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厚板焊接作為我國核電、船舶、石化等領域重大裝備的關鍵制造技術，對低熱輸入、高效率、高質量的新型焊接方法升級需求極其迫切。窄間隙焊接技術因采用窄且深的坡口，在厚板焊接時具有效率高、填充量少、熱輸入小、變形小等優勢，在提高焊接效率和焊接質量等方面具有重要應用前景。目前，該類技術在國外核電、船舶等行業廣泛應用，技術較為成熟。而我國窄間隙焊接技術研究起步較晚，在大厚板核心焊接設備、工藝及材料均受制于人，尤其針對我國國防重點企業，存在“卡脖子”風險。高端焊接裝備依賴于進口，價格高昂。國外主要生產廠家包括法國寶利蘇迪、日本日立公司、美國電弧機器等，國內生產廠家華恒、唐山開元等依賴于國外企業的專利授權。 國際和國內現有技術一般采用鎢極擺動、陶瓷片約束、橫向交變磁場等控制電弧周期性地在兩側壁之間燃燒，存在裝置復雜、母材被磁化或間隙較大等缺點。為解決窄間隙焊接側壁熔合的難題，課題組另辟蹊徑，創新性地提出了一種具有完全自主知識產權的“厚板超窄間隙旋轉電弧焊接技術及成套裝備”新技術。該技術突破了現有窄間隙鎢極氬弧焊接（NG-GTAW，narrow-gap gas tungsten arc welding）工藝的局限性，已實現壁厚50 mm超窄間隙焊接，能夠更為可靠、簡便地解決側壁未熔合缺陷問題。相對于國內外的現有技術，該技術形成的旋轉電弧能夠有效改善電弧熱量及壓力的均勻性，在保證熔敷金屬質量均勻的同時避免熔深過大，具備高質量、高效率的突出優勢，達到國際先進水平，已在國防、核電、QT等工業領域推廣應用。同時，研究團隊自主設計研發了面向核電、石化、船舶等裝備的大厚板非軸對稱旋轉鎢極超窄間隙GTAW成套裝備（圖1），可實現板厚超過150 mm、窄間隙5 mm——9 mm的厚壁材料高質量自動化焊接。 圖1 大厚板非軸對稱旋轉鎢極超窄間隙GTAW成套裝備 該設備特別適用于厚壁不銹鋼焊接、鈦合金、980高強鋼、9Ni鋼等特種材料，在核電、軍工、石化等領域具有廣泛的應用前景。目前處于國際先進水平的寶利蘇迪公司生產的單套設備售價高達380萬元，國產設備售價也達到150——200萬元水平。而自主設計研發的設備單套成本僅約30萬元，能夠產生巨大的經濟效益。

本發明屬于地面模擬飛行高空飛行半實物仿真領域，并公開了 一種用于高空飛行大氣環境溫度模擬實驗的氣體混合裝置，其中混合 室外筒、測量室外筒、混合室內筒和測量室內筒均為圓柱形空心套筒 結構，并共同構成了具備四個內部空間的雙層腔體結構；熱源噴槍插 入混合室內筒中，并噴入等離子體高溫氣體；混合室外筒上開設有氣 體入口，混合室內筒的壁面上開設有沿著圓周均布的孔，由此使得低 溫氣體以射流混合方式與高溫氣體執行均勻混合，然后進混合氣體測 量空間；溫度傳感器的探頭布置在混合氣體測量空間中，并用于對混 合后的氣體執行

本實用新型公開了一種用于高空飛行大氣環境溫度模擬實驗的氣體混合裝置，其中混合室外筒、測量室外筒、混合室內筒和測量室內筒均為圓柱形空心套筒結構，并共同構成了具備四個內部空間的雙層腔體結構；熱源噴槍插入混合室內筒中，并用于向其中的高低溫氣體混合空間噴入等離子體高溫氣體；混合室外筒上開設有氣體入口，混合室內筒的壁面上開設有沿著圓周均布的孔，由此使得低溫氣體以射流混合方式與高溫氣體執行均勻混合，然后進混合氣體測量空間；溫度傳感器的探頭布置在混合氣體測量空間中，并用于對混合后的氣體執行實時溫度測量。通過本實用

本發明屬于地面模擬飛行高空飛行半實物仿真領域，并公開了一種用于高空飛行大氣環境溫度模擬實驗的氣體混合裝置，其中混合室外筒、測量室外筒、混合室內筒和測量室內筒均為圓柱形空心套筒結構，并共同構成了具備四個內部空間的雙層腔體結構；熱源噴槍插入混合室內筒中，并噴入等離子體高溫氣體；混合室外筒上開設有氣體入口，混合室內筒的壁面上開設有沿著圓周均布的孔，由此使得低溫氣體以射流混合方式與高溫氣體執行均勻混合，然后進混合氣體測量空間；溫度傳感器的探頭布置在混合氣體測量空間中，并用于對混合后的氣體執行實時溫度測量。通

焊接作為工程機械領域的關鍵技術，直接決定著國之重器的安全可靠性。目前，智能焊接與檢測嚴重依賴國外進口設備，價格昂貴、售后服務難以保障。對于大型、復雜焊接結構，焊后焊縫質量智能檢測在整條焊接產線上屬于空白。本團隊在國內首次開發了大型焊接結構內外一體化智能檢測裝備及軟件，部分高端裝備達到國際水平，建成了國內首條內外一體化焊接智能檢測與評估生產線，在徐工挖掘機上獲得應用，并在央視CCTV2制造中國節目中播出。 圖片 內外一體化焊縫智能檢測與評估生產線獲央視CCTV2報道

成果與項目的背景及主要用途：統計資料表明，80-90%焊接結構斷裂事故 是由疲勞失效引起的，由于焊接接頭的焊趾處的應力集中和殘余拉伸應力作用， 焊接接頭疲勞強度大幅度地低于基本金屬的疲勞強度。雖然結構按疲勞規范設 計，仍然發生一些整體結構的過早疲勞失效，造成巨大的經濟損失，甚至是人 身傷亡事故。由于焊接接頭焊趾是疲勞裂紋引發部位，如果對該部位實施適當 的處理，使殘余拉伸應力轉變為壓縮應力和減少應力集中，這將有利于延緩疲 勞裂紋的產生，具有巨大的社會效益和經濟效益。本項目是在國家自然科學基 金的支持下完成的，從超聲波沖擊、相變應力應用、等離子噴涂等三方面提出 了三種改善焊接結構疲勞性能的新技術，研制發明了相應的裝置、焊接材料和 噴涂技術。這些方法可以方便地應用到橋梁、采油平臺、船舶、飛機、機車車 輛、壓力容器及管道等工況、野外施工和高空現場作業的場合，其應用前景是 十分樂觀。 技術原理與工藝流程簡介：天津大學科技成果選編 1）超聲沖擊方法改善焊接結構疲勞性能的基本工作原理為：通過超聲波發 生器將電網上的工頻交流電轉換成超聲頻的交流電，用以激勵聲學系統的換能器。 換能器將電能轉換成同樣頻率的機械振動，在機架所提供的一定壓力作用下，將 該超聲頻的機械振動傳遞給工件上的焊縫，使以焊趾為中心的一定區域內焊接接 頭表面產生足夠厚度的塑性變形層，從而達到改善接頭幾何外形，降低應力集中 程度、調節其應力場沿厚度方向的分布狀況，最終達到改善焊接接頭疲勞強度的 目的。 2）相變應力應用改善焊接結構疲勞性能的基本工作原理：利用開發的相變 應力焊接材料使焊縫金屬冷卻中產生的相變應力，抵消焊接殘余拉伸應力并獲得 壓縮應力，最終達到改善焊接接頭疲勞強度的目的。 3）等離子噴涂改善焊接結構疲勞性能的基本工作原理：利用等離子在焊趾 部位噴上結合性能良好的涂層材料來改善接頭的應力集中狀態，最終達到改善焊 接接頭疲勞強度的目的。 技術水平及專利與獲獎情況：整體研究達國際先進水平；已獲國家發明專利 3 項，在申請國家發明專利 5 項；2004 年度天津市自然科學一等獎，2002 年獲 教育部發明二等獎。 應用前景分析及效益預測：接頭焊趾及焊跟部位是焊接結構承受疲勞載荷的 薄弱環節，改善焊趾和焊根部位的疲勞性能將提高整個結構的疲勞性能。使用超 聲波沖擊、相變應力及等離子噴涂等這些新技術可以大幅度地改善焊接結構的疲 勞壽命，顯著降低焊接結構破壞事故的發生幾率, 進而節約焊接結構的用鋼量和 資金，增加焊接結構的安全裕度，防止因焊接結構發生意外疲勞破壞事故給國家 和人民財產的經濟損失，因此具有廣闊的應用前景及產生巨大社會效益和經濟效 益的可能。 應用領域：可以應用到橋梁、采油平臺、船舶、飛機、機車車輛、壓力容器 及管道、水輪機、火箭發動機、汽車制造等諸多領域。 

本項目涉及的是一種與大線能量焊接用鋼相配套的專用藥芯焊絲。近年，隨著構件的大型化和大跨度化，為提高焊接施工效率和降低生產成本，諸如自動氣電立焊、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、海洋結構等制造領域中得到廣泛應用。 例如，在船舶制造中，焊接工時約占總工時的40%，焊接成本約占船舶制造成本的17%，日本造船行業從90年代初開始應用大線能量焊接技術后，焊接效率較傳統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、受熱時間增長，導致焊縫及熱影響區(HAZ) 晶粒組織粗化，會使力學性能尤其是沖擊韌性變差，為解決此問題，日本在20年前就已采用氧化物冶金新技術研究開發成功能夠承受400kJ/cm以上熱輸入的大線能量焊接造船鋼板，40至100mm厚度的鋼板可實現一道次焊接成形，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這項技術嚴格保密從不披露其工藝細節。在此背景下，國內鋼鐵企業和科研院校相繼開展了大線能量焊接專用鋼的研究開發，其中，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室同國內鋼鐵企業合作已經工業試制成功線能量大于400kJ/cm的 戰略石油儲罐用鋼（該項成果2013年獲冶金科學技術二等獎）和EH40、EH36級船板用鋼，但是與這些大線能量焊接用鋼相配套的國產焊接材料此前鮮有研究開發和實際應用業績報道，目前國內市場所需的100-300kJ/cm 大線能量焊接專用藥芯焊絲幾乎全部從日本高價進口，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略考量至今拒絕出口中國市場，為了改變這種長期受制于人的被動局面，東北大學RAL國家重點實驗室基于前期大線能量焊接用鋼研發的技術基礎，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用藥芯焊絲，藥芯焊絲在線能量200～425kJ/cm的較大范圍內，各項力學性能均能滿足目前國內常用船板的大線能量焊接要求，同樣有望滿足儲油罐鋼板的大線能量焊接要求。該焊絲除有望替代進口、滿足國內造船企業和國家戰略石油儲備庫建設的大量需求外，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域得到推廣應用。

通過無損探傷、拉伸試驗、水壓試驗和水壓爆破試驗對采用該技術制備的接 頭進行了完整性和力學性能檢測，測試結果合格。

本項目設計和實施一種5自由度簡易焊接機器人。簡易焊接機器人可以靠底座的四個腳輪方便地在工件周圍移動。架體側面安裝有電磁吸盤，當操作者指定一段焊縫時，機器人吸附在工件一側，機器人基座與工件保持相對固定。簡易焊接機器人具有5個自由度。三個移動軸沿x、y和z方向可將末端工具送到不同的空間位置，而機器人末端的兩轉動軸解決焊槍姿態調整的不同要求。x和y方向的移動靠同步帶傳動，z方向的移動由梯形絲杠傳動，在焊接一個平面特征時，z軸可自動或由手工調節完畢，可不做位置控制。兩個手腕正交布局，且電機前置，縮短傳動鏈，簡化設備。機器人的末端設計有焊槍連接法蘭。其關鍵技術包括：直線/圓弧焊接特征的軌跡規劃、焊槍擺動規劃、機器人控制技術。 簡易焊接機器人體積小、重量輕，移動和安裝都很方便，可以連續工作并能提供穩定的焊接質量。簡易焊接機器人的焊接軌跡為比較規則的直線或者圓弧，主要用來滿足手工焊接和機器人自動焊接中間的空白焊接需求。

本項目己列入江蘇省2017年科技廳重點研發資助項目，項目瞄準 國際領先的美國SMC國際鐐合金集團公司及Techalloy公司、瑞典伊薩 (ESAB)公司鐐基特種焊條產品，立足本土資源研發出可替代進口產品 的國產化鐐基焊條。在研發過程中，通過對NiCrMo、NiCrFe兩大系列 鐐基焊條采用獨創熔渣設計思路,攻克了高鐐液態金屬熔點高、粘度大、 流動性差、與熔渣相互粘合從而難于焊接成型及脫渣困難的技術難題。 研發出的產品焊縫成型良好、脫渣性好