工程機械行業焊接與切割應用現狀及關鍵技術的發展趨勢

■ 王彩鳳，吳 月，張晉剛，徐春雷

隨著“中國制造2025”裝備制造業技術創新的深入推進，焊接智能化、激光切割和等離子下料復合加工等技術裝備在工程機械行業的應用，促進了產品更新換代，使其功能更加完善，與國際先進水平的差距逐漸減小。作為工程機械生產過程中的關鍵技術，焊接決定著工程機械整機的安全性、可靠性，并且隨著各種焊接裝備的智能化、自動化、數字化水平越來越高，高端工程機械市場將會涌現越來越多中國制造的身影。

一、工程機械行業發展現狀與機遇

工程機械行業作為傳統行業是國家基礎工程發展的重中之重，任何工程的建設都離不開工程機械。在經歷了自2011年以來市場需求持續下降，企業經營難度較大，行業發展面臨嚴峻考驗的情況下，2016年下半年工程機械主要產品的生產經營形勢獲得了改善，企業迎來了新一輪的發展機遇。行業發展階段已經由量的增長轉變為質的提升。過去五年，我國工程機械企業積極應對挑戰，加快推進轉型升級，中國主流制造商已經全面完成了中高端跨越。在國家有關政策的指導下，工程機械行業在健康持續發展的軌道上穩步前進。山推推土機（見圖1）也緊緊抓住了市場復蘇行情，蓄勢待發，迎接新一輪的挑戰。

為應對我國工程機械行業發展中存在著產業結構不合理，高端產品、關鍵技術、關鍵配套件能力不足的局面，行業創新發展目前應以重大技術裝備、整機集成控制技術、整機可靠性與耐久性、智能化、節能減排、關鍵配套件及試驗檢測為切入點，突破一批關鍵技術、核心部件，開發一批標志性、帶動性強的重點產品和短板裝備，實現一批重大裝備的工業化、產業化應用。

借助國家“一帶一路”的東風，促進我國工程機械行業的不斷壯大，在引進技術消化吸收的基礎上再創新和加快發展原始創新，實現追趕國際先進水平和建設工程機械強國的中國夢指日可待。

圖1 整裝待發的推土機

二、工程機械行業焊接與切割應用現狀

焊接與切割是制造業的基礎加工工藝，焊接與切割設備作為制造業中的重要設備，其自動化應用隨著工業自動化的發展而飛速發展，特別是焊接機器人、智能化焊接電源、激光焊接設備、焊接專機等，提高了工程機械產品焊接質量和產品的可靠性。

目前，工程機械結構件通常由板材件和鑄鋼件拼焊而成，結構復雜且焊縫密集，采用的材料為碳素結構鋼和低合金結構鋼。近年來高強鋼發展迅速，對屈服強度960MPa及以上級別的高強鋼需求趨勢明顯，對切割質量提出了新的要求。

激光切割效率高、速度快、切割質量好，中小功率激光切割機能夠實現10mm以下板材切割，如圖2所示。等離子切割能夠對厚度較大的板材進行有效切割，切割速度快、切割面光潔、熱變形小，加工精度達到1mm以內，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全液壓推土機主機架側板的下料。

結構件在焊接前需將板材件、鑄鋼件點固成一個整體，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產品的結構特點、精度要求等專門設計，采用通用或專用的定位夾緊機構滿足零部件定位準確、夾緊牢靠的要求。三維柔性工裝配備各種定位的標準模塊，通過快速銷栓連接，對于各種形狀的工件進行快速精確的裝夾，減少了大量的專用組對工裝設計、制造時間，通用性強，重復利用率高，適合于產品多變和小批量生產的場合。

工程機械所涉及的焊接技術比較多，焊接方式有全自動焊、半自動焊和焊條電弧焊，根據產品結構特性多以CO2氣體保護焊、富氬焊、氬弧焊、埋弧焊和電阻焊為主。部分企業中厚板焊接采用HD—Pulse脈沖無飛濺技術高速焊接工藝，焊接飛濺降低90%，力學性能提升10%，獲得了良好的焊接質量和經濟效益。

隨著國內用工成本的提高，工程機械行業對焊接質量有著更高的要求，機器人自動焊接技術的應用已趨于成熟并得到了廣泛的應用，如圖4、圖5所示。焊接機器人在實際生產過程中，具有高效性和連續性的發展特點。通過對焊接機器人的有效應用，能夠在很大程度上降低工人勞動強度，并且能夠彌補人工焊接過程中可能出現的誤差問題。另外，焊接專機作為另一種自動化焊接技術更受到焊工的青睞，對于要求不高的焊縫結構，如形式單一的長直焊縫，焊接效率高、質量好且成本低。

圖2 激光切割

圖3 等離子中厚板切割

圖4 挖掘機履帶盒機器人焊接

圖5 推土機后橋箱機器人焊接

三、“十三五”期間行業發展對焊接與切割產品的需求

國家“十三五”規劃對我國裝備制造業提出“創新、協調、綠色、開發、共享”的發展理念。電子技術計算機微電子的發展，極大推動了焊接自動化技術的發展進程。特別是數控技術、柔性制造技術和信息處理技術等單元技術的引入，促進了焊接自動化技術革命性發展。未來的中國制造業面臨更加復雜、更有挑戰性、競爭更激烈的市場。

1.下料成形設備

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。數控折彎機、卷板機、壓力機根據工藝要求將板材壓制成各種形狀，尺寸精度達到2mm以內，從而滿足焊接組對要求。

2.焊接裝備

目前我國工程機械行業普遍使用自動和半自動CO2+Ar混合氣體保護焊，中厚板焊接采用φ1.2mm、φ1.6mm焊絲，例如推土機后橋箱和主機架。為適應結構件焊接技術的要求，采用合理的焊接工藝、焊接設備、焊接工裝夾具，成為結構件焊接生產的顯著特點。低能耗的數字化IGBT逆變焊機已經形成普遍推廣的勢頭，液壓組對專機針對大批量產品提出了解決方案，三維柔性組對工裝適應了客戶多變產品的需求，自動化水平較高的焊接機器人，實現了柔性化生產，有效降低工人的勞動強度，滿足船型焊接需求，有效保證焊接質量的穩定性和一致性。

四、工程機械關鍵焊接與切割技術的發展趨勢

未來焊接與切割產業發展的重要方向是綠色化、數字化、智能化，最終落點始終是優質、高效焊接與切割技術的持續發展和先進焊接切割工藝、裝備的不斷突破。

高速光纖激光切割機擁有切割25mm碳鋼、30mm不銹鋼的能力，三維激光切割機相比機器人火焰切割機更適合薄板件的二次加工，智能、精細的等離子切割已成為與激光切割相媲美的先進技術。智能套料系統通過數據庫網絡及信息共享，把計劃、工藝、排料、切割及管理等生產全過程集成為一體，提高了企業應對多變產品的能力。板材切割機床由單一功能向切割、加工集成方向發展，車間布局將會由集群式向緊湊精簡型過渡。

工程機械行業主要使用焊絲進行高效焊接，使用手工焊條的比例逐年下降。隨著鋼材品質的提升及品種的完善，促進焊接材料向高效、環保方向發展。無縫藥芯焊絲具有焊接熔敷速度快、生產效率高、抗冷裂紋性能好等優點，是未來焊絲發展的趨勢。最近發展起來了多股復合焊絲，是一種全新理念的新型焊接材料，顛覆了人們對傳統焊材的認識。焊接電弧屬于連續旋轉弧，對熔池進行實時攪拌，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，通過調整多股復合焊絲的結構和形態，能夠實現2.5m/min的高速焊接（見圖6）。

數字化智能焊接電源是焊接質量好壞的關鍵因素，其技術也從原來的模擬信號發展為數字化階段，提升了焊接參數的穩定性，最終提升產品的生產質量和效率，同時能夠實現遠程控制或監控的智能化特點，很大程度上降低了工人對焊接參數的干預，為焊接信息化生產管理系統的實現奠定了基礎。另外，激光跟蹤焊接系統，可實時識別焊縫位置及寬度，動態調整焊接參數、擺動參數及機器人焊接位置，實現高質量的激光跟蹤及自適應焊接。厚板潛弧焊接新技術DArc，使用650A進行CO2氣體保護焊，實現19mm厚板、不開坡口或小角度單邊坡口的單道全焊透焊接，與傳統氣保焊相比效率提高5倍。

中國工程機械消費市場轉型升級正在日益加快，供給側結構性改革的步伐將會繼續加大。工程機械行業需順應國際產業發展趨勢跟蹤前沿技術發展動態，企業將加快焊接與切割技術的創新改善，更優、更強的產品將陸續投放市場，滿足用戶對產品的需求。

圖6 多股復合焊絲