母材等强水平。载荷测量结果显示，超高转速条件下，焊接轴向压力和主轴扭矩可达1.2kN和5.7Nm，分别仅为常规FSW时测量结果的1/5和1/8，焊接载荷显著下降（图36）。
图r/min高转速下焊缝表面成形及接头拉断试样
焊接智能化办公系统：本成果为南京聚英信息技术有限公司所有。是集焊接技术、人员测评、机构管理为一体的专业办公软件。可以针对不同行业的实际焊接生产要求和产品执行标准专门设计开发。系统采用专家系统、数据库和网路信息化技术，建立了底层健全的数据流、知识库、模型库，可以根据企业需求量身定做，各个系统之间可以灵活组合，实现企业焊接智能化办公。该系统包括：焊接工艺评定系统，焊工技能评定系统，焊工考试题库及管理系统，焊接智能化办公系统，焊接基础数据库系统，焊接知识获取与管理系统，焊接工艺自动设计系统，焊接材料及工时定额系统。本成果历经5年开发，量身定制智能化焊接办公系统，具有独立自主的知识产权，不仅可以完善焊接数据和知识共享平台、促进焊接数据积累和知识传承，且可推进企业焊接数字化发展进程。系统已在航空、航天、造船、石油化工、重型机械、工程机械及钢结构等行业成功应用。
焊接数字化系统：本成果为南京航空航天大学所有。本成果采用有限元技术研究焊接热过程、应力应变及凝固裂纹预测方法；利用人工神经元网络、MonteCarlo、元胞自动机、相场法等对焊接接头力学性能及组织进行多尺度模拟和预测。利用长期积累的焊接数据、知识和模型，为航空、航天、锅炉、机电、油田建设、工程机械、船舶制造等各个领域设计专用数据库和专家系统，为焊接企业提供各种复杂焊接结构缺陷、应力和变形模拟分析。该系统功能包括：焊接基础数据库共享平台，焊接专家系统，焊接热过程、应力、应变、变形模拟和预测，焊接接头力学性能预测，焊接组织模拟与预测，焊接模拟软件二次开发和设计，焊接过程监测和管理，焊接工程专用软件设计。课题组先后承担多项国家自然基金项目。实现熔池凝固组织形貌、晶粒生长和焊缝固态相变组织模拟和预测，建立钢材和钛合金焊接组织模拟平台，缩短组织模拟与实际应用距离。如图37为焊缝及热影响区晶粒生长蒙特卡罗模拟。图38为焊接熔池枝晶生长元胞自动机模拟。课题组针对不同行业需求，结合不同标准进行焊接工程专用软件设计，包括焊接数据库系统，焊接专家系统，焊接CAPP系统，焊接工艺评定系统，焊工档案和资质管理系统，焊工培训和焊工考试系统等。
图37焊缝及热影响区晶粒生长模拟图38焊接熔池枝晶生长元胞自动机模拟
3.3切割设备
大尺寸钣金件高功率激光高效高质复杂廓形切割技术与系列装备：本成果为大族激光科技产业集团股份有限公司所有。该系列装备采用双驱高速高精度同步运行和Z轴配重滑枕技术，解决了大尺寸三维钣金件高速切割加工难题。实现了双驱动高速高精度同步稳定运行和智能连线控制。配套料库和上下料装置结合生成管理软件，提高了自动化程度和生产效率。研制了高速大行程回转夹头、组合匹配自动上下料装置、管材辅助支撑装置和切管软件，解决了异型管复杂截面的柔性切割难题，提高了切割质量和效率。研制的高架龙门式大幅面高精度三维五轴联动光纤切割床、多机联动自动化光纤激光切割生产线、自动化光纤激光切管机和高速高功率光纤激光切割机，初步建立了二维和三维切割工艺数据库，解决了复杂廓形厚板高质量切割及薄板切割技术难题。
大尺寸钣金件高功率激光切割、焊接基础部件：本成果为大族激光科技产业集团股份有限公司所有。其采用水、气、光密封无限旋转技术，抗电磁干扰的多路电信号无限旋转技术，解决了高速高精度无限旋转技术难题。研发了高功率激光焊接等离子体和金属蒸气强光干扰技术，解决了高功率激光焊接在线视觉监测和高速焊缝跟踪遇到的强光干扰问题，满足高功率激光焊接稳定性的要求。通过高通光、高效热管理、高均匀稳定气流分布、高密封性技术，解决了高功率激光加工头稳定性难题，成功开发了高功率激光加工头。研制的首台高功率高精度三维五轴联动激光加工头，首套高功率焊接在线集成视觉监测，实时焊缝跟踪修正系统，形成以三维五轴联动激光切割机床和激光焊接系统组成的激光切割焊接设备。实现了产业化应用。
数控钻铣、等离子坡口切割复合机：本成果为江苏博大数控成套设备有限公司所有。BODA数控钻铣等离子坡口切割复合机如图39所示，加工样件如图40所示。该设备广泛应用于电力、桥梁、汽车等行业中厚板带孔零件的加工，设备集冷、热加工为一体，可根据需要选配部件实现多重功能：钻孔、攻丝、划线、等离子/火焰切割、轮廓切割、坡口切割等，一次装夹即可完成钻孔、铣面、切割等多道工序，实现跨平台多功能集成，减少辅助工序时间，降低劳动强度，提高产品精度和生产效率。该设备为有带孔零件加工的企业需要定制，实现多工序一体化，将切割工艺与生产流程中的其他工序有机结合，提高生产效率，减少生产工序，有效降低人工成本。
图39数控钻铣等离子坡口切割机
图40采用钻切复合机加工的样件复合式数控相贯线切管机：本成果为江苏博大数控成套设备有限公司所有。BODA复合式数控相贯线切管机如图41所示。一些典型的应用对象如图42所示。BODA复合式数控相贯线切割机是新型数控管相贯线切管机，主要用于圆管、方管、矩形管、异型管的切割加工。通过数控系统控制，可在管上切割任意形状的曲线。配备火焰、等离子，可以方便切割碳钢管、不锈管及铝管。该设备创新采用双卡盘结构，搭载在固定机架上异步夹紧、同步驱动；数控系统七轴联动，带有外部遥控工作站；功能强大，操作方便；切割程序采用3D软件建模，整机界面友好，功能齐备，所见即所得。图41复合式数控相贯线切管机
图42典型应用对象
小型数控切割机（ZNC型）：该成果为上海正特焊接器材制造有限公司所有。是综合大型龙门式切割机的切割精度和半自动切割小车、仿形切割机小巧灵活优点而发展的新型悬臂结构式智能化钢板切割设备。本成果已先后突破横向切割1.5米、2.1米，现已达到2.3米；纵向切割可无限延长的最大有效切割面积。ZNC系列小型数控切割机采用专业数控机控制，通过数字控制系统编程对复杂二维图形零件进行直接切割，并能精准控制执行电机获得很高的切割精度。也可将CAD图形通过USB接口输入后直接作业，并能实现智能化套料切割，取代人工放样画线，大幅提高生产效率和原材料利用率。ZNC系列小型数控切割机可快速拆分和组合导轨底座、横臂、切割车三大部件，仅依靠人力或轻便简单移运设备实现快速搬运。切割时设备不用打地基，也不用采取其他固定辅助措施。可直接放在地上，也可放于切割台上，或直接放在被切割钢板上直接切割，不受固定作业场地限制。可直接使用切割气体火焰切割，或配上等离子切割设备进行等离子切割，以实现碳钢板、不锈钢板、铜铝等有色金属不同板材进行切割零件和下料。
4结束语
焊接专利及科技成果无疑是我国焊接自主创新技术的晴雨表，掌握高端焊接技术核心知识产权是我国由焊接产业大国向焊接产业强国迈进的关键必要条件。作为焊接企业、研发机构及焊接科技人员，这是不可推卸的历史使命。《中国制造》为科研人员指出我国未来自主创新方向，《“十三五”国家科技创新规划》制定了未来5年的奋斗目标。我国正处在向创新型国家转型的关键时期。
中国焊接协会将以展示区的成功举办为契机，总结经验与不足，努力为行业和焊接企业提供高质量的焊接专利与科技鉴定展示成果，细化展板设计和提高《展示区科技成果汇编》质量，提高服务水平，给企业、大学、研究院等广大焊接科技人员、专利成果的自由研发者提供一个展示焊接专利和推广科技成果的舞台。为我国焊接产业的转型升级做出有益的贡献。
焊接专利和科技成果展示区得到成果发布企业，焊接行业各界人士和中国机械工程学会及北京?埃森展组委会的大力支持，在此表示由衷感谢！
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