工程機(jī)械行業(yè)焊接與切割應(yīng)用現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢

■ 王彩鳳，吳 月，張晉剛，徐春雷

隨著“中國制造2025”裝備制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的深入推進(jìn)，焊接智能化、激光切割和等離子下料復(fù)合加工等技術(shù)裝備在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用，促進(jìn)了產(chǎn)品更新?lián)Q代，使其功能更加完善，與國際先進(jìn)水平的差距逐漸減小。作為工程機(jī)械生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，焊接決定著工程機(jī)械整機(jī)的安全性、可靠性，并且隨著各種焊接裝備的智能化、自動化、數(shù)字化水平越來越高，高端工程機(jī)械市場將會涌現(xiàn)越來越多中國制造的身影。

一、工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與機(jī)遇

工程機(jī)械行業(yè)作為傳統(tǒng)行業(yè)是國家基礎(chǔ)工程發(fā)展的重中之重，任何工程的建設(shè)都離不開工程機(jī)械。在經(jīng)歷了自2011年以來市場需求持續(xù)下降，企業(yè)經(jīng)營難度較大，行業(yè)發(fā)展面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)的情況下，2016年下半年工程機(jī)械主要產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)營形勢獲得了改善，企業(yè)迎來了新一輪的發(fā)展機(jī)遇。行業(yè)發(fā)展階段已經(jīng)由量的增長轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)的提升。過去五年，我國工程機(jī)械企業(yè)積極應(yīng)對挑戰(zhàn)，加快推進(jìn)轉(zhuǎn)型升級，中國主流制造商已經(jīng)全面完成了中高端跨越。在國家有關(guān)政策的指導(dǎo)下，工程機(jī)械行業(yè)在健康持續(xù)發(fā)展的軌道上穩(wěn)步前進(jìn)。山推推土機(jī)（見圖1）也緊緊抓住了市場復(fù)蘇行情，蓄勢待發(fā)，迎接新一輪的挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對我國工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展中存在著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，高端產(chǎn)品、關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵配套件能力不足的局面，行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展目前應(yīng)以重大技術(shù)裝備、整機(jī)集成控制技術(shù)、整機(jī)可靠性與耐久性、智能化、節(jié)能減排、關(guān)鍵配套件及試驗(yàn)檢測為切入點(diǎn)，突破一批關(guān)鍵技術(shù)、核心部件，開發(fā)一批標(biāo)志性、帶動性強(qiáng)的重點(diǎn)產(chǎn)品和短板裝備，實(shí)現(xiàn)一批重大裝備的工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

借助國家“一帶一路”的東風(fēng)，促進(jìn)我國工程機(jī)械行業(yè)的不斷壯大，在引進(jìn)技術(shù)消化吸收的基礎(chǔ)上再創(chuàng)新和加快發(fā)展原始創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)追趕國際先進(jìn)水平和建設(shè)工程機(jī)械強(qiáng)國的中國夢指日可待。

圖1 整裝待發(fā)的推土機(jī)

二、工程機(jī)械行業(yè)焊接與切割應(yīng)用現(xiàn)狀

焊接與切割是制造業(yè)的基礎(chǔ)加工工藝，焊接與切割設(shè)備作為制造業(yè)中的重要設(shè)備，其自動化應(yīng)用隨著工業(yè)自動化的發(fā)展而飛速發(fā)展，特別是焊接機(jī)器人、智能化焊接電源、激光焊接設(shè)備、焊接專機(jī)等，提高了工程機(jī)械產(chǎn)品焊接質(zhì)量和產(chǎn)品的可靠性。

目前，工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件通常由板材件和鑄鋼件拼焊而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且焊縫密集，采用的材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。近年來高強(qiáng)鋼發(fā)展迅速，對屈服強(qiáng)度960MPa及以上級別的高強(qiáng)鋼需求趨勢明顯，對切割質(zhì)量提出了新的要求。

激光切割效率高、速度快、切割質(zhì)量好，中小功率激光切割機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)10mm以下板材切割，如圖2所示。等離子切割能夠?qū)穸容^大的板材進(jìn)行有效切割，切割速度快、切割面光潔、熱變形小，加工精度達(dá)到1mm以內(nèi)，相對于激光切割成本較低，用于5～25mm中厚板切割，如圖3所示。火焰切割生產(chǎn)投入小，加工厚度大，適合精度要求不高的板材件切割，如32mm全液壓推土機(jī)主機(jī)架側(cè)板的下料。

結(jié)構(gòu)件在焊接前需將板材件、鑄鋼件點(diǎn)固成一個整體，通常采用專用組對工裝和三維柔性工裝。專用組對工裝需要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、精度要求等專門設(shè)計，采用通用或?qū)Ｓ玫亩ㄎ粖A緊機(jī)構(gòu)滿足零部件定位準(zhǔn)確、夾緊牢靠的要求。三維柔性工裝配備各種定位的標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過快速銷栓連接，對于各種形狀的工件進(jìn)行快速精確的裝夾，減少了大量的專用組對工裝設(shè)計、制造時間，通用性強(qiáng)，重復(fù)利用率高，適合于產(chǎn)品多變和小批量生產(chǎn)的場合。

工程機(jī)械所涉及的焊接技術(shù)比較多，焊接方式有全自動焊、半自動焊和焊條電弧焊，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性多以CO2氣體保護(hù)焊、富氬焊、氬弧焊、埋弧焊和電阻焊為主。部分企業(yè)中厚板焊接采用HD—Pulse脈沖無飛濺技術(shù)高速焊接工藝，焊接飛濺降低90%，力學(xué)性能提升10%，獲得了良好的焊接質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著國內(nèi)用工成本的提高，工程機(jī)械行業(yè)對焊接質(zhì)量有著更高的要求，機(jī)器人自動焊接技術(shù)的應(yīng)用已趨于成熟并得到了廣泛的應(yīng)用，如圖4、圖5所示。焊接機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)過程中，具有高效性和連續(xù)性的發(fā)展特點(diǎn)。通過對焊接機(jī)器人的有效應(yīng)用，能夠在很大程度上降低工人勞動強(qiáng)度，并且能夠彌補(bǔ)人工焊接過程中可能出現(xiàn)的誤差問題。另外，焊接專機(jī)作為另一種自動化焊接技術(shù)更受到焊工的青睞，對于要求不高的焊縫結(jié)構(gòu)，如形式單一的長直焊縫，焊接效率高、質(zhì)量好且成本低。

圖2 激光切割

圖3 等離子中厚板切割

圖4 挖掘機(jī)履帶盒機(jī)器人焊接

圖5 推土機(jī)后橋箱機(jī)器人焊接

三、“十三五”期間行業(yè)發(fā)展對焊接與切割產(chǎn)品的需求

國家“十三五”規(guī)劃對我國裝備制造業(yè)提出“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開發(fā)、共享”的發(fā)展理念。電子技術(shù)計算機(jī)微電子的發(fā)展，極大推動了焊接自動化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。特別是數(shù)控技術(shù)、柔性制造技術(shù)和信息處理技術(shù)等單元技術(shù)的引入，促進(jìn)了焊接自動化技術(shù)革命性發(fā)展。未來的中國制造業(yè)面臨更加復(fù)雜、更有挑戰(zhàn)性、競爭更激烈的市場。

1.下料成形設(shè)備

薄板件切割采用激光下料，部分螺紋底孔可直接切割完成，中厚板以等離子切割為主，主要是效率高、下料精度高、切口質(zhì)量好。坡口加工方面，熱切割也逐步取代效率低的冷加工方式，下料和無鈍邊坡口工序有時可一次性完成。數(shù)控折彎機(jī)、卷板機(jī)、壓力機(jī)根據(jù)工藝要求將板材壓制成各種形狀，尺寸精度達(dá)到2mm以內(nèi)，從而滿足焊接組對要求。

2.焊接裝備

目前我國工程機(jī)械行業(yè)普遍使用自動和半自動CO2+Ar混合氣體保護(hù)焊，中厚板焊接采用φ1.2mm、φ1.6mm焊絲，例如推土機(jī)后橋箱和主機(jī)架。為適應(yīng)結(jié)構(gòu)件焊接技術(shù)的要求，采用合理的焊接工藝、焊接設(shè)備、焊接工裝夾具，成為結(jié)構(gòu)件焊接生產(chǎn)的顯著特點(diǎn)。低能耗的數(shù)字化IGBT逆變焊機(jī)已經(jīng)形成普遍推廣的勢頭，液壓組對專機(jī)針對大批量產(chǎn)品提出了解決方案，三維柔性組對工裝適應(yīng)了客戶多變產(chǎn)品的需求，自動化水平較高的焊接機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了柔性化生產(chǎn)，有效降低工人的勞動強(qiáng)度，滿足船型焊接需求，有效保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。

四、工程機(jī)械關(guān)鍵焊接與切割技術(shù)的發(fā)展趨勢

未來焊接與切割產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向是綠色化、數(shù)字化、智能化，最終落點(diǎn)始終是優(yōu)質(zhì)、高效焊接與切割技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和先進(jìn)焊接切割工藝、裝備的不斷突破。

高速光纖激光切割機(jī)擁有切割25mm碳鋼、30mm不銹鋼的能力，三維激光切割機(jī)相比機(jī)器人火焰切割機(jī)更適合薄板件的二次加工，智能、精細(xì)的等離子切割已成為與激光切割相媲美的先進(jìn)技術(shù)。智能套料系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)及信息共享，把計劃、工藝、排料、切割及管理等生產(chǎn)全過程集成為一體，提高了企業(yè)應(yīng)對多變產(chǎn)品的能力。板材切割機(jī)床由單一功能向切割、加工集成方向發(fā)展，車間布局將會由集群式向緊湊精簡型過渡。

工程機(jī)械行業(yè)主要使用焊絲進(jìn)行高效焊接，使用手工焊條的比例逐年下降。隨著鋼材品質(zhì)的提升及品種的完善，促進(jìn)焊接材料向高效、環(huán)保方向發(fā)展。無縫藥芯焊絲具有焊接熔敷速度快、生產(chǎn)效率高、抗冷裂紋性能好等優(yōu)點(diǎn)，是未來焊絲發(fā)展的趨勢。最近發(fā)展起來了多股復(fù)合焊絲，是一種全新理念的新型焊接材料，顛覆了人們對傳統(tǒng)焊材的認(rèn)識。焊接電弧屬于連續(xù)旋轉(zhuǎn)弧，對熔池進(jìn)行實(shí)時攪拌，飛濺相互抵消形成幾乎無飛濺的焊接過程，焊接煙塵減少60%以上。熔敷效率高，通過調(diào)整多股復(fù)合焊絲的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)2.5m/min的高速焊接（見圖6）。

數(shù)字化智能焊接電源是焊接質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素，其技術(shù)也從原來的模擬信號發(fā)展為數(shù)字化階段，提升了焊接參數(shù)的穩(wěn)定性，最終提升產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效率，同時能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制或監(jiān)控的智能化特點(diǎn)，很大程度上降低了工人對焊接參數(shù)的干預(yù)，為焊接信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。另外，激光跟蹤焊接系統(tǒng)，可實(shí)時識別焊縫位置及寬度，動態(tài)調(diào)整焊接參數(shù)、擺動參數(shù)及機(jī)器人焊接位置，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的激光跟蹤及自適應(yīng)焊接。厚板潛弧焊接新技術(shù)DArc，使用650A進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊，實(shí)現(xiàn)19mm厚板、不開坡口或小角度單邊坡口的單道全焊透焊接，與傳統(tǒng)氣保焊相比效率提高5倍。

中國工程機(jī)械消費(fèi)市場轉(zhuǎn)型升級正在日益加快，供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的步伐將會繼續(xù)加大。工程機(jī)械行業(yè)需順應(yīng)國際產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢跟蹤前沿技術(shù)發(fā)展動態(tài)，企業(yè)將加快焊接與切割技術(shù)的創(chuàng)新改善，更優(yōu)、更強(qiáng)的產(chǎn)品將陸續(xù)投放市場，滿足用戶對產(chǎn)品的需求。

圖6 多股復(fù)合焊絲