现代制造业中先进焊接技术的应用
现代制造业中先进焊接技术的应用
概要：
激光焊接的应用
激光拼焊(Tailored?Bland?Laser?Welding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等[6]，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术 20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70?000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与Pratt?Witney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。
摩擦焊接技术的应用
摩擦焊是利用焊接接触端面之间的相对运动所产生的摩擦热及塑性变形热,使接触面及其近区达到粘塑性状态,并产生适当的宏观塑性变形.通过两侧材料间的相互扩散来实现材料连接的.自从美国在1891年批准的第一个摩擦焊专利至今,摩擦焊接及相关加工方法已发展到了20多种.近年来为了适应新材料与新结构的应用,国内外在摩擦焊接及相关技术方面取得了重要进展,其中以线性摩擦焊,摩擦堆焊,搅拌摩擦焊,摩擦塞焊等摩擦焊接技术最具代表性.这些新颖的摩擦焊接技术不仅拓展了摩擦焊的应用范围.而且提高了焊接部件的整体性能和可靠性.使那些难焊或不能焊的材料也能获得高质量的焊缝.研究先进摩擦焊接技术具有重大的理论意义和工程应用价值. 1线性摩擦焊线性摩擦焊是利用被焊材料接触面相对往复运动摩擦产生的热效应实现焊接的.根据叶片,轮盘的工作条件选用不同的材料,使转子结构的重量进一步降低.据称,用于当前新研制战斗机的发动机,如果不采用整体叶盘将是不可想象的事.普惠公司在为一22研制的9发动机中,全部风扇及高压压气机转子均采用了整体叶盘,第1级风扇工作叶片做成空心的,用线性摩擦焊将空心叶片连接到轮盘上.这是用线性摩擦焊来加工最先进的发动机整体叶盘的一例.图2线性摩擦焊制造整体叶盘线性摩擦焊可用于非圆形截面构件的焊接,配置工装夹具可焊接不规则的工件.因而应用前景广阔.据英国焊接研究所(,ⅵ)的有关资料介绍,线性摩擦焊的潜在用途包括齿轮,链环,汽车保险杠,行李箱盖和地板块等塑料部件,双金属叶片以及金属与塑料的复合连接.目前,线性摩擦焊设备的造价还较高,故其应用范围有限,研制开发低成本的线性摩擦焊设备是未来的发展方向.如,ⅵ正在与欧洲多家组织研究开发适用性更强的低成本线性摩擦焊技术.国内在线性摩擦焊方面的研究还较少,有待于进一步开发.目前,我国航空工业总公司已将整体叶盘结构的线性摩擦焊技术列入了"航空制造技术中长期发展规划"与"航空新结构制造技术预研计划",这对于促进我国焊接制造技术的发展具有重要意义.可以预测,线性摩擦焊技术在2世纪必将得到广泛推广和应用问.2摩擦堆焊摩擦堆焊是常规摩擦焊热效应与普通电弧焊焊条作用及运动方式的有机结合.基本原理如图3所示.图中为堆焊压力,为耗材转速,为横向移动速度.消耗材料(即耗材)相对于母材高速旋转.在一定的轴向压力下与静止的母材接触并发生摩擦,摩擦一定时间后.接触面上产生粘塑性变形金属层.图3摩擦堆焊示意图由于耗材与母材的体积不同,导热性不同,冷却速度不同,最终使得摩擦界面两侧的温度梯度产生显着的差异【刀.母材一侧的温度梯度远比耗材一侧大得多.从而使耗材金属过渡到母材上,当母材相对于耗材移动时,就会形成连续堆焊层.摩擦堆焊工艺于20世纪50年代后期由前苏联研究人员开发出来,并成功应用于许多工业领域.随后,英美等许多国家也开始对此进行深入研究并应用.目前该工艺已在许多发达国家得到了较为广泛的应用.摩擦堆焊工艺是一种节省材料,堆焊效率极高的堆焊技术.采用该工艺可以获得大厚度,无稀释的表面堆焊层,既降低了堆焊层的成本,提高了堆焊层的质量,同时也避免了耗时费力的多层堆焊问题.如对于严重磨损的零部件,用摩擦堆焊方法进行多层堆焊.后面层的堆焊质量不低于第一层的堆焊质量,后面的堆焊层也不会产生其他一些额外的问题,这更加突出了摩擦堆焊在大厚度堆焊方面的优势.用摩擦堆焊沉积复合材料,需要使用中心填充有复合材料粉末的耗材.堆焊过程中,这些粉末充分沉积到发生强烈塑性变形的母材基体中,其结果是复合材料几乎没有稀释地与基体结合在一起.而且,对于金属基复合材料,摩擦堆焊由于堆焊温度低,硬质相不存在烧损.大大提高了堆焊质量.因摩擦堆焊工艺自身固有的快冷特性.堆焊可在多种位置进行.图4示意了摩擦堆焊方法可以实现的表面堆焊位置.总之,作为一种新型的堆焊工艺.摩擦堆焊具有一系列其他堆焊方法无法比拟的优点,对于改口呻图4摩擦堆焊在表面工程中的应用《热加工工艺》2006年第35卷第7期焊接版(2)进和提高产品的制造和修复技术水平具有重要的意义,其实际应用将产生巨大的经济效益和社会效益.在国外,该技术已广泛应用于堆焊抗蚀,耐磨敷层
三．表面焊接技术的应用
表面焊接技术是现代机械制造、维修业中一种必要的工艺方法，在汽车制造、维修中得到广泛的应用。汽车的发动机、变速箱、车桥、车架、车身及车厢六大总成都离不开焊接技术的应用。在汽车零部件的制造、维修中，点焊、凸焊、缝焊、滚凸焊、焊条电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、气焊、钎焊、摩擦焊、电子束焊和激光焊等各种焊接方法中，由于点焊、气体保护焊、钎焊具有生产量大、自动化程度高、高速、低耗、焊接变形小和易操作特点
四．非线性激光焊接技术应用
作为新型焊接技术，非线性激光焊接技术应用于汽车车身，为汽车制造商提供了更广阔的设计空间。在美洲豹公司第一个尝试使用这种改进后的先进技术后，包括宝马公司在内的其他一些高档车制造商也纷纷看好这种技术。为此，以此技术批量生产车身板件的CORUS公司目前正投资3000万英镑进行扩建，以提高其汽车车身板件焊接工厂的生产能力。 传统的车身板件设计是把不同等级、厚度和表面涂层的板件，用二氧化碳激光焊接工艺焊接在一起，实现整体的性能要求，各板件之间的焊缝均为直线。虽然这种焊接工艺能够减轻零部件的重量，降低汽车的油耗和排放，但不像非线性激光焊接技术那样，使用光纤将4kW的激光束传输到焊接点，解决在复杂工作环境下激光束的方向控制问题。同时，它的信号也与二氧化碳激光束不同，在二氧化碳激光束中，中心位置的能量要远高于周边区域，因此要求焊接位置十分准确。而非线性激光束的范围很宽，能量分配均匀，能够用于更大区域内的焊接作业，即使焊接位置不在激光束的中心，也能获得足够的能量，保证焊接质量的一致。 美洲豹公司率先采用这项新技术，用来加工其最新的X型豪华轿车的后门。由于用这项技术能够焊接复杂的曲面，在满足各种独特设计要求的同时，可减轻产品重量，而且板件的焊接痕迹也十分平整，有利于表面喷涂，因此，这种技术很快就得到了一些高档轿车生产商的青睐。 CORUS早在三年前就认识到了这种先进技术的重要性，并预测到这种技术能满足未来汽车零部件生产中降低重量和柔性设计的需求，其下属的技术公司也成为欧洲第一家能够批量生产非线性激光焊接车身板件的公司。
汽车工业中焊接新技术的应用 现今，汽车工业中的先进焊接技术很多，这里只列举出与车身焊接相关的焊接新技术。 1.电阻焊的节能及控制技术 (1)联体悬挂式点焊机 汽车工业中应用最多的是悬挂式点焊机，一个车间往往是几十或上百台，其容量大多在100kVA以上，在汽车薄板的焊接中得到了广泛的应用。 (2)电阻焊机 目前电阻焊机大量使用交流50Hz的单相交流电源，容量大、功率因数低 。发展三相低频电阻焊机、三相次级整流接触焊机(已在普通型点焊机、缝焊机、凸焊机中 应用)和IGBT逆变电阻焊机，可以解决电网不平衡和提高功率因数(可达0 9以上)的问题。 同时还可进一步节约电能，利于实现参数的微机控制，可更好地适用于焊接铝合金、不锈钢及 其他难焊金属的焊接。另外还可进一步减轻设备重量。 (3)电阻焊的控制 西南交通大学针对一工厂铝合金车圈对焊研制成车圈焊接PLC(可编程控制器)智能控制器，对原机进行了改造，解决了铝合金车圈的焊接质量问题，提高了焊接生产率。后又同一工厂研制了PLC缝焊控制器，解决了对一般清理要求制件的缝焊问题。通过这两项控制器的研制，证明了PLC比单片微机控制器抗干扰能力强，可靠性高；比工控机控制器体积小、成本低，使用通用的单相工频交流电阻焊机完成了高难度的对焊及缝焊工作。 2.气体保护焊接技术 (1)表面张力过渡的波形控制法 方法的关键是用2个电流脉冲完成1个熔滴过渡，第1个电流脉冲形成熔滴并使之长大，直至熔滴与工件短路；第2个电流脉冲是1个短时窄脉冲并不断检测其di/dt，同时控制电流脉冲值，以产生适当的电磁收缩力，使熔滴颈部收缩变细，最后靠熔池表面张力拉断，完成1个熔滴过渡而不产生飞溅。 (2)逆变电源波形控制 利用逆变电源良好的动特性和灵活的可控性，采用波形控制，在短路阶段初期抑制电流上升，以减少电磁力在刚形成小桥时熔滴过渡的阻碍和爆断，减少大颗粒飞溅，并利于熔滴在熔池摊开；当熔滴在熔池摊开后，使电流迅速上升，以加速形成缩颈，以后再慢速上升到一较低峰值，使小桥爆断时飞溅减少。 (3)氩弧焊新技术 氩弧焊有非熔化极(TIG)和熔化极(MIG)两种，均用于汽车工业有色金属和高合金钢焊接中。为了改善CO2气体保护焊的成形和减少飞溅，采用加入80%或20%Ar的混合气体保护焊。 3.高能束热源焊接及加工技术 高能束热源是指能量密度已大于5×108W/m2的热源(电子束、离子束和激光)，在汽车工业中均有应用，目前国外发展的新技术有： (1)激光和电弧复合加热焊接 激光焊接可焊出窄而深的焊缝，电弧焊接可焊出宽而浅的焊缝；前者投资大，后者成本低，两者特性组合，会大大提高焊接效率。激光和电弧复合加热焊接的焊炬设计特别重要，两热源的夹角要尽可能小，焊炬也设计成激光+双电弧电源。 该方法已在4～8mm厚的钢结构中使用，正拟用于更薄的汽车部件生产和铝合金焊接中。激光除了在焊接及精密切割中应用外，还在摩擦面形成储油细花纹或重熔复合层，以提高耐磨性方面应用。 (2)等离子体的应用 氩气保护的等离子焊接切割早已在各行业应用，主要用于合金钢和有色金属加工。目前空气等离子切割已普遍应用于一般钢铁和有色金属的切割，国内铁路客车厂引进了水下等离子切割，以减少变形和提高精度。发动机气阀体早已采用填充圈等离子焊接。近十几年来粉末等离子堆焊有很大发展，可进行小熔合比的薄层料精细堆焊，能堆焊各种特种合金表面。
舶焊接船
造船焊接技术是现代船舶制造的关键工艺技术，在船体建造中，焊接工时约占船体建造总工时的30%～40%，焊接质量是评价造船质量的重要指标，焊接效率直接影响到造船周期和船舶建造成本。因此任何一个造船厂都十分重视焊接设备的可靠性、先进性和对船舶焊接工艺的适应性。因此，焊接技术进步对推动造船发展具有十分重要的意义。 自20世纪80年代初，原中国船舶工业总公司开始在各大船厂研究开发和推广应用高效焊接技术，经十多年艰苦不懈的努力，船舶高效焊接技术取得了长足进步和丰硕成果，为提高船体建造质量，改善工人劳动条件，缩短造船周期起到重要作用。 随着造船业的迅猛发展，中国要发展成为世界第一造船大国，中国船舶重工集团提出，到2020年实现“三步走，翻两番”的发展思路，并且在造船产品上要从常规船舶向高技术、高附加值船舶迈进。这就要求焊接技术必须有更一步的发展，以适应造船业发展的要求。 回顾中国船舶工业总公司以高效焊接技术推广应用为主的焊接技术发展现状，分析存在的不利于发展进步的问题，对于今后造船焊接技术的规划与发展具有重要作用。 从目前的现状看，所采用的高效焊接方法上主要有普通埋弧焊、双丝埋弧焊、FCB法埋弧单面焊、重力焊、CO2气体保护焊、简易自动CO2气体保护平角焊、自动CO2气体保护平角焊、SG-2法垂直气电焊、各种衬垫单面焊等。焊接高效化率达到80%左右，焊接机械化、自动化率达到65%左右。消耗焊接材料的比率大致为：埋弧焊10%，CO2气体保护焊50%，铁粉焊条15%，其余为手工电弧焊。 在今后的推广与发展工作中，有以下几个问题亟需解决： 第一要有组织，宏观上统筹规划； 第二要重点扩大CO2气体保护焊，要从焊接设备的更新上提供数量上的保证； 第三要解决技术工人的培训，提高焊接效率和质量； 第四要增加前期技术准备，结合公司的发展，开发和应用自动管/管焊接技术，双丝CO2单面焊技术，大厚板气电焊技术，以及INVAR板焊接，铝合金球缸焊接LNG船焊接技术等，为造船发展提供焊接技术保证。
(一)焊接方法的选用及船体焊接工艺 ⒈? 焊接方法的选用 目前我国各船厂广泛应用的几种焊接方法的特点及其适用范围。 焊? 接? 方? 法特点适? 用? 范? 围 手 工 电 弧 焊 ? 设备简单，操作灵活方便，可进行各种位置的焊接。焊缝的机械性能好，但技术要求高，劳动强度大，生产效率低。广泛应用船体各种结构 埋弧焊埋 弧? 自 动? 焊保护完善，能量损失少，生产效率高。焊缝光滑、美观，机械性能好；减轻劳动强度，变形也小。但设备复杂，对焊缝清理要求较高。广泛应用船体结构中板厚不小于3mm的较长的对接及平角焊 埋弧半自动 焊主要用于船体结构中板厚不小于3mm的平角焊 气体保护 焊二氧气体保 护 焊操作性能良好。细焊丝能进行各种位置的焊接。生产效率高，成本低。抗锈能力强，切焊缝质量好，变形也小。但室外操作受风影响，影响焊接质量。用于焊接低碳铜及低合金钢，特别适宜于薄板的焊接，也可用于中厚板的焊接。接头的主要形式为对接、T型接头及搭接 钨极氩弧焊操作性能良好，焊缝成型美观，机械性能和抗腐蚀性能较好。电弧稳定，飞溅少，焊接变形小。 熔化极氩弧焊生产效率高。但在室外操作时受风影响，破坏氩气的保护作用，影响质量。成本也高。用于铝和铝合金及不锈钢的焊接 一般可用于平焊，但钨极氩弧焊也可用于除仰焊外的其他位置的焊接，且通常用于厚度不大于5mm的对接、T型接头。而熔化极氩弧焊则用于不小于5mm的平对接接头 熔化极氩弧 焊 电渣焊丝极电弧焊对于大厚度的焊件可以一次焊成，生产效率高，焊接材料消耗少。焊接时热源温度低，热量分散。焊缝中基本金属的熔化比可控制在10%以上，有利于调节焊缝金属的化学成分和降低焊缝金属中的有害杂质；不易产生气孔和夹渣等缺陷。但焊件热影响去宽，晶粒度大，焊后一般要进行热处理。设备笨重，机动性差。用于焊接厚度大于40mm的低碳钢、低合金钢及铸钢。焊缝位置为立焊，也可用于环形焊缝的焊接。主要接头形式为对接。当配用特制成形滑块时，可用于角焊缝的焊接。 通常采用丝极电渣焊和熔嘴电渣焊来焊接首、尾拄、尾轴架等 熔嘴极电渣 焊 板极电渣焊 管状熔嘴电 渣 焊 ? 2. ? 船体焊接工艺 ⑴手工单面焊双面成形 手工单面焊双面成形是借于开有坡口的焊缝处留有一定的间隙，并在反面垫衬开有成形槽的陶瓷板条，在进行单面手工焊的同时强制反面成形的一种方法。一般用于焊缝背面难以刨铲和封底焊的接缝，如球扁钢的对接等，也可用于大接缝中的局部甲板、平台及内底板的对接。 单面焊双面成形工艺应采取的措施： ① 板厚≥4mm时应沿接缝开出不留根的V型坡口，间隙约4～6mm。 ② 接缝背面平整，焊接前用粘性铝箔把陶瓷垫片粘贴固定在接缝背面，并在焊接过程中保持陶瓷垫片与工件紧贴。 ③ 第一层打底焊缝是焊缝反面成形的基础。焊接时宜采用直径较小的焊条(3～4mm)进行短弧焊接，电弧在间隙中逐渐前移，并使接缝两边边缘熔合良好。当一根焊条焊完后，应迅速更换焊条，在弧坑前方约10mm处引弧，逐渐过度到弧坑处，以防止焊接接头产生未焊透及焊缝背面成形产生凹陷几焊瘤等缺陷。 二.气电垂直自动焊接 采用1.6mm药芯焊丝，用CO2气体保护，并对焊接熔池强制一次成型的方法来完成的，焊缝的前后分别用水冷铜滑块和带有梯形凹槽衬垫，以保持熔池稳定和成型良好。
参考文献：
http://hi.baidu.com/smalllight/blog/item/83f70edfd65e4b13622798eb.html
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http://www.xici.net/b644000/d40643049.htm
现代制造业中先进焊接技术的应用.doc
