天津大学煤机钢结构制造中的脉冲焊改造技术.doc

附件1

中国中煤能源集团有限公司
新技术、新产品推荐书

技术（产品）名称： 煤机钢结构制造中的脉冲焊改造技术
推荐单位： 天津大学 （盖章）
联 系 人： 李桓
联系电话：
传 真：
邮 编： 300072
电子邮箱：
推荐等级： 重点推荐

中国中煤能源集团有限公司制

年 月 日
填 写 说 明

1、推荐书中单位名称应填写全称并与其公章一致。
2、属于多家共有知识产权的技术，推荐时应征得产权共有单位的一致同意。
3、“技术（产品）名称”：应与鉴定证书或验收报告的技术名称相符。
4、“技术（产品）来源”：在相应□内划“√”，只能选一项；其他类似选项同此。
5、“技术（产品）指标”：计量单位应采用国家法定计量单位。
6、“经济指标
（1）“典型规模”指应用单位较为实用并具代表性的技术应用规模。以典型规模为例，列出该技术有关经济指标。
（2）“运行费用”包括管理费、材料费(含燃料动力费)、维修费、以及其他相关费用等。
7、“应用实例”由应用单位填写，对所填写的数据负责，并加盖公章。
8、“审查意见”申报单位申明一栏由单位法人签字，其他由专家组填写。

一、 单位基本情况

推荐单位名称
天津大学
法人代表
龚克
单位地址
天津市南开区卫津路92号
单位网址

技术（产品）负责人
李桓
电 话

传真

E-Mail

单位属性
□科研机构 □设计单位 √大专院校 □企业 □其它
注册时间

注册资金

职工人数

技术人员总数

经营范围

单位简介：
天津大学是教育部直属国家重点大学，其前身为北洋大学，始建于1895年10月2日，是中国第一所现代大学，素以“实事求是”的校训和“严谨治学，严格教学要求”的治学方针享誉海内外。1951年经国家院系调整定名为天津大学，是1959年中共中央首批确定的16所国家重点大学之一，是“211工程”、“985工程”首批重点建设的大学。

（如多家单位推荐可复制本页）
二、 技术（产品）基本情况

技术（产品）名称
煤机钢结构制造中的脉冲焊改造技术
产品型号价格（元）

申报单位
天津大学
技术（产品）来源
□国家计划 □省部计划 √其它
组织验收单位

时 间

组织鉴定单位

专利
申请号
见国内外同类技术（产品）比较中的专利列表
申请日期

授权号

专利属性

知识产权说明
√自主
□共有
□转让
试点应用
起始时间

已列入政府部门推广计划
计划名称
计划管理部门
计划年度

注：如果没有专利或没有列入推广计划，相关内容可不填。

三、技术（产品）简介
（技术原理，结构特点，产品性能，应用范围及主要配置参数等）

技术背景：
煤炭是我国的主导能源，已经成为重要的战略资源。当前，我国的煤炭采掘装备远不能满足大型煤矿安全与高效优质采煤的要求，远远落后于德国、英国、美国等先进国家的技术装备。以神华集团为例，由于国产大型综合采煤机液压支架系统的质量与寿命远不如德国的同类产品，不得不花巨资每年从德国进口。国内几家大型的综合采煤机液压支架制造厂，为了迅速提高国产装备的质量与技术水平，迫切希望国家支持有关单位帮助他们解决有关的技术关键，开发出具有先进水平的制造技术，以提高制造质量与使用寿命。其中大型综合采煤机液压支架系统的焊接技术就是关键制造技术之一。
液压支架是典型的箱形焊接结构产品，由底座、掩护梁与顶梁组成其单件的宽度为1.5-1.8m，长度为3.5-5m，一台大型的液压支架重达20多吨，一套由50多台组成，总重达1000多吨。焊接制造成本占整个制造成本的70%。由此可见，焊接技术水平不仅影响到产品制造质量而且对制造企业的经济效益有重要的影响。当前，我国大型综合采煤机液压支架的焊接基本采用人工直流气体保护焊，表现为焊接效率低、焊接质量不可控，结构尺寸误差大、人工劳动强度太大，为了增加产量，工人每天的工作时间达12小时以上，处于严重的疲劳作业状态，焊接质量难以保证。中部槽和各种规格的液压缸体的焊接状况也大致相同。
近年来，脉冲电弧焊接技术在焊接领域发展迅速，在我国也是飞速发展，脉冲焊接具有热输入低、熔滴过渡稳定、焊缝成型好、质量可控等优势在国外先进国际已被广泛采用，而这种技术由于成本等技术原因在我国的应用并不广泛。国内的众多企业采用直流气体保护焊接居多，本项目推荐的煤机钢结构制造中的脉冲焊改造技术，可以对传统的焊接电源进行改造，使传统焊机成为可以输出脉冲电流的脉冲焊机，采用本设备改造的脉冲焊机，具有良好的调节性，同时该技术不需要大量改换生产线，具有“老树发新枝”的功能。
技术原理：
要在直流焊机上实现脉冲直流电流的焊接，首先在硬件上需要开发一个直流电焊机脉冲电流控制器，以达到直流脉冲焊中相关参数的给定与控制。如焊接电流峰值，焊接电流基值，脉冲频率，占空比等。
在本课题中开发的脉冲控制器，以调节方便，经济实用为主要目的，采用“黑匣子”方式，接口简洁，可通过焊机的端子板和多种直流焊机方便地连接，如LINCOLN DC系列直流弧焊机（如DC-400、DC-600、DC-1000等）。
该直流电焊机脉冲电流控制器已经获得了中国专利。（专利号：03257823.7）。
控制器原理
直流电焊机脉冲电流控制器在经过了数次设计方案的比较、调整后，最终采用了以单片机为核心的结构。数字化结构具有很多优点，如运行可靠，参数的调整快捷、准确，便于应用数码管等友好的人机界面。
该控制器的功能原理图，如图2-1所示。
直流电焊机脉冲电流控制器在单片机的控制下，按照直流脉冲埋弧焊的控制要求，生成频率可调、占空比可调的脉冲控制信号，将峰值电流给定及基值电流给定，通过高速电子开关送往受控制的直流自动埋弧焊机外接端子板，并以遥控电流给定的方式控制电焊机的输出电流。
另外，在控制器上设置键盘及数码管，以增强操作的方便性及直观性。
控制器功能与结构
直流电焊机脉冲电流控制器针对本课题试验的要求，以及在生产中灵活应用的需要，设计并实现了如下的主要功能
⑴ 恒定峰值焊接电流的控制输出：
该控制器可以始终向电焊机送出峰值电流控制信号。这样便于生产、试验中对峰值电流的调节、给定进行校准，以及在其它焊接参数不变的情况下方便地单独比较峰值电流的焊接效果。
将这种电流控制输出方式命名为控制模式1（MODE 1）。

图1 控制器功能原理图
⑵ 恒定基值焊接电流的控制输出：
该控制器可以始终向电焊机送出基值电流控制信号。与MODE 1的作用类似，这便于生产、试验中对基值电流的调节、给定进行校准，以及在其它焊接参数不变的情况下方便地单独比较基值电流的焊接效果。
将这种电流控制输出方式命名为控制模式2（MODE 2）。
⑶ 峰值-基值脉冲焊接电流的控制输出：
控制器根据已设定的脉冲参数，向电焊机交替送出峰值电流控制信号和基值电流控制信号。以使直流自动埋弧焊机在焊接电流输出端形成符合相应频率要求的脉冲焊接电流。
将这种电流控制输出方式命名为控制模式3（MODE 3）。
⑷ 直流埋弧焊中脉冲参数解耦合调节：
直流埋弧焊中脉冲参数解耦合调节是指，当调节某个脉冲参数的时候，调节行为不会对其它参数产生影响。这样，使参数的调节简洁方便，同时，避免了在以模拟器件为主时为实现脉冲参数耦合所造成的电路设计复杂的情况。
⑸ 4位八段数码管直观地表示出脉冲控制器的运行状态：
利用4位八段数码管，对控制器的工作参数及工作状态进行监视。其中前两位表示脉冲频率,设计范围是0.1~99 Hz；后两位表示脉冲占空比, 设计范围是5%~95%。
此外，利用占空比数码管（第3，4位）的两个空闲小数点，监视脉冲控制器的脉冲输出端，以这两个小数点位的组合显示，直观地表示出脉冲控制器的运行状态（参见上述的三种焊接电流控制输出状态）。小数点位的组合显示具体如下：
MODE 1：第3位数码管小数点常亮；
MODE 2：第4位数码管小数点常亮；
MODE 3：第3、4位数码管小数点根据实际脉冲控制参数交替闪亮。

产品性能
本项目开发的脉冲控制器可以与普通直流焊机连接，实现直流脉冲焊接，可以实现脉冲MIG、埋弧等多种焊接方法，这些脉冲方法与传统的直流焊接方法相比具有
 脉冲MIG焊是一种焊接质量较高的熔化焊方法,它的突出优点表现为:熔滴处于受控状态下进行,因而均匀可靠,飞溅很少,焊缝成型美观;特别是这种焊接方法可以采用很宽的电流调节范围,包括短路过渡到喷射过渡的所有电流区域,既能焊接厚板,也能焊接薄板,焊接薄板时与短路过渡比较有熔透性好、变形小、焊接效率高等特点;采用脉冲电流后,可采用较小的平均电流进行焊接,平均电流比GMAW焊时的连续电流喷射过渡的临界电流低,因此母材的热输入量低,焊接变形小,适用于全位置焊接;熔滴过渡过程可控性比较强。因此它在生产上得到了重视,特别是自动焊焊接时对焊接质量和精度要求比较高的场合更是如此。
脉冲埋弧焊接方法是天津大学自主知识产权的焊接新工艺，该方法利用脉冲控制器使弧焊电源呈脉冲式输出，在脉冲电流作用下焊缝熔深可在平均电流相同条件下比非脉冲式埋弧焊增大，实现细化晶粒，提高焊接接头综合力学性能的要求，显著提高焊接质量满足焊接工程上的高要求，为制造业特别是国家重点工程提供新的焊接方法。将脉冲埋弧焊方法推广至工程应用，可显著提高重要焊接结构的焊接质量和生产率，可创造积极的社会效益和巨大的经济效益，具有明确和广阔的应用前景。
应用范围及主要配置参数
在煤机制造行业，该技术可应用于液压支架、中部槽和各种规格的液压缸体的焊接。
应用企业可以是北京煤机厂，张家口煤机厂，郑州煤机厂。
采用电流脉冲控制器调制埋弧焊焊接过程的焊接电流，获得脉冲电流，实现普通钢，合金钢的脉冲埋弧焊焊接方法，其特征在于脉冲电流参数可调节，有效的控制输入热量，改善热影响区受热情况；脉冲焊接电流直接产生电磁振荡，增强了对熔池的搅拌作用，达到细化晶粒的效果，提高焊接接头综合力学性能；脉冲埋弧焊工艺可使焊缝得到较大的熔深（熔深基本上依脉冲电流幅值而定），又可控制总的平均焊接电流在较低的水平，消除了焊缝根部熔合不良等常见缺陷。
本技术的优点在于，使用的焊接电流平均值低于传统的埋弧焊焊接电流值，其焊缝熔深较大，同时由于脉冲电流产生的振荡作用，不但细化了晶粒，改善了热影响区受热情况，而且提高了焊接接头的力学性能（特别是冲击韧性），在不降低熔敷效率的前提下，提高了焊接质量和焊接效率。
利用本技术改造美国林肯电气公司无脉冲功能的v-300型弧焊电源，使用的焊丝为H08Mn2SiA焊丝，焊接速度为4.2m/min，脉冲电流为300A，基值电流为100A，脉宽比40％，脉冲频率为60Hz，焊接电流电弧电压的波形见附图2。
脉冲埋弧焊电压（上）、电流（下）波形（ф1.2mm焊丝，峰值电流Im=300A，基值电流Im=100A，频率f=60Hz，脉宽比km=40%）

图2利用本技术改造美国林肯电气公司无脉冲功能的v-300型弧焊电源输出脉冲焊接电流电弧电压的波形

四、有关指标

技术指标（经过具有资质的检测部门认可的性能指标）

本项目推荐的煤机钢结构制造中的脉冲焊改造技术，可以对传统的焊接电源进行改造，使传统焊机成为可以输出脉冲电流的脉冲焊机，采用本设备改造的脉冲焊机，具有良好的调节性，同时该技术不需要大量改换生产线，具有“老树发新枝”的功能。
在保证焊接质量的前提下提高焊接速度30%。详见上海电气集团总公司，上海市焊接学会，上海市焊接协会的文章《上海发电设备焊接技术进展（一）》，刊于电焊机2005年35卷9期
经济指标（典型规模下的单价、运行费用、投资效益分析等）

五、国内外同类技术（产品）比较

（技术、经济、管理等方面）

脉冲焊接中的机顶盒技术及脉冲埋弧焊技术是天津大学独立开发的具有自主知识产权的技术，已经申请了6项专利并成功的应用于上海锅炉厂有限公司电站锅炉膜式水冷壁焊接生产线的技术改造中，北京中电华强焊接工程技术有限公司作为电站锅炉膜式水冷壁焊接专机的生产厂家在电站锅炉膜式水冷壁焊接专机中把天津大学开发的脉冲控制器作为标准配置，提升了该专机的技术含量和市场占有率，取得了明显的社会效益和经济效益。
国外无该项技术。

序号
申请号
专利名称
1
   03130011.1
    脉冲埋弧焊焊接方法
2
   00131566.8
    脉冲熔化极气体保护焊熔滴过渡的光谱控制法
3
   .6
    双丝窄间隙交-直流脉冲协调电弧焊方法
4
   .X
    一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法
5
   03257823.7
    直流电焊机脉冲电流控制器
6
   .9
    双丝交-直流焊接控制器

六、应用情况

应用工程实例数
上海锅炉厂有限公司，北京中电华强焊接工程技术有限公司
已销售数量（台/套）
132
脉冲埋弧焊技术在锅炉膜式水冷壁焊接生产中的应用情况
电站锅炉膜式水冷壁的拼排焊接一般采用MPM(气体保护焊)和SAW(埋弧焊)，MPM方法具有变形小、焊接速度快等优点，SAW方法具有工作环境优、焊缝熔深深等优点。上海锅炉厂有限公司一直采用埋弧焊拼排法。
为了在保证拼排焊缝熔深的同时不影响焊接速度，上海锅炉厂有限公司对原有的埋弧焊设备进行了改造，添加了天津大学开发的脉冲装置。拼排脉冲埋弧焊的工作原理是利用脉冲焊接电流产生电磁振荡，使埋弧焊缝得到较大的熔深而且焊缝成形美观。通过近一年的试生产，证明采用脉冲埋弧焊焊接扁钢厚度小于等于6.5mm的膜式管屏时，焊接速度至少提高30％；焊接扁钢厚度小于等于9.5mm时，在一定的焊接速度条件下，扁钢两侧不开坡口，仍能满足熔深要求。图3为厚度9.5mm不开坡口扁钢焊后的外观成形从试验结果看，焊缝外观成形均能满足厂标SG0804及SG0147要求。

图3 脉冲埋弧焊根部熔深及表面成形
北京中电华强焊接工程技术有限公司作为电站锅炉膜式水冷壁焊接专机的生产厂家，在电站锅炉膜式水冷壁焊接专机中配置了天津大学开发的脉冲控制器，提升了该该专机的技术含量和市场占有率，取得了明显的社会效益和经济效益。
七、应用实例

应用单位名称
上海锅炉厂有限公司
应用单位信息
地址
上海市闵行区华宁路250号
邮编
200245
网址

联系人
王炯祥（副总工程师）
电话

传真

E-Mail

应用工程名称
上海锅炉厂有限公司电站锅炉膜式水冷壁焊接生产线技术改造
设计单位
天津大学
施工单位
天津大学，上海锅炉厂有限公司
投入运行时间
2004年5月
正常生产运行时间（日）

应用规模
装机98套
一次性投资
（万元）

运行成本
（万元/年）

年平均运行天数

维修工作量
（工作日/年）

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七、应用实例

应用单位名称
北京中电华强焊接工程技术有限公司
应用单位信息
地址
北京市大兴区瀛海镇瀛海工业园经2路6号
邮编
100076
网址

联系人
唐伟（总经理）
电话

传真

E-Mail
wtec@
应用工程名称
电站锅炉膜式水冷壁焊接生产线制造
设计单位
天津大学
施工单位
北京中电华强焊接工程技术有限公司
投入运行时间
2006年9月
正常生产运行时间（日）

应用规模
装机34套
一次性投资
（万元）

运行成本
（万元/年）

年平均运行天数

维修工作量
（工作日/年）

（有多项技术或产品可复制本页）
八、评审意见

推荐单位声明
我单位愿意针对上述技术进行推荐。以上所有关于推荐单位与技术的文件、证明、陈述均是真实的、准确的。若有违背，我单位愿承担由此而产生的一切后果。
推荐单位法人代表签字：
年 月 日
专家评审意见

专家签字：

年 月 日
中煤集团公司审批意 见

（盖 章）

年 月 日