工程機(jī)械中高效焊割技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

沈根平

（江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 江陰 214433）

隨著房地產(chǎn)、高速公路、地鐵、大型機(jī)場(chǎng)等行業(yè)高速發(fā)展，工程機(jī)械生產(chǎn)朝著專業(yè)化、高效化方向進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)焊接件本身的要求越來越高。主要體現(xiàn)在焊接的尺寸愈來愈大，材料的強(qiáng)度越來越高，材料的厚度在增加，機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜，焊縫的數(shù)量愈來愈多。特別是在特殊功能的大型設(shè)備制造過程中，對(duì)焊接內(nèi)部質(zhì)量和焊接變形的要求非常高。

1 工程機(jī)械的高割焊接

在工程機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)當(dāng)中，焊割工序占據(jù)了重要的地位，約占結(jié)構(gòu)件工作量的55%～75%。焊接結(jié)構(gòu)件中的焊割方法對(duì)生產(chǎn)效率和質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用，對(duì)整個(gè)工程機(jī)械質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，包括設(shè)備穩(wěn)定性、使用壽命等。工程機(jī)械中切割技術(shù)主要指材料的分離方法；而工程機(jī)械中焊接是指用電弧的高溫將兩個(gè)不同的金屬通過焊接材料形成高強(qiáng)度的接頭的加工方法。高效焊割指的是比原有的焊割工藝具有更高的焊割效率的技術(shù)，這些焊割技術(shù)在制造2025具有非凡的意義。

2 工程機(jī)械的焊割技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1 火焰切割

火焰切割是下料最常用的方式，其利用可燃?xì)怏w（乙炔、丙烷或者天然氣等）和助燃?xì)怏w（氧氣等）燃燒火焰對(duì)材料進(jìn)行切割，其本質(zhì)是金屬的燃燒，其加工厚度2～1 200 mm，但低于10 mm 的板火焰切割易產(chǎn)生變形?；鹧媲懈钤O(shè)備的成本低，但氣體的安全性要求高，割縫的質(zhì)量不光滑，焊接前需要進(jìn)行打磨。目前大部分企業(yè)都采用數(shù)控火焰切割方法，對(duì)于一些現(xiàn)狀單一的產(chǎn)品是可行的，但對(duì)一些形狀復(fù)雜的大型產(chǎn)品，還有待提高。

2.2 CO2氣體保護(hù)氣體焊

工程機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)焊接過程中，目前以半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)實(shí)芯焊接為主，以工件與焊絲之間的產(chǎn)生的強(qiáng)烈電弧來熔化母材和焊材的方法。與其他焊接方法相比，CO2氣體保護(hù)焊實(shí)現(xiàn)焊絲自動(dòng)送絲，金屬熔化量較大，生產(chǎn)效率高及焊接質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)。CO2氣體保護(hù)焊采取明弧焊接，熔池便于觀察，對(duì)操作者的要求低，能夠?qū)崿F(xiàn)全位置焊接。另外，現(xiàn)在有部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)CO2氣體保護(hù)機(jī)械手操作，實(shí)現(xiàn)送絲和運(yùn)條都是按程序進(jìn)行，在壓縮電弧的保護(hù)下，焊接電弧相對(duì)集中，進(jìn)一步提升了焊接速度，熔池較小，熱影響區(qū)變窄，焊件焊后變形明顯減小，具有良好的抗裂性能。特別是在薄板為主的產(chǎn)品焊接中，采用氬氣和二氧化碳混合氣體的焊接，可以明顯產(chǎn)生產(chǎn)品的飛濺，同時(shí)焊得良好的外觀成形和可靠的焊接內(nèi)部質(zhì)量。

2.3 焊接變位機(jī)械

為了確保工程機(jī)械焊接中焊縫處在最有利的位置，所以在焊接過程中配置焊接變位機(jī)，讓其回轉(zhuǎn)軸可以作為外部軸，保持與焊接協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。變位機(jī)機(jī)械可以調(diào)整高度來滿足工件裝卸的需求，以便提高生產(chǎn)施工的便捷。同時(shí)，變位機(jī)機(jī)械匹配合理的裝夾工具，使得焊接裝配更加容易和高效，縮短時(shí)間，全面提高工程機(jī)械的裝焊質(zhì)量。焊接變位機(jī)已悄然成為工程機(jī)械的一種不可缺少的設(shè)備。焊接變位機(jī)械在我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)，有了較快的發(fā)展，獲得了廣泛的應(yīng)用。就其型式系列和品種規(guī)格而言，已問世的，約有十余個(gè)系列，百余品種規(guī)格，正在形成一個(gè)不小的行業(yè)。

3 工程機(jī)械的焊割技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 等離子切割機(jī)

等離子切割配合不同的工作氣體可以切割各種氧氣切割難以切割的金屬，尤其是對(duì)于有色金屬（不銹鋼、鋁、銅、鈦、鎳）切割效果更佳；其主要優(yōu)點(diǎn)在于切割厚度不大的金屬的時(shí)候，等離子切割速度快，尤其在切割普通碳素鋼薄板時(shí)，速度可達(dá)氧切割法的5～6倍，熱變形小、較少的熱影響區(qū)。精細(xì)等離子切割技術(shù)應(yīng)用高精度，高速度的機(jī)床以及精細(xì)等離子切割電源，可以智能地控制氣體流量，對(duì)板材實(shí)現(xiàn)圓孔切割，精細(xì)等離子氣割技術(shù)已成為金屬切割工業(yè)中先進(jìn)的加工方法。但等離子切割會(huì)產(chǎn)生大量的金屬煙層和有害氣體以及電磁輻射，因此，需佩戴專業(yè)防護(hù)眼鏡及面部罩，避免弧光對(duì)眼睛及皮膚的灼傷，需要通風(fēng)并佩戴多層過濾的防塵口罩，避免產(chǎn)生煙氣對(duì)人體的毒害。

3.2 激光切割

激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割金屬，使金屬很快被加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束對(duì)材料的移動(dòng)，孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，完成對(duì)材料的切割。激光切割后，割縫邊緣光滑無氧化物，一般不需要再加工就能直接裝配，因而可以有效提高生產(chǎn)效率，降低人工成本。目前在工程機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用主要有平板下料、三維成形件下料等，激光切割技術(shù)也從最初的固體激光發(fā)展到光纖激光，其中70%主要用于8 mm 以下的薄板切割，20%用于12 mm 以下中厚板切割。激光切割能夠高速的切割物品，減少下料的時(shí)間、節(jié)約資金成本，同時(shí)減少切割加工的變形。另外，激光切割產(chǎn)生的金屬污染物少，對(duì)減少空氣污染和提高工作環(huán)境也是有利的。未來，激光切割將是工程機(jī)械制造業(yè)的最標(biāo)準(zhǔn)最常用的下料手段。

3.3 柔性組合夾具

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程機(jī)械制造發(fā)生了顯著的變化，多品種小批量的生產(chǎn)占了很大優(yōu)勢(shì)。由于產(chǎn)品更新快，專用夾具造成積壓特別是多品種的夾具，暫時(shí)不生產(chǎn)時(shí)，占用場(chǎng)地，造成不必要的浪費(fèi)。柔性組合夾具是一種成本低、制造周期短、又能適應(yīng)不斷變化差的產(chǎn)品對(duì)象的一種先進(jìn)夾具，使之適合新的生產(chǎn)特點(diǎn)需要。一些專業(yè)的公司開發(fā)出了柔性組合式三維焊接工裝，并逐漸從滿足工程機(jī)械制造機(jī)器人技術(shù)以及設(shè)備裝配和檢測(cè)設(shè)備等，從而保證工程機(jī)械生產(chǎn)的整體流程更為順暢。

3.4 數(shù)字化智能焊接電源

數(shù)字化智能焊接技術(shù)是指用單片機(jī)技術(shù)來控制焊接電源的運(yùn)行狀態(tài)，使其達(dá)到焊接產(chǎn)品所提出的要求，以得到完全合格的焊縫。數(shù)字化智能焊接技術(shù)的核心就是焊接電源的數(shù)字化。和其他專業(yè)領(lǐng)域一樣，焊接技術(shù)的發(fā)展同樣得益于數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展。

3.4.1 主電路的數(shù)字化

即從模擬式焊接電源發(fā)展到現(xiàn)在大量應(yīng)用的是IGBT、MOSFET或雙極性晶體管式弧焊逆變器。而且涉及的焊接方法和材料范圍越來越廣，功率越來越大，相對(duì)體積越來越小。

3.4.2 控制電路的數(shù)字化

就控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)而言，數(shù)字化焊接電源的控制部分由單片機(jī)或/和DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）共同構(gòu)成，對(duì)給定信號(hào)流、參數(shù)反饋流和網(wǎng)壓信號(hào)流作綜合處理與運(yùn)算、控制，達(dá)到焊接電源的數(shù)字化、信息化、柔性化的控制。

3.4.3 人機(jī)接口技術(shù)

人機(jī)交互系統(tǒng)是人機(jī)最直接的操作界面，是操作者向計(jì)算機(jī)輸入信息、發(fā)出指令及觀察現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)和信息的窗口，具有友好性、功能性、靈活性、一致性、可靠性等特點(diǎn)。國(guó)外已有焊機(jī)將液晶顯示和鍵盤操作相結(jié)合，進(jìn)行焊接方法、焊接工藝參數(shù)設(shè)置和信息顯示等的人機(jī)交互過程。

3.5 軟件和傳感系統(tǒng)的應(yīng)用

先進(jìn)的焊接機(jī)器人的工作站對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件和傳感系統(tǒng)技術(shù)的使用較多，其功能主要包括一些生產(chǎn)的跟蹤、定位、反饋和調(diào)整等。在焊接正常進(jìn)行過程中，電弧的傳感器會(huì)對(duì)焊接電流和電弧電壓的檢測(cè)，并反饋到工作站，并根據(jù)專家系統(tǒng)的模型自動(dòng)修調(diào)整實(shí)際工作中與系統(tǒng)的位置偏差。同時(shí)目前應(yīng)用的工作站，對(duì)裝配的要求比較高，電流的大小，擺動(dòng)的幅度，停頓的時(shí)間是由程序控制的，將來通過傳感器和軟件，焊接過程中不斷測(cè)量并反饋數(shù)據(jù)，工作會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，以獲得良好的外觀成形已經(jīng)可靠的內(nèi)部質(zhì)量。

4 結(jié)語

當(dāng)前工程機(jī)械的高效焊割技術(shù)，比過去有了高速發(fā)展，主要以數(shù)控火焰切割、等離子切割切割，CO2氣體保護(hù)氣體焊（包含機(jī)器人），專用夾具等。當(dāng)然，隨著科技的發(fā)展越來越快，產(chǎn)品的周期越來越短，焊接的外觀質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量越來越高，工程機(jī)械的高效焊割技術(shù)將朝著減少能源的消耗與浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，保證工人有良好的施工環(huán)境，保證施工的安全性與可靠性，保證產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定方向發(fā)展。