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| 现代科技引领焊接设备和技术的发展 | |||||
| 作者：未知 文章来源：未知 点击数： 更新时间：2009-12-29 | |||||
| 一概述 据焊接技术发达国家的专家们预测，到2020年，焊接仍将是金属加工和制造业的重要加工工艺。它是一种精确、可靠、低成本且采用高科技永久性连接材料的方法。目前为止，还没有其他方法能够比焊接更为广泛、可靠地应用于金属连接，并对所焊的产品增加更大的附加值。 据测：世界上有一半的金属制品是靠焊接来完成的。现有一个共同的标准，每亿吨钢材需25万台焊机。就我国而言，2004年钢产量达2．6亿t，从国外进口3300万t，由此可以算出将需要近75万台各类焊机。可见，焊机在现代工业中有着多么重要的地位。从焊接设备的发展来看是缓慢的，可以说是水平前进的，特别是具有革命性的突破，更是没有。从焊接能源的种类来看，目前仍停留在气体、机械、电能、光、声、等离子及太阳能等方面。新能源的发现和划时代的新型焊机还有待全世界焊接界的努力奋斗。尽管如此，在焊接设备领域，产品的技术水平和品种还是有了可喜的发展，如在焊接电源中由于逆变技术的应用和纳米晶材料的应用，使焊接电源发生了巨大变化，焊接性能有了极大的提高，在节能和省材方面都有目共睹，高科技、高效率和高品质正弓I领着焊接设备和技术的发展。 二．焊接设备的发展 1．纳米晶材料在焊机中的应用 近年来，由于逆变焊机技术的日臻完善，工作频率越来越高，对焊机心脏的主变压器的要求就越来越高，传统的铁芯材料硅钢由于损耗太大已不能满足要求了；铁氧体也因其热稳定性差，易饱和，工作状态不稳定也不适合高频大功率下使用。而20世纪80年代末期发展口 堡复曼塑 缸板 热加工技术的发展王小宝总经理的铁基超微晶材料，具有优良的综合磁性能，集硅钢、铁氧体的优点于一身，即高磁感、高磁导率、低损耗及优异的温度稳定性，使其迅速成为逆变电源变压器铁芯的最佳选择，特别是在高频大功率变压器上的应用更出色。非晶材料是采用冷却速度为1×106~／s的超急冷凝固技术，将熔融的钢液一次成形为厚度30 m的合金薄带。由于超急冷凝固，金属来不及结晶，合金中没有晶柱和晶界，因此被称为非晶合金。这种材料除上述优点外，还有高强度、高硬度、耐磨性、良好的韧性和耐蚀性、高电阻率。由于它的应用，使逆变焊机的发展有了很大的飞跃，可靠性有了保证。 2．逆变焊机的快速发展 逆变焊机在90年代初，我国一些厂家由于对逆变焊机的认识不足，盲目上马，结果故障率高，市场毁誉，厂家受损之后纷纷退出。90年代后期，认识有了进步，再加电力电子技术、控制技术、元器件及磁性元件的长足进步，可靠性问题基本解决，得到市场的认可，近几年有了惊人的发展。过去被称为“明天的电源”已迅速成为“今天的焊机”。 (1)器件质量提高是可靠性的保证功率开关器件内品闸管GTR、MOS发展到IGBT管具有电压型控制和饱和压降低的极大优越性；另一原因是变压器心脏，磁心材料由铁氧体发展到超微晶材料(纳米材料)，使其具有饱和磁感应强度高、温度稳定性好和居里点高等特点。 (2)设计成熟是可靠性的根本采用谐振技术、软开关技术和无损耗吸收网络设计等，降低了功率器件的开关损耗。焊机的电磁兼容设计，为抑制谐波，采用绿色设计，如有源滤波和有源功率因数校正技术，为抑制射频干扰，而采用软开关逆变技术(电磁干扰滤波)。 (3)大功率逆变技术的应用使焊机输出电流迅速增大 在以前，由于功率元件的限制，逆变焊机的输出电流一般都在300A以下。近年来，随着大功率逆变技术的应用，现已有几家公司展出了1000A、1250A和1500A的IGBT逆变弧焊机，负载持续为100％，主要用于单丝、双丝埋弧焊。其中硬开关型的效率可达80％；而软开关型可达92％。在手弧焊机和空气等离子切割机上，已有 630A级的手工弧焊机和250A级的切割机。 (4)逆变技术在各类焊机上的应用 逆变技术最早用于手工弧焊，晶闸管逆变焊机的问世最早。近年来，逆变技术成熟地应用于气保焊、氩弧焊、埋弧焊、电阻焊和空气等离子切割机，现已扩大到等离子弧焊、喷涂、激光、机器人、多丝高速焊和大功率焊，可以说几乎涵盖了所有的焊机。 (5)逆变式高速焊机已进入市场据悉，国际上奥地利、德国、法国已有小批量逆变式双丝、三丝高速焊设备进入市场。国内这类双丝自动焊(双丝同一导电阻)设备技术开发已得到初步成功，开始进入市场，双丝MIG脉冲焊设备正进入实质性研发阶段，并已有阶段性成果。 3．数字化和全数字化焊机的兴起近年来，在国内电焊机行业中有一个常被人们提到的热点，即数字化焊机，现越来越多地出现在焊接类的相关技术刊物上，也引起了人们的关注与讨论。从技术角度来看，数字化焊机包括实现焊接参数设置的“数字化焊接参数控制器”技术和实现对电源主回路功率器件进行直接控制的“数字化电源功率变换控制器”技术。前者是对焊接参数的数字化设定；后者是对电源外特性的控制。而全数字化则是同时采用以上两种数字化控制技术的焊机。成功的数字化焊机应是数字技术与焊接技术的完美结合，在此类焊机中数字化脉冲MIG焊机最能体现其优点，也最受市场认可。但数字化MIG／CO 、TIG焊 机的市场反映却不大。数字化焊机就是利用数字信号处理器和微机具有的数值计算、数值分析和实时控制的三个基本功能，来解 决焊接电源设备的自身问题，提升其功能与性能，以满足先进制造技术的需求。 在国外，20世纪90年代，奥地利Fronins公司推出了全数字化焊机。近年来，德国EWM、芬兰肯比公司、日本松下 OTC公司都相继推出了相应的产品，在国外焊接展览会上，已有大量这类焊机出现在展台上。近年来，国际上焊机数字化已成为热门，知名厂家 纷纷投入人力、财力，研制或在原焊机基础上采用这一技术，出现了以DSP为代表的数字控制焊机(数据微机处理)。这种焊机利用DSP功能，对给定信号流、参数反馈信号流和网压信号流作综合处理与运算，实现参数输出的高精度控制，达到焊接电流的数字化、信息化和柔性化控制。目前，国内数字化焊机仍处在研发阶段，也有少数厂家开始展出，进入市场，如唐山松下、北京时代、珠海雅各臣及上海通德机电公司等。 4．变极性焊接电源 变极性焊接电源是近10年发展起来的一种代替正弦波交流和方波交流焊机来焊接铝合金的新型焊机，是一种电流频率、正负半波电流值和时间比可以分别独立调节的方波交流电源。其输出为交流矩形波，电流过零极快，因此，电弧稳定性得到大大改善。在保证阴极清理作用的前提下，可以最大限度地减少钨极烧损。由于它也是一种脉冲型电源，其脉冲电弧对熔池有很强的搅拌 作用，因而可减少和抑制气孔的产生。其主要优点如下： (1)正负极性半波电流值和通电时间均可独立调节，可按不同材料、不同焊件形状选择最佳规范。 (2)电流调节范围大，可以从0．1~200A，也可方便组成400A、600A的焊接电源。 (3)直接输出精确稳定，波峰脉动率<0，5％，电流设定值漂移<1％。 (4)在正极性方波上可再叠加附加脉冲，进一步压缩电弧并搅拌熔池，细化焊缝晶粒。 (5)控制回路信号频率>10kHz，能快速响应电流指令。方波上升和下降时间<1 S，上升至峰值时无超量或不足。 (6)计算机控制，起弧用脉冲，能有效阻止信号线上的电磁波干扰。目前，这类焊机主要用于TIG焊、等离子焊、铝及铝合金。国外更多用于等离子焊，如果用在航空、航天领域，一次性焊接厚度可达16mm，焊接质量非常好。 目前国内的变极性焊机还处在研究、开发和推广阶段，已有少数厂家推出产品，如上海金通公司LHM匣一315型IGBT双重逆变式变极性等离子弧焊机，据称是我国第一代国产此类电源。目前，该焊机经试用、改进，已基本成熟。三 高效焊接设备成为研究重点高效化焊接是与焊接设备的机械化和自动化水平相关的，在20世纪80年代我国主要以手工焊为主，故当时的高效焊主要体现在重力焊、铁粉焊条和双焊条；90年代初，由于自动化与机械化水平有所提高，故开始出现和采用双丝埋弧焊、窄间隙焊。90年代中后期随着汽车、造船、集装箱以及大型结构件制造业的发展，使焊机的自动化水平日益提高，因此提高焊机速度，实现高效化焊接就成为今天人们研究的又一重点。 1．双丝焊(MIG，MAG焊)的特点 双丝焊设备的结构有两种：Twin ale法——两根焊丝共用一个导电嘴和一个气体喷嘴；Tandem法——两根焊丝分别使用单独的导电嘴，但共用一个气体喷嘴。由两个焊接电源、两个送丝机和共同的送双丝的电缆。为防止两电弧的相互干扰，采用脉冲MIG／脉冲MAG焊，保持两电弧交替燃烧。其性能特点如下： (1)焊速高。在薄板焊时，焊速可达3~6rrdmin，比普通单焊丝快5~10倍；在厚板焊时，可采用妒1．2mm焊丝。由于用的电流较大，所以提高了焊丝干伸长部分的电阻热，焊丝的熔化速度可大大提高。 (2)焊接质量好，焊铝时可减少气孔量，焊缝成形美观。 (3)可焊接低碳钢、普低钢、不锈钢和铝。市场情况：在第15届法国埃森展会上，已有法国、德国、美国和奥地利等几家公司现场展出了以上两种形式的双丝焊设备，主是是以机器人焊接形式出现。国内目前尚处于空白，还没有厂家生产，国内用户使用的也都是从国外购买的。据报道，珠海雅各臣公司从德国CLOOS公司引进了Tandem高速、高效MIG／MAG焊双丝技术，正在国内推广应用。焊2~3mm薄板时，焊速可达6rrdmint焊8mm以上厚板时，熔敷速度可达24kg／h。 2．TIME焊 TIME焊干1980年由加拿大人发明，后来在欧洲和日本得到应用。它采用四元保护气体：He(氦)26．5％，CO．8％，O．0．5％，其余为氩气。由于TIME焊的干伸长大，可充分利用干伸长的电阻热来提高熔敷速度。熔敷速度可达430g／min，送丝速度可达28~50m／min。 3．搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所1991年发明的一种新型固相连接方法，同年12fl在世界范围内申请了专利保护。这项发明引起世界焊接界的广泛关注，现已广泛应用在航天航空、船舶、铁路及汽车等工业。可焊接材料为：铜、铜合金、铅、锌、钛及合金、镁合金及低碳钢等。焊接设备的结构是机械装置加—个特殊而简单的搅拌头构成。因为搅拌摩擦焊产生的热量使被焊金属仅仅达到塑性状态，而未达到熔点，故属于固相连接技术。它可以焊一些传统焊接方法不易焊的金属材料，如铝、镁及铜等。国内情况：哈尔滨工业大学、南昌航空学院、上海交大和北京航空制造工程研究所都在进行此类的研究。而北京赛福斯特公司在得到英国专利许可的情况下，在中国市场上进行推广应用，已为国内多家企业和高校制造了这类设备。 四 混合式焊接方法 20世纪中期，由于焊接新能源的发现和发展比较缓慢，人们出于好奇心，不断寻求新的方法和更充分地利用热源。焊接工作者们开始尝试将各种焊接热源混合应用干同一焊接过程，其目的在于取长补短，或者强强结合，产生更强的作用。20世纪70年代，人们把等离子弧焊与熔化极气保焊结合起来，设计了一个新式焊枪，产生了第一个混合焊方法。使混合焊方法有了很大的进展，如：1972产生等离子，熔化极气保焊；1978年发展双波，电子束焊；1979年激光束，钨极氩弧焊；1987年双波，激光焊；1988年激光，熔化极气保焊；1991年激光，等离子电弧焊；2002年激光辅助搅拌摩擦焊。 (1)等离子，熔化极气保焊主要优点是在小电流时，由于有等离子对电弧的保护，所以在高速焊接时，电弧的稳定性增大；在大电流时，由于等离子作用，电弧旋转，从而产生一个具有高熔敷率、低热输入和浅熔深的精细熔滴过渡。目前这类焊机并不流行。 (2)激光／TIG焊 激光位于TIG焊枪正前上方，两种热源都集中在工件同一处，这样可加大熔透率。TIG焊起预热作用，再加上激光束加热，使焊接熔深及速度大大提高。其特点是，激光使TIG焊的阳极斑点作用增大。目前这种焊接方法及技术已广泛应用，但仍在继续研究中。 (3)激光辅助熔化极气保焊(1991) 其优点是热影响区窄、变形小、熔深大、焊速快，可避免焊缝裂纹、影响区硬化和脆裂现象，现已用于造船和汽车工业。 (4)激光辅助搅拌摩擦焊利用激光对工件进行预热、软化，以减少搅拌摩擦焊的压力和移动的力。 (5)双波电子束焊(1987～2003年) 在焊缝两边或者一前一后。其优点是飞溅少，焊缝软化率低，裂纹、气孔少，外观整齐。现已用于汽车工业。 五，大型焊接装备的现状及发展趋势 1．大型焊装设备的现状 大型自动化焊接装备从结构形式上大体可分成从下几种类型： (1)大型自动化焊接单机通常采用门架式或龙门结构，如大型造船厂应用的门架式钢板纵缝拼焊机，采用多丝高速埋弧焊工艺，配真空吸盘平台或电磁平台，最大焊接行程达12m，一次行程可焊板厚最大为40mm。 (2)大型组合焊机或焊接中心 由大型焊接操作机与工件变位机械或翻转机等组成。如立柱横梁或龙门式重型容器焊接中心、工字梁或箱形梁自动组合焊机等。 (3)大型焊接工作站 由两台以上焊接操作机或机器人与相应的工件变位机械配套而成，可交替或同时焊接同一工件的各条焊缝。如由四台MIG／MAG焊操作机组合的集装箱外壳焊接工作站，中型客车外壳机器人焊接工作站 (4)焊接生产线 将切割下料，组装、焊接，校正或成形等多个工作站由输送辊道、翻转设备和变位机械等组合成连续的生产线。如H型钢焊接生产线、薄壁容器焊接生产线、大直径管道焊接生产线等。 (5)柔性焊接生产系统 由具有自适应焊缝跟踪系统功能的单台或多台焊接操作机或机器人与工件装夹、变位机械组合而成的加工中心，适用于产品规格多变的小批量生产。如汽车后桥柔性焊接生产系统、装卸机部件的柔性生产系统和汽轮机导流隔板的柔性制造系统等。 (6)计算机集成制造系统，亦称全集成自动化制造系统 该系统是将焊接机器人或焊接操作机、焊接电源、工件变位机械、输送辊道、半成品库、零件库和原材料库等生产设备和物料供应系统的工作程序的编制、工作参数的设置、生产过程的监控、数据处理、人机界面和通信网络集成在1台商用或工业Pc机上，通过现场总线profibus和ET一200分布式I／O模块等联结成完整的集成自动化系统。利用CAD／CAM／CAE／CAPP／PDM计算机软件可以实现产品图样设计、制造工艺编制、生产计划安排、生产过程监控、生产和物料管理等一体化。计算机集成制造系统可以是一条生产线，也可以是整个车间的生产设备，甚至是整个工厂的生产过程和物料的管理。自动控制和信息技术在制造业中的广泛应用，彻底改变传统制造业的面貌，其中焊接生产过程的全自动化已成为一种迫切的需求，它不仅可大大提高焊接生产率，更重要的是可确保焊接质量，改善操作环境。随着整个制造业水平的提高，企业的经营理念发生了很大变化，高产量已让位于高质量，劳动密集型已逐步被知识密集型所取代。大量采用自动化焊接专机、机器人工作站、生产线和柔性制造系统已成为一种不可阻挡的趋势。 2．大型焊装设备的发展趋势 纵观当今世界焊接装备制造业的发展趋势，可以概括为如下几个特点： (1)高精度、高质量、高可靠性如与焊接机器人配套的焊接变位机，最高的重复定位精度为±0．005mm，机器人和焊接操作机行走机构的定位精度为±0．1mm，移动速度的控制精度为±0．1％。 (2)数字化、集成化和智能化控制 焊接过程的数字化控制比传统的金属切削加工要复杂得多，它必须考虑焊件几何形状的偏差和接缝装配间隙误差，以及焊件焊接过程中的热变形，采用各种高级别传感技术，开发先进的自适应控制系统才能实现焊接过程的全自动化。某些形状复杂和质量要求高的焊件，还必须采用智能化的计算机软件控制。 (3)大型化和组体化 如中重型厚壁容器焊接中心、集装箱外壳整体组装焊接中心、汽轮机导流隔板柔性制造系统、箱型梁焊接生产线及机车车箱总装组焊中心等。某些大型焊接中心和生产线占地面积可达整个车间。焊接操作机、配套焊件变位机械、搬运机械和传输辊道组合联动，形成制造系统或焊接生产线。 (4)多功能化 为发挥大型自动化焊接装备的效率，通常设计成适用于多种焊接方法和焊接工艺，如单丝、多丝埋弧焊、单丝双丝窄间隙焊、MIG／MAG焊和带极堆焊等。 (5)管控一体化 即通过企业的局域网，利用CAD／CAM／CAE／CAPP／PDM等计算机软件，将生产管理与制造系统实行集成全自动化控制，实现脱机编程，远程监控、诊断和检修。 |
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