天津大學(xué)——煤機(jī)鋼結(jié)構(gòu)制造中的脈沖焊改造技術(shù)

1、附件1中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司新技術(shù)、新產(chǎn)品推薦書(shū) 技術(shù)（產(chǎn)品）名稱： 煤機(jī)鋼結(jié)構(gòu)制造中的脈沖焊改造技術(shù) 推薦單位： 天津大學(xué) （蓋章） 聯(lián) 系 人： 李桓 聯(lián)系電話：傳 真：郵 編： 300072 電子郵箱： lihuan 推薦等級(jí)： 重點(diǎn)推薦 中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司制年 月 日填 寫(xiě) 說(shuō) 明1、推薦書(shū)中單位名稱應(yīng)填寫(xiě)全稱并與其公章一致。2、屬于多家共有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，推薦時(shí)應(yīng)征得產(chǎn)權(quán)共有單位的一致同意。3、“技術(shù)（產(chǎn)品）名稱”：應(yīng)與鑒定證書(shū)或驗(yàn)收?qǐng)?bào)告的技術(shù)名稱相符。4、“技術(shù)（產(chǎn)品）來(lái)源”：在相應(yīng)內(nèi)劃“”，只能選一項(xiàng)；其他類似選項(xiàng)同此

2、。5、“技術(shù)（產(chǎn)品）指標(biāo)”：計(jì)量單位應(yīng)采用國(guó)家法定計(jì)量單位。6、“經(jīng)濟(jì)指標(biāo)”（1）“典型規(guī)?！敝笐?yīng)用單位較為實(shí)用并具代表性的技術(shù)應(yīng)用規(guī)模。以典型規(guī)模為例，列出該技術(shù)有關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。（2）“運(yùn)行費(fèi)用”包括管理費(fèi)、材料費(fèi)(含燃料動(dòng)力費(fèi))、維修費(fèi)、以及其他相關(guān)費(fèi)用等。7、“應(yīng)用實(shí)例”由應(yīng)用單位填寫(xiě)，對(duì)所填寫(xiě)的數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)，并加蓋公章。 8、“審查意見(jiàn)”申報(bào)單位申明一欄由單位法人簽字，其他由專家組填寫(xiě)。一、 單位基本情況推薦單位名稱天津大學(xué)法人代表龔克單位地址天津市南開(kāi)區(qū)衛(wèi)津路92號(hào)單位網(wǎng)址技術(shù)（產(chǎn)品）負(fù)責(zé)人李桓電 -Maillihuan單位屬性科研機(jī)構(gòu)

3、 設(shè)計(jì)單位 大專院校 企業(yè) 其它注冊(cè)時(shí)間注冊(cè)資金職工人數(shù)技術(shù)人員總數(shù)經(jīng)營(yíng)范圍單位簡(jiǎn)介：天津大學(xué)是教育部直屬國(guó)家重點(diǎn)大學(xué)，其前身為北洋大學(xué)，始建于1895年10月2日，是中國(guó)第一所現(xiàn)代大學(xué)，素以“實(shí)事求是”的校訓(xùn)和“嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)，嚴(yán)格教學(xué)要求”的治學(xué)方針享譽(yù)海內(nèi)外。1951年經(jīng)國(guó)家院系調(diào)整定名為天津大學(xué)，是1959年中共中央首批確定的16所國(guó)家重點(diǎn)大學(xué)之一，是“211工程”、“985工程”首批重點(diǎn)建設(shè)的大學(xué)。（如多家單位推薦可復(fù)制本頁(yè)）二、 技術(shù)（產(chǎn)品）基本情況技術(shù)（產(chǎn)品）名稱煤機(jī)鋼結(jié)構(gòu)制造中的脈沖焊改造技術(shù)產(chǎn)品型號(hào)、價(jià)格（元）申報(bào)單位天津大學(xué)技術(shù)（產(chǎn)品）來(lái)源國(guó)家計(jì)劃 省部計(jì)劃 其它組織驗(yàn)收單位時(shí)

4、間組織鑒定單位專利申請(qǐng)?zhí)栆?jiàn)國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)（產(chǎn)品）比較中的專利列表申請(qǐng)日期授權(quán)號(hào)專利屬性知識(shí)產(chǎn)權(quán)說(shuō)明自主共有轉(zhuǎn)讓試點(diǎn)應(yīng)用起始時(shí)間已列入政府部門(mén)推廣計(jì)劃計(jì)劃名稱計(jì)劃管理部門(mén)計(jì)劃年度注：如果沒(méi)有專利或沒(méi)有列入推廣計(jì)劃，相關(guān)內(nèi)容可不填。三、技術(shù)（產(chǎn)品）簡(jiǎn)介（技術(shù)原理，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，產(chǎn)品性能，應(yīng)用范圍及主要配置參數(shù)等）技術(shù)背景：煤炭是我國(guó)的主導(dǎo)能源，已經(jīng)成為重要的戰(zhàn)略資源。當(dāng)前，我國(guó)的煤炭采掘裝備遠(yuǎn)不能滿足大型煤礦安全與高效優(yōu)質(zhì)采煤的要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)裝備。以神華集團(tuán)為例，由于國(guó)產(chǎn)大型綜合采煤機(jī)液壓支架系統(tǒng)的質(zhì)量與壽命遠(yuǎn)不如德國(guó)的同類產(chǎn)品，不得不花巨資每年從德國(guó)進(jìn)口。國(guó)內(nèi)幾家大

5、型的綜合采煤機(jī)液壓支架制造廠，為了迅速提高國(guó)產(chǎn)裝備的質(zhì)量與技術(shù)水平，迫切希望國(guó)家支持有關(guān)單位幫助他們解決有關(guān)的技術(shù)關(guān)鍵，開(kāi)發(fā)出具有先進(jìn)水平的制造技術(shù)，以提高制造質(zhì)量與使用壽命。其中大型綜合采煤機(jī)液壓支架系統(tǒng)的焊接技術(shù)就是關(guān)鍵制造技術(shù)之一。液壓支架是典型的箱形焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，由底座、掩護(hù)梁與頂梁組成，其單件的寬度為1.5-1.8m，長(zhǎng)度為3.5-5m，一臺(tái)大型的液壓支架重達(dá)20多噸，一套由50多臺(tái)組成，總重達(dá)1000多噸。焊接制造成本占整個(gè)制造成本的70%。由此可見(jiàn)，焊接技術(shù)水平不僅影響到產(chǎn)品制造質(zhì)量而且對(duì)制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有重要的影響。當(dāng)前，我國(guó)大型綜合采煤機(jī)液壓支架的焊接基本采用人工直流氣體保

6、護(hù)焊，表現(xiàn)為焊接效率低、焊接質(zhì)量不可控，結(jié)構(gòu)尺寸誤差大、人工勞動(dòng)強(qiáng)度太大，為了增加產(chǎn)量，工人每天的工作時(shí)間達(dá)12小時(shí)以上，處于嚴(yán)重的疲勞作業(yè)狀態(tài)，焊接質(zhì)量難以保證。中部槽和各種規(guī)格的液壓缸體的焊接狀況也大致相同。近年來(lái)，脈沖電弧焊接技術(shù)在焊接領(lǐng)域發(fā)展迅速，在我國(guó)也是飛速發(fā)展，脈沖焊接具有熱輸入低、熔滴過(guò)渡穩(wěn)定、焊縫成型好、質(zhì)量可控等優(yōu)勢(shì)在國(guó)外先進(jìn)國(guó)際已被廣泛采用，而這種技術(shù)由于成本等技術(shù)原因在我國(guó)的應(yīng)用并不廣泛。國(guó)內(nèi)的眾多企業(yè)采用直流氣體保護(hù)焊接居多，本項(xiàng)目推薦的煤機(jī)鋼結(jié)構(gòu)制造中的脈沖焊改造技術(shù)，可以對(duì)傳統(tǒng)的焊接電源進(jìn)行改造，使傳統(tǒng)焊機(jī)成為可以輸出脈沖電流的脈沖焊機(jī)，采用本設(shè)備改造的脈沖焊機(jī)，

7、具有良好的調(diào)節(jié)性，同時(shí)該技術(shù)不需要大量改換生產(chǎn)線，具有“老樹(shù)發(fā)新枝”的功能。技術(shù)原理：要在直流焊機(jī)上實(shí)現(xiàn)脈沖直流電流的焊接，首先在硬件上需要開(kāi)發(fā)一個(gè)直流電焊機(jī)脈沖電流控制器，以達(dá)到直流脈沖焊中相關(guān)參數(shù)的給定與控制。如焊接電流峰值，焊接電流基值，脈沖頻率，占空比等。在本課題中開(kāi)發(fā)的脈沖控制器，以調(diào)節(jié)方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用為主要目的，采用“黑匣子”方式，接口簡(jiǎn)潔，可通過(guò)焊機(jī)的端子板和多種直流焊機(jī)方便地連接，如LINCOLN DC系列直流弧焊機(jī)（如DC-400、DC-600、DC-1000等）。該直流電焊機(jī)脈沖電流控制器已經(jīng)獲得了中國(guó)專利。（專利號(hào)：03257823.7）?？刂破髟碇绷麟姾笝C(jī)脈沖電流控制器

8、在經(jīng)過(guò)了數(shù)次設(shè)計(jì)方案的比較、調(diào)整后，最終采用了以單片機(jī)為核心的結(jié)構(gòu)。數(shù)字化結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如運(yùn)行可靠，參數(shù)的調(diào)整快捷、準(zhǔn)確，便于應(yīng)用數(shù)碼管等友好的人機(jī)界面。該控制器的功能原理圖，如圖2-1所示。直流電焊機(jī)脈沖電流控制器在單片機(jī)的控制下，按照直流脈沖埋弧焊的控制要求，生成頻率可調(diào)、占空比可調(diào)的脈沖控制信號(hào)，將峰值電流給定及基值電流給定，通過(guò)高速電子開(kāi)關(guān)送往受控制的直流自動(dòng)埋弧焊機(jī)外接端子板，并以遙控電流給定的方式控制電焊機(jī)的輸出電流。另外，在控制器上設(shè)置鍵盤(pán)及數(shù)碼管，以增強(qiáng)操作的方便性及直觀性?？刂破鞴δ芘c結(jié)構(gòu)直流電焊機(jī)脈沖電流控制器針對(duì)本課題試驗(yàn)的要求，以及在生產(chǎn)中靈活應(yīng)用的需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)

9、了如下的主要功能 恒定峰值焊接電流的控制輸出：該控制器可以始終向電焊機(jī)送出峰值電流控制信號(hào)。這樣便于生產(chǎn)、試驗(yàn)中對(duì)峰值電流的調(diào)節(jié)、給定進(jìn)行校準(zhǔn)，以及在其它焊接參數(shù)不變的情況下方便地單獨(dú)比較峰值電流的焊接效果。將這種電流控制輸出方式命名為控制模式1（MODE 1）。圖1 控制器功能原理圖 恒定基值焊接電流的控制輸出：該控制器可以始終向電焊機(jī)送出基值電流控制信號(hào)。與MODE 1的作用類似，這便于生產(chǎn)、試驗(yàn)中對(duì)基值電流的調(diào)節(jié)、給定進(jìn)行校準(zhǔn)，以及在其它焊接參數(shù)不變的情況下方便地單獨(dú)比較基值電流的焊接效果。將這種電流控制輸出方式命名為控制模式2（MODE 2）。 峰值-基值脈沖焊接電流的控制輸出：控制器

10、根據(jù)已設(shè)定的脈沖參數(shù)，向電焊機(jī)交替送出峰值電流控制信號(hào)和基值電流控制信號(hào)。以使直流自動(dòng)埋弧焊機(jī)在焊接電流輸出端形成符合相應(yīng)頻率要求的脈沖焊接電流。將這種電流控制輸出方式命名為控制模式3（MODE 3）。 直流埋弧焊中脈沖參數(shù)解耦合調(diào)節(jié)：直流埋弧焊中脈沖參數(shù)解耦合調(diào)節(jié)是指，當(dāng)調(diào)節(jié)某個(gè)脈沖參數(shù)的時(shí)候，調(diào)節(jié)行為不會(huì)對(duì)其它參數(shù)產(chǎn)生影響。這樣，使參數(shù)的調(diào)節(jié)簡(jiǎn)潔方便，同時(shí)，避免了在以模擬器件為主時(shí)為實(shí)現(xiàn)脈沖參數(shù)耦合所造成的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜的情況。 4位八段數(shù)碼管直觀地表示出脈沖控制器的運(yùn)行狀態(tài)：利用4位八段數(shù)碼管，對(duì)控制器的工作參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。其中前兩位表示脈沖頻率,設(shè)計(jì)范圍是0.199 Hz；后兩位

11、表示脈沖占空比, 設(shè)計(jì)范圍是5%95%。此外，利用占空比數(shù)碼管（第3，4位）的兩個(gè)空閑小數(shù)點(diǎn)，監(jiān)視脈沖控制器的脈沖輸出端，以這兩個(gè)小數(shù)點(diǎn)位的組合顯示，直觀地表示出脈沖控制器的運(yùn)行狀態(tài)（參見(jiàn)上述的三種焊接電流控制輸出狀態(tài)）。小數(shù)點(diǎn)位的組合顯示具體如下：MODE 1：第3位數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)常亮；MODE 2：第4位數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)常亮；MODE 3：第3、4位數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際脈沖控制參數(shù)交替閃亮。產(chǎn)品性能本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的脈沖控制器可以與普通直流焊機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)直流脈沖焊接，可以實(shí)現(xiàn)脈沖MIG、埋弧等多種焊接方法，這些脈沖方法與傳統(tǒng)的直流焊接方法相比具有 脈沖MIG焊是一種焊接質(zhì)量較高的熔化焊方法,

12、它的突出優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為:熔滴處于受控狀態(tài)下進(jìn)行,因而均勻可靠,飛濺很少,焊縫成型美觀;特別是這種焊接方法可以采用很寬的電流調(diào)節(jié)范圍,包括短路過(guò)渡到噴射過(guò)渡的所有電流區(qū)域,既能焊接厚板,也能焊接薄板,焊接薄板時(shí)與短路過(guò)渡比較有熔透性好、變形小、焊接效率高等特點(diǎn);采用脈沖電流后,可采用較小的平均電流進(jìn)行焊接,平均電流比GMAW焊時(shí)的連續(xù)電流噴射過(guò)渡的臨界電流低,因此母材的熱輸入量低,焊接變形小,適用于全位置焊接;熔滴過(guò)渡過(guò)程可控性比較強(qiáng)。因此它在生產(chǎn)上得到了重視,特別是自動(dòng)焊焊接時(shí)對(duì)焊接質(zhì)量和精度要求比較高的場(chǎng)合更是如此。脈沖埋弧焊接方法是天津大學(xué)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的焊接新工藝，該方法利用脈沖控制器使弧焊電

13、源呈脈沖式輸出，在脈沖電流作用下焊縫熔深可在平均電流相同條件下比非脈沖式埋弧焊增大，實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒，提高焊接接頭綜合力學(xué)性能的要求，顯著提高焊接質(zhì)量，滿足焊接工程上的高要求，為制造業(yè)特別是國(guó)家重點(diǎn)工程提供新的焊接方法。將脈沖埋弧焊方法推廣至工程應(yīng)用，可顯著提高重要焊接結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率，可創(chuàng)造積極的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，具有明確和廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)用范圍及主要配置參數(shù)在煤機(jī)制造行業(yè)，該技術(shù)可應(yīng)用于液壓支架、中部槽和各種規(guī)格的液壓缸體的焊接。應(yīng)用企業(yè)可以是北京煤機(jī)廠，張家口煤機(jī)廠，鄭州煤機(jī)廠。采用電流脈沖控制器調(diào)制埋弧焊焊接過(guò)程的焊接電流，獲得脈沖電流，實(shí)現(xiàn)普通鋼，合金鋼的脈沖埋弧焊焊接方

14、法，其特征在于脈沖電流參數(shù)可調(diào)節(jié)，有效的控制輸入熱量，改善熱影響區(qū)受熱情況；脈沖焊接電流直接產(chǎn)生電磁振蕩，增強(qiáng)了對(duì)熔池的攪拌作用，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，提高焊接接頭綜合力學(xué)性能；脈沖埋弧焊工藝可使焊縫得到較大的熔深（熔深基本上依脈沖電流幅值而定），又可控制總的平均焊接電流在較低的水平，消除了焊縫根部熔合不良等常見(jiàn)缺陷。本技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，使用的焊接電流平均值低于傳統(tǒng)的埋弧焊焊接電流值，其焊縫熔深較大，同時(shí)由于脈沖電流產(chǎn)生的振蕩作用，不但細(xì)化了晶粒，改善了熱影響區(qū)受熱情況，而且提高了焊接接頭的力學(xué)性能（特別是沖擊韌性），在不降低熔敷效率的前提下，提高了焊接質(zhì)量和焊接效率。利用本技術(shù)改造美國(guó)林肯電氣公

15、司無(wú)脈沖功能的v-300型弧焊電源，使用的焊絲為H08Mn2SiA焊絲，焊接速度為4.2m/min，脈沖電流為300A，基值電流為100A，脈寬比40，脈沖頻率為60Hz，焊接電流電弧電壓的波形見(jiàn)附圖2。脈沖埋弧焊電壓（上）、電流（下）波形（1.2mm焊絲，峰值電流Im=300A，基值電流Im=100A，頻率f=60Hz，脈寬比km=40%）圖2利用本技術(shù)改造美國(guó)林肯電氣公司無(wú)脈沖功能的v-300型弧焊電源輸出脈沖焊接電流電弧電壓的波形四、有關(guān)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)（經(jīng)過(guò)具有資質(zhì)的檢測(cè)部門(mén)認(rèn)可的性能指標(biāo)）本項(xiàng)目推薦的煤機(jī)鋼結(jié)構(gòu)制造中的脈沖焊改造技術(shù)，可以對(duì)傳統(tǒng)的焊接電源進(jìn)行改造，使傳統(tǒng)焊機(jī)成為可以輸出脈

16、沖電流的脈沖焊機(jī)，采用本設(shè)備改造的脈沖焊機(jī)，具有良好的調(diào)節(jié)性，同時(shí)該技術(shù)不需要大量改換生產(chǎn)線，具有“老樹(shù)發(fā)新枝”的功能。在保證焊接質(zhì)量的前提下提高焊接速度30%。詳見(jiàn)上海電氣集團(tuán)總公司，上海市焊接學(xué)會(huì)，上海市焊接協(xié)會(huì)的文章上海發(fā)電設(shè)備焊接技術(shù)進(jìn)展（一），刊于電焊機(jī)2005年35卷9期 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（典型規(guī)模下的單價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用、投資效益分析等）五、國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)（產(chǎn)品）比較（技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理等方面）脈沖焊接中的機(jī)頂盒技術(shù)及脈沖埋弧焊技術(shù)是天津大學(xué)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，已經(jīng)申請(qǐng)了6項(xiàng)專利并成功的應(yīng)用于上海鍋爐廠有限公司電站鍋爐膜式水冷壁焊接生產(chǎn)線的技術(shù)改造中，北京中電華強(qiáng)焊接工程技術(shù)有限公

17、司作為電站鍋爐膜式水冷壁焊接專機(jī)的生產(chǎn)廠家，在電站鍋爐膜式水冷壁焊接專機(jī)中把天津大學(xué)開(kāi)發(fā)的脈沖控制器作為標(biāo)準(zhǔn)配置，提升了該專機(jī)的技術(shù)含量和市場(chǎng)占有率，取得了明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外無(wú)該項(xiàng)技術(shù)。序號(hào)申請(qǐng)?zhí)枌＠Q1   03130011.1    脈沖埋弧焊焊接方法 2   00131566.8    脈沖熔化極氣體保護(hù)焊熔滴過(guò)渡的光譜控制法 3   200710150174.6    雙絲窄間隙交-直流脈沖協(xié)調(diào)

18、電弧焊方法 4   200910067856.X    一種抗干擾的雙絲交直流埋弧焊接方法 5   03257823.7    直流電焊機(jī)脈沖電流控制器 6   200720097810.9    雙絲交-直流焊接控制器 六、應(yīng)用情況應(yīng)用工程實(shí)例數(shù)上海鍋爐廠有限公司，北京中電華強(qiáng)焊接工程技術(shù)有限公司已銷售數(shù)量（臺(tái)/套）132脈沖埋弧焊技術(shù)在鍋爐膜式水冷壁焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用情況電站鍋爐膜式水冷壁的拼排焊接一般采用MPM(

19、氣體保護(hù)焊)和SAW(埋弧焊)，MPM方法具有變形小、焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，SAW方法具有工作環(huán)境優(yōu)、焊縫熔深深等優(yōu)點(diǎn)。上海鍋爐廠有限公司一直采用埋弧焊拼排法。為了在保證拼排焊縫熔深的同時(shí)不影響焊接速度，上海鍋爐廠有限公司對(duì)原有的埋弧焊設(shè)備進(jìn)行了改造，添加了天津大學(xué)開(kāi)發(fā)的脈沖裝置。拼排脈沖埋弧焊的工作原理是利用脈沖焊接電流產(chǎn)生電磁振蕩，使埋弧焊縫得到較大的熔深而且焊縫成形美觀。通過(guò)近一年的試生產(chǎn)，證明采用脈沖埋弧焊焊接扁鋼厚度小于等于6.5mm的膜式管屏?xí)r，焊接速度至少提高30；焊接扁鋼厚度小于等于9.5mm時(shí)，在一定的焊接速度條件下，扁鋼兩側(cè)不開(kāi)坡口，仍能滿足熔深要求。圖3為厚度9.5mm不開(kāi)坡口扁鋼焊后的外觀成形從試驗(yàn)結(jié)果看，焊縫外觀成形均能滿足廠標(biāo)SG0804及SG0147要求。圖3 脈沖埋弧焊根部熔深及表面成形北京中電華強(qiáng)焊接工程技術(shù)有限公司作為電站鍋爐膜式水冷壁焊接專機(jī)的生產(chǎn)廠家，在電站鍋爐膜式水冷壁焊接專機(jī)中配置了天津大學(xué)開(kāi)發(fā)的脈沖控制器，提升了該該專機(jī)的技術(shù)含量和市場(chǎng)占有率，取