工程机械行业焊接与切割应用现状及关键技术的发展趋势

■ 王彩凤，吴 月，张晋刚，徐春雷

随着“中国制造2025”装备制造业技术创新的深入推进，焊接智能化、激光切割和等离子下料复合加工等技术装备在工程机械行业的应用，促进了产品更新换代，使其功能更加完善，与国际先进水平的差距逐渐减小。作为工程机械生产过程中的关键技术，焊接决定着工程机械整机的安全性、可靠性，并且随着各种焊接装备的智能化、自动化、数字化水平越来越高，高端工程机械市场将会涌现越来越多中国制造的身影。

一、工程机械行业发展现状与机遇

工程机械行业作为传统行业是国家基础工程发展的重中之重，任何工程的建设都离不开工程机械。在经历了自2011年以来市场需求持续下降，企业经营难度较大，行业发展面临严峻考验的情况下，2016年下半年工程机械主要产品的生产经营形势获得了改善，企业迎来了新一轮的发展机遇。行业发展阶段已经由量的增长转变为质的提升。过去五年，我国工程机械企业积极应对挑战，加快推进转型升级，中国主流制造商已经全面完成了中高端跨越。在国家有关政策的指导下，工程机械行业在健康持续发展的轨道上稳步前进。山推推土机（见图1）也紧紧抓住了市场复苏行情，蓄势待发，迎接新一轮的挑战。

为应对我国工程机械行业发展中存在着产业结构不合理，高端产品、关键技术、关键配套件能力不足的局面，行业创新发展目前应以重大技术装备、整机集成控制技术、整机可靠性与耐久性、智能化、节能减排、关键配套件及试验检测为切入点，突破一批关键技术、核心部件，开发一批标志性、带动性强的重点产品和短板装备，实现一批重大装备的工业化、产业化应用。

借助国家“一带一路”的东风，促进我国工程机械行业的不断壮大，在引进技术消化吸收的基础上再创新和加快发展原始创新，实现追赶国际先进水平和建设工程机械强国的中国梦指日可待。

图1 整装待发的推土机

二、工程机械行业焊接与切割应用现状

焊接与切割是制造业的基础加工工艺，焊接与切割设备作为制造业中的重要设备，其自动化应用随着工业自动化的发展而飞速发展，特别是焊接机器人、智能化焊接电源、激光焊接设备、焊接专机等，提高了工程机械产品焊接质量和产品的可靠性。

目前，工程机械结构件通常由板材件和铸钢件拼焊而成，结构复杂且焊缝密集，采用的材料为碳素结构钢和低合金结构钢。近年来高强钢发展迅速，对屈服强度960MPa及以上级别的高强钢需求趋势明显，对切割质量提出了新的要求。

激光切割效率高、速度快、切割质量好，中小功率激光切割机能够实现10mm以下板材切割，如图2所示。等离子切割能够对厚度较大的板材进行有效切割，切割速度快、切割面光洁、热变形小，加工精度达到1mm以内，相对于激光切割成本较低，用于5～25mm中厚板切割，如图3所示。火焰切割生产投入小，加工厚度大，适合精度要求不高的板材件切割，如32mm全液压推土机主机架侧板的下料。

结构件在焊接前需将板材件、铸钢件点固成一个整体，通常采用专用组对工装和三维柔性工装。专用组对工装需要根据产品的结构特点、精度要求等专门设计，采用通用或专用的定位夹紧机构满足零部件定位准确、夹紧牢靠的要求。三维柔性工装配备各种定位的标准模块，通过快速销栓连接，对于各种形状的工件进行快速精确的装夹，减少了大量的专用组对工装设计、制造时间，通用性强，重复利用率高，适合于产品多变和小批量生产的场合。

工程机械所涉及的焊接技术比较多，焊接方式有全自动焊、半自动焊和焊条电弧焊，根据产品结构特性多以CO2气体保护焊、富氩焊、氩弧焊、埋弧焊和电阻焊为主。部分企业中厚板焊接采用HD—Pulse脉冲无飞溅技术高速焊接工艺，焊接飞溅降低90%，力学性能提升10%，获得了良好的焊接质量和经济效益。

随着国内用工成本的提高，工程机械行业对焊接质量有着更高的要求，机器人自动焊接技术的应用已趋于成熟并得到了广泛的应用，如图4、图5所示。焊接机器人在实际生产过程中，具有高效性和连续性的发展特点。通过对焊接机器人的有效应用，能够在很大程度上降低工人劳动强度，并且能够弥补人工焊接过程中可能出现的误差问题。另外，焊接专机作为另一种自动化焊接技术更受到焊工的青睐，对于要求不高的焊缝结构，如形式单一的长直焊缝，焊接效率高、质量好且成本低。

图2 激光切割

图3 等离子中厚板切割

图4 挖掘机履带盒机器人焊接

图5 推土机后桥箱机器人焊接

三、“十三五”期间行业发展对焊接与切割产品的需求

国家“十三五”规划对我国装备制造业提出“创新、协调、绿色、开发、共享”的发展理念。电子技术计算机微电子的发展，极大推动了焊接自动化技术的发展进程。特别是数控技术、柔性制造技术和信息处理技术等单元技术的引入，促进了焊接自动化技术革命性发展。未来的中国制造业面临更加复杂、更有挑战性、竞争更激烈的市场。

1.下料成形设备

薄板件切割采用激光下料，部分螺纹底孔可直接切割完成，中厚板以等离子切割为主，主要是效率高、下料精度高、切口质量好。坡口加工方面，热切割也逐步取代效率低的冷加工方式，下料和无钝边坡口工序有时可一次性完成。数控折弯机、卷板机、压力机根据工艺要求将板材压制成各种形状，尺寸精度达到2mm以内，从而满足焊接组对要求。

2.焊接装备

目前我国工程机械行业普遍使用自动和半自动CO2+Ar混合气体保护焊，中厚板焊接采用φ1.2mm、φ1.6mm焊丝，例如推土机后桥箱和主机架。为适应结构件焊接技术的要求，采用合理的焊接工艺、焊接设备、焊接工装夹具，成为结构件焊接生产的显著特点。低能耗的数字化IGBT逆变焊机已经形成普遍推广的势头，液压组对专机针对大批量产品提出了解决方案，三维柔性组对工装适应了客户多变产品的需求，自动化水平较高的焊接机器人，实现了柔性化生产，有效降低工人的劳动强度，满足船型焊接需求，有效保证焊接质量的稳定性和一致性。

四、工程机械关键焊接与切割技术的发展趋势

未来焊接与切割产业发展的重要方向是绿色化、数字化、智能化，最终落点始终是优质、高效焊接与切割技术的持续发展和先进焊接切割工艺、装备的不断突破。

高速光纤激光切割机拥有切割25mm碳钢、30mm不锈钢的能力，三维激光切割机相比机器人火焰切割机更适合薄板件的二次加工，智能、精细的等离子切割已成为与激光切割相媲美的先进技术。智能套料系统通过数据库网络及信息共享，把计划、工艺、排料、切割及管理等生产全过程集成为一体，提高了企业应对多变产品的能力。板材切割机床由单一功能向切割、加工集成方向发展，车间布局将会由集群式向紧凑精简型过渡。

工程机械行业主要使用焊丝进行高效焊接，使用手工焊条的比例逐年下降。随着钢材品质的提升及品种的完善，促进焊接材料向高效、环保方向发展。无缝药芯焊丝具有焊接熔敷速度快、生产效率高、抗冷裂纹性能好等优点，是未来焊丝发展的趋势。最近发展起来了多股复合焊丝，是一种全新理念的新型焊接材料，颠覆了人们对传统焊材的认识。焊接电弧属于连续旋转弧，对熔池进行实时搅拌，飞溅相互抵消形成几乎无飞溅的焊接过程，焊接烟尘减少60%以上。熔敷效率高，通过调整多股复合焊丝的结构和形态，能够实现2.5m/min的高速焊接（见图6）。

数字化智能焊接电源是焊接质量好坏的关键因素，其技术也从原来的模拟信号发展为数字化阶段，提升了焊接参数的稳定性，最终提升产品的生产质量和效率，同时能够实现远程控制或监控的智能化特点，很大程度上降低了工人对焊接参数的干预，为焊接信息化生产管理系统的实现奠定了基础。另外，激光跟踪焊接系统，可实时识别焊缝位置及宽度，动态调整焊接参数、摆动参数及机器人焊接位置，实现高质量的激光跟踪及自适应焊接。厚板潜弧焊接新技术DArc，使用650A进行CO2气体保护焊，实现19mm厚板、不开坡口或小角度单边坡口的单道全焊透焊接，与传统气保焊相比效率提高5倍。

中国工程机械消费市场转型升级正在日益加快，供给侧结构性改革的步伐将会继续加大。工程机械行业需顺应国际产业发展趋势跟踪前沿技术发展动态，企业将加快焊接与切割技术的创新改善，更优、更强的产品将陆续投放市场，满足用户对产品的需求。

图6 多股复合焊丝