現(xiàn)代焊接技術(shù)的種類及應(yīng)用特征

潘彥江

(定西中醫(yī)藥科技中等專業(yè)學(xué)校，甘肅 定西 748100)

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的持續(xù)升級(jí)，社會(huì)生產(chǎn)和人們生活所使用的產(chǎn)品、設(shè)備越來越豐富，產(chǎn)品的種類、技術(shù)在創(chuàng)新和升級(jí)的過程中，焊接技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛?，F(xiàn)代化的高效率生產(chǎn)加工導(dǎo)致傳統(tǒng)的焊接加工模式不能完全滿足生產(chǎn)工藝、焊接質(zhì)量、成本控制等多方面要求，焊接技術(shù)與設(shè)備的升級(jí)已成為工業(yè)生產(chǎn)的主要需求。尤其在機(jī)械行業(yè)、汽車行業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、建筑業(yè)等領(lǐng)域，對(duì)于先進(jìn)焊接設(shè)備的依賴性更強(qiáng)，促進(jìn)了我國(guó)焊接技術(shù)研究與理論體系建設(shè)的逐漸加深，各行各業(yè)所能應(yīng)用的焊接設(shè)備和技術(shù)也得到了持續(xù)豐富，為生產(chǎn)加工提供了強(qiáng)有力的保證。

1 焊接技術(shù)特征與現(xiàn)狀

焊接是工業(yè)生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的生產(chǎn)加工手段，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料之間的融合連接，利用加熱、加壓等方式，促進(jìn)金屬原子產(chǎn)生結(jié)合與擴(kuò)散作用，最終形成穩(wěn)定持久的結(jié)合狀態(tài)。焊接技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用分為兩個(gè)主要階段，一是在20世紀(jì)80年代之前，以傳統(tǒng)的手工焊接設(shè)備為主，利用焊接技術(shù)替代部分機(jī)械制造過程中的螺紋連接、鉚接、鑄造、鍛造等方式，能在一定程度上降低生產(chǎn)成本，主要以人工操作的手提電焊機(jī)、氬弧焊機(jī)、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的設(shè)備為主，自動(dòng)化和成套化特征不明顯。二是在20世紀(jì)80年代以后，從德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家先后引進(jìn)了技術(shù)更為成熟的成套焊接設(shè)備，一方面彌補(bǔ)了我國(guó)工業(yè)上焊接加工能力不足的問題，也在一定程度上引領(lǐng)了焊接技術(shù)與自動(dòng)控制、機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，為焊接設(shè)備向數(shù)控化、精確化、復(fù)合化生產(chǎn)方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)的焊接技術(shù)得到了快速發(fā)展，逐漸能夠滿足我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國(guó)的鋼材產(chǎn)量達(dá)到50 091萬t，據(jù)常規(guī)鋼材用途來看，約有55%～60%的鋼材會(huì)用于焊接加工，此外，鋁合金、鎂合金、鈦合金的材料也有很高的焊接加工需求，有效刺激了我國(guó)焊接產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，從焊接技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用來看，先進(jìn)的全自動(dòng)焊接生產(chǎn)線逐漸在汽車制造、機(jī)械產(chǎn)品制造、醫(yī)療機(jī)械、農(nóng)機(jī)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用，配套的焊接技術(shù)逐漸從傳統(tǒng)的電弧焊，向激光焊接、復(fù)合焊接、摩擦焊接等更先進(jìn)的方向進(jìn)步，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套焊接生產(chǎn)線和控制系統(tǒng)普及率持續(xù)提高，焊接生產(chǎn)過程不僅向著高效、精確、智能方向發(fā)展，而且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綠色、節(jié)能、低消耗，進(jìn)一步迎合了焊接加工市場(chǎng)需求。

2 焊接技術(shù)的分類

2.1 根據(jù)焊接原理的分類

根據(jù)焊接原理的不同，焊接技術(shù)大體分為三大類，一是利用焊接設(shè)備將金屬材料需焊接的位置融化，然后將焊接面進(jìn)行結(jié)合，使其連接成為一體，部分熔化焊接過程也會(huì)向焊接位置添加部分原料；二是釬焊，主要是選用特定的金屬材料用于焊接，焊接過程選用金屬材料的熔點(diǎn)需低于待焊接零件金屬材料熔點(diǎn)，將用于焊接的金屬材料稱為釬料，在焊接過程僅釬料融化，被焊接零件母材金屬不融化，利用添加材料的形勢(shì)實(shí)現(xiàn)焊接；三是采用壓力及摩擦的方式進(jìn)行焊接，通過摩擦或物理升溫等方式提升金屬材料接觸面局部厚度的溫度，使其處于融化狀態(tài)后施加較大壓力，促使金屬零件在冷卻后結(jié)合。

2.2 根據(jù)自動(dòng)化程度的分類

2.2.1 人工焊接技術(shù)

1)手工電弧焊。手工電弧焊主要通過工人操作手提式電焊機(jī)或中大型輪式電焊機(jī)進(jìn)行焊接作業(yè)，其利用電弧在空氣中放電反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量作為熱源，手工電弧焊具有設(shè)備成本低、使用簡(jiǎn)單、焊接靈活性高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于碳鋼、鑄鐵、合金、不銹鋼等金屬材料加工領(lǐng)域。

2)手工氣體保護(hù)焊。嚴(yán)格來講氣體保護(hù)焊屬于電弧焊的一種，是利用電弧原理實(shí)現(xiàn)對(duì)焊絲及金屬的加熱，其與普通電弧焊的區(qū)別在于利用二氧化碳、氬氣等作為焊接過程中的保護(hù)氣體，實(shí)現(xiàn)在焊絲與被焊接零件接觸放電和金屬熔化、融合的過程中降低空氣中氧氣、氮?dú)獾炔焕蛩氐挠绊?，從而有效提高焊接質(zhì)量與可靠性，且不易影響金屬材料的理化性質(zhì)。

3)手工可燃?xì)怏w焊。主要是利用可燃?xì)怏w(如乙炔)等燃燒過程產(chǎn)生的高溫將焊接材料或被焊接零件升溫融化，實(shí)現(xiàn)材料之間的結(jié)合。

2.2.2 自動(dòng)化焊接技術(shù)

傳統(tǒng)的人工焊接技術(shù)是自動(dòng)化焊接發(fā)展的基礎(chǔ)，自動(dòng)化焊接技術(shù)主要是應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需求而生的，一方面，生產(chǎn)過程對(duì)于焊接效率、焊接精確性的要求越來越高，另一方面，很多新型的焊接技術(shù)如等離子焊接、激光焊接等，不適合于熱工操作，加之電氣技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，都促進(jìn)了自動(dòng)化焊接技術(shù)的形成，其常見焊接設(shè)備及技術(shù)如下。

1)傳統(tǒng)焊接技術(shù)的自動(dòng)化升級(jí)。傳統(tǒng)的電弧焊、可燃?xì)怏w焊在技術(shù)層面上具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠滿足大部分工業(yè)生產(chǎn)對(duì)焊接作業(yè)的需求，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，常利用機(jī)電控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)替代傳統(tǒng)的人工焊接，由自動(dòng)化程度很高的電控機(jī)械設(shè)備完成焊接過程。通過在機(jī)械臂、焊接平臺(tái)上安裝氬弧焊、保護(hù)焊、可燃?xì)怏w槍、焊絲供應(yīng)等設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)焊接技術(shù)的現(xiàn)代化實(shí)施。數(shù)控下的焊接能更好地保證焊縫的均勻性，提高焊接效率，且能有效降低用工成本，利用自動(dòng)化設(shè)備完成傳統(tǒng)的焊接工作，已成為焊接技術(shù)及相關(guān)設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2)等離子數(shù)控焊接?？紤]到傳統(tǒng)的焊接熱量會(huì)不可避免地對(duì)金屬零件產(chǎn)生較大范圍的理化性能影響，為降低焊接過程的不利因素，等離子焊接能實(shí)現(xiàn)在基材最小加工量的前提下進(jìn)行焊接作業(yè)，在數(shù)控技術(shù)的輔助下，等離子焊接能夠在均勻穩(wěn)定的電弧下實(shí)現(xiàn)熱量集中的焊接，既能通過熱熔實(shí)現(xiàn)金屬連接，還具有熱影響不利因素低、熱影響范圍小、零件變形小等優(yōu)點(diǎn)，能完成極小間隙的金屬材料焊接。既適用于常規(guī)金屬材料，還能完成鎢、鎳、鉬、鈦等熱敏合金的焊接。隨著等離子數(shù)控焊接設(shè)備的發(fā)展，所應(yīng)用的技術(shù)也由過去簡(jiǎn)單的離子弧焊接發(fā)展為脈沖等離子弧焊接、微束等離子弧焊接等，焊接質(zhì)量和工藝得到了全面提升。

3)激光數(shù)控焊接。除等離子焊接技術(shù)外，利用能量集中的高密度激光束進(jìn)行焊接也成為了21世紀(jì)興起的一項(xiàng)高效焊接技術(shù)，我國(guó)的激光焊接技術(shù)及設(shè)備在國(guó)際上具有很強(qiáng)的影響力。激光焊接是利用激光束的持續(xù)作用將激光照射點(diǎn)的金屬熔化，熔化深度與激光能量和照射時(shí)間直接相關(guān)，通常情況下，焊接用激光束的功率在104～107 W·cm-2范圍，能夠適應(yīng)不同材料、不同厚度的金屬焊接需求。

激光焊接的流程為激光輻射→熱傳導(dǎo)→表面熱熔→深層熱熔→激光束延焊縫移動(dòng)→焊接完成冷卻?，F(xiàn)階段應(yīng)用的激光數(shù)控焊接技術(shù)包括均勻熱傳導(dǎo)焊接、脈沖式熱傳導(dǎo)焊接、深溶焊接等，激光焊接具有效率高，焊縫均勻且強(qiáng)度高，激光焊接過程多配套惰性氣體保護(hù)，能更好地保證焊接質(zhì)量和金屬零件性能。激光數(shù)控焊機(jī)工作狀態(tài)如圖1(a)所示，焊縫狀態(tài)如圖1(b)所示。

圖1 激光數(shù)控焊機(jī)及焊縫效果

4)電阻焊接機(jī)床。電阻焊是利用大電流流經(jīng)焊接件，在焊縫接觸位置因接觸電阻產(chǎn)生高溫而使金屬熔化，當(dāng)焊縫位置接觸面的金屬融化到適當(dāng)程度后，對(duì)其施加一定壓力，使兩零件實(shí)現(xiàn)結(jié)合。電阻焊在工業(yè)制造業(yè)、汽車制造業(yè)應(yīng)用廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)焊、縫焊、對(duì)接焊等多種加工要求，且電阻升溫效率快，能有效提高生產(chǎn)效率，尤其應(yīng)用于點(diǎn)焊時(shí)，具有高效優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)。對(duì)于對(duì)接焊，由于電阻發(fā)熱可能存在不均勻，通常用于對(duì)接焊要求不高的場(chǎng)合。

5)液壓摩擦焊機(jī)床。液壓摩擦焊與對(duì)接電阻焊的焊接過程類似，不同的是摩擦焊是將一個(gè)零件高速旋轉(zhuǎn)后向另一個(gè)零件靠近，焊接面接觸后由于摩擦力的作用迅速產(chǎn)生高溫，使焊接表面的金屬熱熔后，通過液壓系統(tǒng)加壓，使兩零件結(jié)合，多用于軸類零件的加工。與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，摩擦焊對(duì)于軸類零件的焊接質(zhì)量更高，尤其是接縫處結(jié)合良好，可達(dá)到與基體材料一致的強(qiáng)度，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，精度高，環(huán)境污染小，且可用于不同材料的焊接。液壓摩擦焊機(jī)床如圖2(a)所示，焊縫效果如圖2(b)所示。

圖2 液壓摩擦焊機(jī)床及焊縫效果

3 現(xiàn)代焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

現(xiàn)代焊接技術(shù)除在焊接工藝上進(jìn)行革新與提升外，必須具備良好的自動(dòng)化和智能化程度，隨著焊接技術(shù)向無損化、無耗材、低污染發(fā)展的同時(shí)，焊接的質(zhì)量、精確性受到焊接設(shè)備自動(dòng)化程度的影響很大。從現(xiàn)階段我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中使用的自動(dòng)焊接設(shè)備來看，大部分采用簡(jiǎn)單的數(shù)字化控制技術(shù)，主要通過在指定的生產(chǎn)工位上預(yù)設(shè)焊接手臂或平臺(tái)的工作步驟和工作位置，由系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)程序控制機(jī)器人一步步完成焊接操作，易受到環(huán)境變化、累積誤差、零件加工誤差的影響而降低焊接質(zhì)量。因此，未來要進(jìn)一步提升焊接的自動(dòng)化程度和智能化程度，還應(yīng)對(duì)更先進(jìn)的自動(dòng)焊接技術(shù)加強(qiáng)應(yīng)用，如應(yīng)用電弧傳感器、計(jì)算機(jī)視覺傳感器或修正焊縫位置，不同焊接形式的實(shí)用性對(duì)比如表1所示。

表1 不同焊接形式的實(shí)用性對(duì)比

4 結(jié)語

綜上所述，我國(guó)現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用的焊接技術(shù)種類繁多，焊接設(shè)備也逐漸向自動(dòng)化、數(shù)控化的方向轉(zhuǎn)型，但隨著信息時(shí)代、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來，焊接自動(dòng)化也應(yīng)在單一功能的編程數(shù)控焊基礎(chǔ)上向智能化程度更高的診斷、檢測(cè)、人工智能方向發(fā)展，并采用多種焊接技術(shù)的組合應(yīng)用，以提高焊接質(zhì)量與焊接效率。