基础信息

　　牵头参赛单位：华南理工大学

　　证照号码：12100000455414429R

　　单位类型：高校

　　项目规模：初创型

　　参赛团队负责人：王振民

　　参赛项目技术介绍

　　核心技术介绍：

　　现有技术背景：水下焊接增材制造包括水下湿法焊接、水下干法焊接以及局部干法焊接，其中局部干法电弧稳定性比湿法焊接时要好，质量也相对较高，相对于干法焊接，不需要造价昂贵的焊接舱、高压排水系统等复杂设备，成本低，安装简单，施工方便，是水下机器人焊接增材的优选方式，而其前提是保证局部干燥空间，这一技术仍存在改进空间。

　　目前，我国在超过60米人工潜水极限深度的水下机器人焊接技术仍严重依赖国外，而在浅水环境的水下焊接增材仍然无法摆脱手工焊接的限制，存在复杂工况下无法保证稳定焊接质量、威胁作业人员安全等一系列缺点；此外，由于国产焊接电源普遍存在功率硬件平台偏弱、伪数字化以及缺乏核心工艺支撑的缺陷，且大部分采用性能已达极限的Si基功率器件，无法达到较好的成形效果，我国在水下增材焊接作业方面面临潜在的技术掣肘风险，这给我国的制造安全带来巨大压力，是科技日报重点报道的35项“卡脖子”技术之一（第28项）。

　　现有市场情况：

　　我国拥有约300万平方公里的海域，海洋是我国经济社会发展的重要战略空间，复杂工况水下机器人焊接增材制造技术在军事海防工程、海洋资源开发、大型船舶及海底管道修复等极端作业状况下将发挥不可替代的作用。

　　本项目涉及的市场情况可从焊接电源和水下机器人作业两方面分析：一方面，焊接电源被广泛应用在制造业的各个领域，其技术水平直接影响下游应用企业产品的质量、可靠性和企业的生产成本、生产效率等，国内在高端焊接电源方面仍然严重依赖进口，迫切需要大量的国产化高性能焊接电源技术及产品；另一方面，随着海洋资源开发及设备维护等难题的出现，必然要将复杂工况的水下作业交给机器人，具备数字化协同功能的水下机器人焊接增材制造技术必将为相关产业的重要支撑。

　　本项目的技术内容：

　　主要包括四点关键技术：

　　关键技术一：水下机器人焊接与增材高频逆变电源技术。该技术旨在提升水下焊接增材功率平台的性能，是水下增材制造的能量来源；关键技术一主要包含三个方面：(1)基于新一代宽禁带半导体功率器件的焊接电源，该技术提升高频逆变电源的动特性、功率密度、能量利用率等关键指标;(2)采用新热源的水下焊接增材制造的设备及方法，该技术基于SiC功率硬件主体，为复杂工况下水陆两用原位激光-电弧复合增材制造提供基础；(3)基于柔性波形数字化调制的工艺实现，利用基于SiC功率器件焊接电源和数字化的强大优势，针对水下焊接增材工艺特点，开发各种柔性焊接增材能量波形实现方法，扩宽平台的工艺适用性。

　　关键技术二：水下机器人作业微区域局部强排水稳弧技术，为水下机器人焊接增材制造过程提供了局部干燥空间，保证能量传递载体的稳定可控，是水下增材的空间前提；

　　关键技术三：驱控一体化的全数字高性能潜水送丝技术，该技术使得送丝速度与弧压在一定范围内可随动调节，实现稳定的焊丝送进，保证复杂工况下的焊接增材过程稳定性，是其物质保证；

　　关键技术四：基于CAN网络的焊接系统高效协同方法，将机器人、数字化焊接电源、送丝机、状态监测模块等设备作为智能节点，基于CAN总线对智能节点进行网络化数字化集成，满足水下焊接机器人系统在严酷现场工况下高效数字化协同需求。

　　技术先进性：

　　（1）2019年1月8日，广东省科技基础条件平台建设促进会组织专家组对项目成果“新一代高性能近零飞溅机器人焊接系统的研制及应用”进行了科技评价，评价认为：“研制的新一代超高频全数字机器人焊接电源，逆变频率达到200kHz，电能转换效率可达94.5%，动特性比现有工业级IGBT焊接电源高70%以上”、“实现了近零飞溅焊接效果”、“整体技术达到国际先进水平”。

　　（2）2018年，华南国家计量测试中心分别对项目开发的SiC型逆变焊接电源进行了测试，结果如下：大功率SiC焊接电源在额定功率输出时的效率达到了90.7%，电能转换效率最高达到了94.5%，超过了国家电焊机标准的一级能效指标；功率因数高达0.953；输出电流脉冲频率可以达到1000Hz以上；0-150A阶跃响应的脉冲电流上升时间低于120μs（报告编号：NYB201800285）。

　　（3）2018年6月20日，项目研究工作被科技日报作为35项“卡脖子”技术之一（第28项）进行了深度报道，并在2019年入选刘亚东主编的《是什么卡住了我们的脖子》一书：“率先研发了逆变频率可高达200kHz的新一代大功率逆变式焊接电源，逆变频率的提高意味着对焊接电弧以及熔滴过渡行为的控制将更为精确”。

　　（4）2019年1月，科技部主管的《科技成果管理与研究》将项目成果评选为“2018年影响力科技成果”，评选意见为：“研发的系列机器人装备是我国在核乏燃料池、构件池和核岛等强核辐射环境水下自动化修复机器人方面的创造性、新颖性和工业实用性成果”、“技术成果在整体上居于国际先进水平”、“在超高频水下机器人焊接电源方面居于国际前列”。

　　（5）项目研究成果得到了新中国焊接学科泰斗、中国科学院院士、清华大学潘际銮教授的高度评价，认为相关研究成果“充分体现了该校在大功率逆变电源学科的研究特色”、“具有很高的学术价值”、“能够为研发高效低耗、性能可靠的大功率等离子体系统提供理论和技术支撑”.

　　技术壁垒：

　　本项目复杂工况水下机器人焊接增材制造关键技术涵盖了水下机器人焊接与增材高频逆变电源技术、水下机器人作业微区域局部强排水稳弧技术、驱控一体化的全数字高性能潜水送丝技术以及相应的基于CAN网络的焊接系统高效协同方法。

　　对比同类技术，水下机器人焊接与增材超高频逆变电源技术最大的特色是采用了第三代宽禁带半导体SiC器件作为电源功率主体的基石，逆变频率可提高3-10倍，动特性提升70%以上，功率密度提升两倍以上，相比市场主流焊接电源存在质的飞跃，由于宽禁带半导体器件存在巨大性能优势的同时也产生许多控制和抗干扰方面的难题，尤其是在焊接电源这一大功率应用场合，根据科技情报检索，除本团队之外，国内尚无他人研制出稳定可靠的基于SiC功率器件的超高频焊接电源；水下机器人作业微区域局部强排水稳弧技术采用双气流结构排水罩，利用漩涡中心和外侧压力差异降低水深压力对水下电弧的影响以及形成高压气幕/水幕实现可靠排水；驱控一体化的全数字高性能潜水送丝技术实现了动静密封、高频斩波驱动、全数字双闭环反馈、焊丝状态实时监测以及轻量化结构设计，具备完善的水下作业能力；基于CAN网络的焊接系统高效协同方法采用了多信息复合传感及CAN网络协同的工作方式，实现水下机器人焊接与增材系统的高度集成，同时又具备优良的接口兼容特性，该技术存在较大的开发难度。

　　产品或技术成熟度：

　　本项目的技术已趋近成熟，初步建立水下机器人焊接与增材的核心专利池。

　　本项目的产品技术“水下机器人焊接系统”原型机已经通过中广核研究院的现场验收，并已经进行示范应用；基于超高频SiC型焊接电源的新一代水下机器人焊接增材制造系统已经处于实验室阶段，稳定运行时间超过了15个月，实际使用效果在功率因数、动特性、能效等电源关键指标均实现了全面超越，在水下焊接增材数字化协同方面具备良好的实时响应和设备控制能力，能稳定完成水下平台的机器人焊接增材作业，工艺效果达领先水平。产品上市时间预计在明年6月份。此外，超高频焊接电源、驱控一体化的送丝机等系统部件技术可转化为单独的产品，还可以提供水下维修等技术服务。

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