我國焊接生產現狀與焊接技術的發展

2018-11-26 13:26:00
陸啟蒙
原創
10045
摘要:中國在 2004 年焊接結構的用鋼量已經突破 1 億噸,成為世界最大的焊接制造大國。 自改革開放以來, 完成了許多具有標志性的重大產品,焊接在國民經濟建設中發揮著不可替代的重要作用。 文章分析了我國焊接材料生產與應用、焊接機器人分布、焊接技術人員與焊工的教育與培訓情況。指出雖然焊接材料生產總量及焊絲產量增加迅速, 我國成為世界最大的焊材生產與消費國,但是手工焊條的比重仍占 75%以上,焊接的機械化自動化率為 35%左右,焊材產量與鋼產量之比高達 0.77%,這些問題應盡快解決。根據國際焊接技術的發展趨勢,提出在造船業中應重視焊接機器人、數字化焊接電源和激光、攪拌摩擦焊和高效焊接等新工藝技術的發展與應用,吸引優秀人才到焊接生產第一線,加強政產學研的聯合,以優質、高效、低成本的優勢,增加我國造船業在國際競爭中的實力。

1 我國焊接生產的現狀

焊接是一種將材料永久連接,成為具有給定功能的結構的制造技術。幾乎所有的產品,從幾十萬載重噸的巨輪到不足 1 克的微電子元件,在生產中都不同程度地依賴焊接技術。焊接已經滲透到制造業的各個領域,直接影響到產品的質量、可靠性和壽命,以及生產的成本、效率和市場反應速度。我國 2004 年的鋼產量達到 2.6 億多噸, 如果再加上進口的鋼材, 國內市場流通的鋼材總量接近 2.8 億噸,成為世界最大的鋼材生產國和消費國。目前,鋼材是我國最主要的結構材料, 在今后 20 年內,鋼材仍將占有重要的地位。然而,鋼材必須經過加工才能成為有給定功能的產品。 由于焊接結構具有重量輕、成本低、質量穩定、生產周期短、效率高、市場反應速度快等優點,焊接結構的應用將日益增多。 2004年我國用焊接方法加工的鋼材總量已經突破 1 億噸,成為世界上最大的焊接大國。焊接在國民經濟建設和社會發展中發揮著無可替代的重要作用,因此,發展我國制造業, 尤其是裝備制造業和造船業,必須高度重視焊接技術的同步提高。

為了完成諸多重要產品的焊接任務,在近 25年來我國已經先后自行研制、開發和引進了一些先進的焊接設備、技術和材料。目前國外在生產中已經采用的成熟焊接方法、材料與裝備在我國也都有應用,只是應用規模和廣度不同。我國的制造企業已經在采用諸如電子束焊接、 激光焊接、 激光釬焊、激光切割、激光與電弧復合熱源焊接、 水射流切割、雙絲或單絲窄間隙埋弧焊、 4 絲高速埋弧焊、雙絲脈沖氣體保護焊、等離子焊接、精細等離子切割、數控切割系統、 機器人焊接系統、 焊接柔性生產線、STT 焊接電源、變極性焊接電源和全數字化焊接電源等等技術或設備。甚至目前在國際上比較熱門的攪拌摩擦焊技術,也正準備應用到產品的生產。我國的焊接工作者一直在積極努力追趕國際先進水平,但是要趕上世界先進水平還有一段很長的路要走,需要政、產、學、研的合作與共同的努力。

1.1 我國焊接材料生產與應用現狀

一個國家焊接消耗材料的生產情況可以反映該國焊接技術的總體水平。從圖 1 可以清楚地看出我國焊材的生產,總體上是與鋼材同步增長的。近 8年來產量增加了兩倍多。僅統計焊條與焊絲, 1996年的產量為 62.96 萬噸,發展到 2003 年已達 192.9萬噸,如果加上進口的焊材, 總耗量超過 200 萬噸,成為世界最大的焊材生產與消費國家。但是,從不同焊材的產量構成看,當前存在的問題也就明顯地顯現出來了。表 1 為近 8 年焊材產量的統計結果。在我國生產的焊材中,手工焊的焊條產量一直占75%以上,而機械化、自動化焊接需要的各種焊絲的總量不足 25%。按熔敷金屬計算,我國焊接機械化、自動化率僅能達到 35%左右,而世界工業發達國家一般都在 60%以上??梢娢覈附由a的總體自動化率仍比較低。這足以說明我國只是一個焊接的大國,還遠不是一個焊接的強國。

從統計數據還可以看出,近幾年來我國焊絲產量正在迅猛發展。例如氣體保護焊( MAG )用的實心焊絲從 1996 年到 2003 年增加近 5 倍,質量也有明顯提高,目前已經能夠滿足 90%以上的國內需求。而先進的藥芯焊絲,由于具有獨特的工藝性能, 8年來產量增長了近 62 倍,成為我國發展最快的焊材。從過去主要依靠進口,到現在國內應用的藥芯焊絲 50%以上是自己生產的,并且有少量出口。

埋弧焊多在船舶、壓力容器、管道和鋼結構件的制造中使用。我國埋弧焊絲的產量近年來也有較大增長,但是只占焊材總量的 5%左右。而工業發達國家埋弧焊絲的比例一般在 8%~10%。我國焊材生產中手工焊條的比重居高不下,使得我國焊材生產總量與鋼產量之比偏高。以 2002年為例,焊材生產總量(僅計算焊條和焊絲) 為 144.9萬噸,而鋼產量為 18500 萬噸,兩者之比為 0.78%,而 2003 年為 0.77%。工業發達國家的比例一般在0.3%~0.5%,而發展中國家在 0.5%~0.8%。由于工業發達國家的手工焊條比重低,平均每 1 億噸鋼需要不到 40 萬噸焊材,而我國由于手工焊條比重過高,每億噸鋼需 77 萬噸焊材, 比工業發達國家高出近一倍。

按照節約資源和可持續發展的要求,我國必須盡快增加各種焊絲的產量和用量,逐步減少手工焊條產量,使焊材與鋼產量比例降到 0.5%以下。根據最近的全國調查結果,主要企業中交流焊機、直流焊機和 CO 2 焊機的比例分別為 26%、36%和 38%。非常巧合,主要造船廠的比例也大致相同。這些數字表明,近年來企業開始重視用機械化的CO 2 焊取代焊條手工焊,以提高生產效率,但這種取代的進度還應再加快。企業所用的直流焊機和CO 2 焊機大多數仍是晶閘管(可控硅)型的整流電源,逆變式焊機較少,全數字式焊機更少。因此,從改善焊接工藝性,提高質量與生產效率,以及減少飛濺的角度出發,企業的電焊機有進一步升級的必要。從企業消耗氣體保護焊焊絲(實心與藥芯焊絲)和手工焊條的情況看,以汽車零部件、集裝箱和工程機械等制造行業為最好,焊絲的用量占 90%以上,而造船業為 60%左右,鍋爐行業則低于 50%。這兩個行業埋弧焊的用量比較大,然而,氣體保護焊取代焊條手工焊的發展空間還較大。

1.2 我國焊接機器人的應用情況

我國制造業中焊接機器人的應用主要是在 20世紀 90 年代以后(個別企業在 80 年代中期),經歷了一段摸索階段,近 8 年來焊接機器人的數量增加很快,特別是在汽車制造業。根據 2001 年的統計,全國共有各類焊接機器人 1040 臺,其中弧焊機器人多于點焊機器人,如圖 2 所示。汽車制造和汽車零部件生產企業中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%,是我國焊接機器人最主要的用戶。汽車制造廠的點焊機器人(圖中帶陰影部分)多,弧焊機器人較少;而汽車零部件廠的弧焊機器人多,點焊機器人較少(陰影部分)。整個行業中點焊與弧焊機器人的比例約為 3:2。其他行業大都以弧焊機器人為主,主要分布在工程機械( 10%)、摩托車( 6%)、鐵路車輛( 4%)、鍋爐( 1%)等行業。近年來在金屬家具行業中采用焊接機器人的數量明顯增多。焊接機器人已經分布在全國各個大經濟區,但主要集中在東部沿海和東北地區。東部的上海和東北的長春兩個汽車城是我國擁有焊接機器人最多的城市。


我國造船業應用焊接機器人基本上還是空白,機器人數量最多的日本目前也不足 2%。由于造船可以認為是單件生產,或者是多品種少批量生產,加上工件尺寸大,難以達到很高的裝配精度,這點和汽車工業完全不同,使得推廣應用難度較大。所以,造船用的焊接機器人系統除了必要的外圍設備外,還必須配備離線編程軟件、 視覺跟蹤傳感裝置、自適應控制系統,以及高效率的焊接方法等。在當前國際競爭非常激烈的情況下,為了提高造船質量和效率,降低生產周期和成本,各國都在加緊研究在造船中使用高度自動化的焊接機器人系統的最佳途徑。我國也必須重視這個發展動向,當前就應集中力量進行必要的準備和開展預研工作, 避免落后。由于造船的焊接機器人系統涉及的技術多,也比較復雜,應該采取以企業為主導的廣泛政產學研聯合攻關的方式,從生產實際出發,全面解決造船焊接機器人系統的合理、正確應用問題。

1.3 企業焊接技術人員和焊接工人概況

人是企業最具活力的生產力,企業是高新技術的載體。企業的競爭說到底是人才的競爭,包括技術人員的創新能力和工人的素質。因此我們曾對企業技術人員和焊接工人的情況進行抽樣調查。從115 家不同行業的中型到特大型企業提供的數據進行分析,共有 2,012 名焊接工程技術人員和 21,965名焊接工人(包括技師) 。他們的職稱比例如圖 3所示。企業焊接技術人員隊伍中 66%由工程師和助工組成,而具有研究員級高工職稱的人數僅占 1%。

這些焊接工程技術人員的學歷如下:

博士學位(僅有 1 人)— 0.05%

碩士學位— 1.7%

大學本科— 52.6%

大?!?22.9%

中?!?12.4%

電大/職大— 8.3%

其它— 2.05%

可見,目前企業中高學歷和高職稱的焊接技術人員太少。在 2,012 名焊接技術人員中僅有 1 名具有博士學位,而具有碩士學位的也不足 2%。我國每年培養的焊接專業博士近百名,碩士數百名。但是我國大多數企業缺少高學歷的、熟悉生產的焊接工程師和有經驗的焊接結構設計工程師,這已是一個不容忽視的嚴峻問題?,F在已經到了要大聲疾呼讓全社會重視引導高學歷、高素質的優秀人才到生產第一線去鍛煉、去工作的時候了。另外,中專畢業生在工廠的焊接技術人員中所占的比例也偏少( 12.4%),其實,工廠有一些工作完全可以由中專學歷的技術人員來完成,不一定都讓大學畢業的技術人員去做。 實際上,這也是一種人力資源的浪費,是一種不正常的社會現象。


應該注意到, 我國從 1998年開始,高等院校取消各單獨的熱加工專業,合并成材料加工工程,實行了通才教育。然而,對企業來說需要的是能盡快獨立工作的人才。能夠盡快從“通才”過渡到“專才”,要求我國的教育培訓體系有一個合理的總體安排。其中,高等教育應能適應不同層次的社會需求,特別是廣大基層企業對技術人才的需求。工科的高等教育應特別注意,并重點培養能適合在現代企業工作的工程師。這是人數最多,對發展我國制造業有深遠影響的群體。在四年的工科教育中不僅要使學生掌握基本的科學知識,更重要的是能真正了解現代企業的生產和管理特點, 樹立良好的職業道德,培養牢固的敬業精神和認真負責的工作態度,確立深入生產一線的思想。只要有一支強大的、高素質的工程師隊伍為后盾,我國的工業基礎才能牢固,科技成果才能有眾多的承接主體,制造業才能有所創新和持續發展。

從調查的 21,965 名焊工來看, 90%以上都取得焊工證書, 85%的焊工年齡在 45 歲以下, 說明我國的焊工是一支比較年輕的、技術合格的隊伍。目前焊工的主要來源有如下幾個方面:

技校 — 58%

企業培訓 — 30%

臨時工 — 8%

其它 — 4%

可見,技校畢業的學生是我國焊工的主要來源。然而,不同行業焊工的來源也不盡相同,如圖 4 所示。一些企業集團公司和大型企業都有自己的技校,為本企業培養焊工的后備人員。但是,當前還有相當一部分企業興辦的技校由于經費困難和不能招收到足夠數量愿意學習焊接的學生,已經難以為繼。如果這個問題不能得到解決,技校不能輸送足夠的焊工后備軍,企業自行培訓焊工的比例將繼續升高,企業的負擔也將加重。 這樣,企業不僅要將 “通才”的大學畢業生培養成焊接的專才,還要把“新手”培養成熟練焊工,這會拖累企業發展的步伐,也是不盡合理的社會分工。政府有關部門應重視并盡快解決這個工人預備隊的來源問題。

當前一些造船廠和金屬結構廠采用較多的焊接外包施工隊或協力工,解決焊接工作量不均勻的問題。這是一種新的形式,需要規范化管理,加強考核與培訓力度,才能保證施工質量。

焊接技師是具有熟練技能和專門知識與經驗的高級焊工,但是目前企業中焊接技師與焊工的比例僅為 4%。這說明企業過去對培養高水平焊工的力度不夠,應引起企業和全社會對高技能人才的培養和晉升的重視。


我國的焊接生產技術在改革開放以來,取得了巨大的進步,成功地焊接了許多具有標志性意義的重大產品,在國民經濟建設中發揮了重要的作用。我國已經成為世界最大的焊接大國,但還遠不是焊接強國。今后 10 年內應重視解決如下三方面的戰略性問題:

— 全面提高我國的總體焊接生產技術水平, 與國際接軌;

— 培養與吸引一批優秀的焊接專業技術人才,提高自主創新能力;

— 在一些國際焊接相關尖端前沿科技領域占有一席之地。

這需要制定長遠和近期的發展規劃, 需要政府、企業、高校、研究院所的通力合作,需要有一批優秀的管理、設計、制造、組織人才,需要充分依靠科技,在吸收國外先進科學、 技術和經驗的基礎上,強化自主創新的能力, 爭取在 15 年內使我國成為世界焊接強國。

2 造船行業焊接技術發展的幾個問題

我國造船產量 2004 年已經突破 850 萬載重噸,超過歐洲造船總量,穩穩坐牢世界第三造船大國的位置。預計今年產量將達到 1000 萬噸,逐步向韓國和日本看齊。中國造船業的迅速崛起,引起了國際的高度重視,正在掀起新一輪的造船科技發展大競賽。競賽的焦點還是優質、高效、低成本。國際焊接學會(International Institute of Welding, IIW )應歐洲造船界的要求,于 1997 年成立“造船工作組”(WGShipbuilding),目的是綜合各國焊接界的智慧,采用先進制造技術和質量管理模式,提高造船業的競爭能力。 2004 年討論研究的主要問題有:

— 造船的質量管理體系

— 造船中應用機器人進行焊接與切割的現狀與經驗

— 造船中應用激光技術的現狀與經驗

— 焊接鋁結構船體的現狀與經驗

— 焊工的戰略資源問題

美、歐、日、韓等國家的主要船廠和有關組織都派人參加該工作組的活動。歐洲的船廠希望通過該組織的活動,有助于振興歐洲的造船業,因此曾經組織多次歐洲船廠之間的經驗交流。而日、韓則希望繼續保持領先地位。我國應關注這個組織的動向,在可能的情況下應爭取派人參加,更好地吸收外國的經驗,加快我國造船焊接技術的發展。

從工作組 2004 年的討論內容,可以看出他們當前所關注的重點,即 21 世紀造船的質量管理新模式、焊接自動化和高效率化、 大型鋁合金船的制造、高技能焊工資源緊缺等問題。眾所用知,焊接是造船中工作量最大的工序,圖 5 為超級油輪( VLCC )制造的工時分配情況。提高焊接過程的自動化率,不僅能改善焊接質量和降低勞動強度,而且能減輕歐洲高技能焊工資源緊缺的壓力。焊接過程自動化的主要發展方向是如何正確應用焊接機器人系統和需要發展什么樣的機器人系統。造船中長期使用埋弧自動焊和氣體保護半自動焊方法,當前如何利用最新的技術,進一步提高焊接效率與質量,成為新一輪競爭的重點。從節省能源和環保角度出發,減輕船體重量,提高載重量和航行速度,是主要發展方向,這使造船材料發生新的變化,高強度鋼和鋁合金的用量將會迅速增加,給焊接帶來新的問題。這些新的發展動向所提出的問題,將在下面進行簡要的討論。

2.1 造船焊接機器人系統的發展與應用

造船中的平面分段和曲面分段組件尺寸都很大,而一般的工業機器人的活動半徑只有 1.5m 左右,因此機器人必須有輔助移動裝置,而焊件多擺放在平臺上,不需要附加工件變換位置的變位機。

目前大致有三種不同形式的輔助移動裝置:龍門架式、小車-軌道式和遙控小車式。 龍門架式是把焊接機器人固定在龍門架的臂上,一般可較大范圍地增加機器人在 X、 Y、Z 三個方向的移動距離,并與機器人實現協調運動,形成一個 9 軸以上的復雜機器人系統,使機器人能從大型工件的上方進入焊接位置,多用于有空間焊縫的箱型隔框結構 ( Egg Box)或曲面組件的焊接,如圖 6 所示。龍門架式機器人系統在造船中已有較長的使用歷史。 小車 -軌道式是把機器人固定在一個可沿軌道移動的小車上,因此只能增加機器人一個方向的移動距離, 如圖 7 所示,用于從下面進入箱型隔框結構,進行立縫與橫縫的焊接。這種方式成本較低,可方便轉換位置,比較靈活。近期提出的遙控小車方案,是將機器人固定在一輛帶有多種傳感器的小車上,具有自己行走與搜索、自行定位和自動任務規劃等功能的高度自動化焊接機器人系統。這是今后的一個發展方向,正處于試驗階段,技術難度較大。

一般平板拼板的對接焊和筋板角縫的焊接,都采用機械化的焊接系統,而有復雜焊縫的組件難以用機械化焊接方法,手工焊效率又太低,目前開始選用焊接機器人系統。然而,船廠要選用焊接機器人系統焊接復雜的結構,首先應開發針對本廠特點的焊接機器人系統離線編程軟件。目前還沒有通用的離線編程軟件版本,需要解決和船體設計軟件以及所選用的機器人的制造廠商提供的機器人離線編程軟件的接口問題,以便能直接從數字化的設計圖紙提取焊接相關的信息,并能為機器人離線編程系統所接受。同時,還需要針對本廠所造船型的結構特點,例如開孔補強的形式,編制各種不同的焊接子程序庫,以便隨時調用。造船機器人的離線編程軟件的開發,不是機器人制造廠商或軟件開發商單獨所能完成的,必須由船廠的設計人員和焊接人員和他們共同完成,而且應早于設備的安裝,有一定的提前量,以免影響投產的進度。

此外,由于船體的組件尺寸很大,可達 20m×20m,被焊件的位置和接縫的間隙很難精確控制,因此,機器人需要帶有視覺傳感器,目前比較成熟的有激光視覺傳感器,它不但能夠自動跟蹤直線和曲線的接縫,而且還能對不同的間隙和坡口寬度進行檢測和自適應控制,自動調節焊接參數,以保證焊縫尺寸的均勻一致和焊接質量的穩定。

2.2 新型焊接電源和焊接方法的發展與應用

近年來,隨著微電子技術和計算機技術的發展,焊接電源也有明顯的進步。焊接電源已經從旋轉直流焊機發展到晶閘管整流焊機,到逆變焊機,到最近的全數字化焊機,經歷了好幾代的發展階段。數字電源是相對于模擬電源而言。全數字化電源是最新的一代,它的結構框圖如圖 8 所示。全數字化是指焊接參數數字信號處理器、主控系統、顯示系統和送絲系統全部都是數字式。所以電壓和電流的反饋模擬信號必須經過 A/D 轉換,與主控系統輸出的要求值進行對比,然后控制逆變電源的輸出。這種焊接電源的最大特點是焊接參數穩定,受網路電壓波動、溫升、元器件老化等因素的影響很小,具有很高的重復性,焊接質量穩定、成型良好。同時,由于 DSP 的響應速度很快, 可以根據主控制系統的指令(給定值)精確控制逆變電源的輸出,使之具有輸出多種電流波形和弧壓高速穩定調節的功能,適應多種焊接方法對電源的要求。一臺電焊機可以頂多種電焊機用,只需要改變或輸入相應的控制程序。全數字化電源和非全數字化電源的主要區別就在于有沒有焊接參數 DSP 和數字化送絲控制器。 必須指出,全數字化電源應該配用數字化的送絲機,才能獲得最佳的效果,不僅能穩定送絲速度,而且能在焊接過程精確控制和調節送絲速度的變化,如快-慢脈動、送 -停脈動、送 -抽脈動等。下面簡要介紹幾種利用全數字化電源的新焊接方法。

2.2.1 雙脈沖焊接方法

雙脈沖焊接方法是全數字化電源的一種應用范例,雙脈沖是指送絲速度的快 -慢脈沖和焊接電流的高-低脈沖。 雙脈沖焊和一般的脈沖焊不同, 脈沖焊的送絲速度不變,而焊接電流在峰值與基值電流之間作較大幅度的變動;雙脈沖焊的送絲速度是在平均速度基礎上作小幅度的變動, 如±(1~2)m/min,而焊接電流也在平均電流下作一定幅值的同步變動,脈沖頻率一般在 1Hz~5Hz 之間。 雙脈沖焊接方法有效地控制熱輸入量,很適合薄鋁板的焊接。而且,由于雙脈沖對熔池的振動攪拌作用,有利于氣體的逸出,可減少氣孔的產生;焊縫的成型均勻美觀,類似于 TIG 焊的焊縫。

2.2.2 CMT 焊接方法

CMT 是 Cold Metal Transfer 的縮寫,是一種精確控制熱輸入的短路過渡焊接方法,很適合于薄鋁板、鋼板和異種材料的焊接或釬接。它的焊接過程是引弧時焊絲送進并與鋼板接觸,電源輸出一個很小的基值電流,焊絲回抽,電源逐漸增大電流并引弧。這種的引弧方法基本上沒有飛濺,被認為是無飛濺引弧。引弧后,在達到規定的弧長時,開始向前送絲,電源輸出一個確定寬度和幅值的脈沖電流,使焊絲端頭形成一定體積的熔滴金屬,電流回到基值,等待熔滴與熔池的短路。一旦短路,焊絲開始回抽,重新引弧。由于整個短路過程從開始到斷開都處于低電流階段, 飛濺極少。 CMT 焊接的特點是每一個周期的能量輸入是一定的,不僅能較準確控制每個熔滴的尺寸,而且能調節對母材的熱輸入。焊接過程送絲作送 -抽脈動,而焊接電流作峰值 -基值脈動,脈沖頻率可達 70Hz。這種方法可以焊接薄鋁板或薄鋼板,也可以用 CuSi 焊絲對鋼板進行電弧釺焊。更有特色的是,這種方法可以連接鋼板和鋁板。鋁和鋼是不能直接進行熔化焊的,因為會形成很脆的金屬間化合物。 CMT 焊接方法能夠精確控制熱輸入,使鍍鋅鋼板側不熔化, 與 AlSi 焊絲形成釬接縫,而與鋁側形成熔化焊縫。

2.2.3 雙絲氣體保護焊

雙絲氣體保護焊是一種高效率的氣體保護焊方法。這種方法是一把焊槍在同一個大噴嘴里,同時送出兩根焊絲,而兩根焊絲之間是相互電絕緣的,由兩臺送絲機送絲和兩臺焊接電源分別供電。由于兩根焊絲的距離比較近,約 8mm,為了避免兩電弧間的相互干擾,采用輪流脈沖的方式,即前絲處于峰值電流時,后絲處于基值電流;后絲峰值,前絲基值。一般每小時最高約能熔化直徑 1.2mm 的焊絲10kg,而雙絲氣保護焊則可熔化 25kg。如果要焊接一條焊腳為 6mm 的角焊縫,一般 MAG 焊的焊接速度 為 300mm/min , 而 雙 絲 氣 體 保 護 焊 可 達1000mm/min 。這種方法不僅能焊接厚鋼板也可以焊接薄鋼板,也可以用于鋁合金板的焊接,提高焊接效率。

全數字化焊接電源的出現,為新型焊接方法提供一個很好的平臺,我們要關注這種電源的發展,并在條件允許時,在生產中采用,以提高我們的焊接水平。

2.3 激光焊接技術的發展與應用

由于激光焊接能量密度高,可精確控制,穿透能力強,焊縫的深寬比大,熱輸入量低,焊接變形小,可在大氣中焊接等優點, 被認為是 21 世紀的焊接新熱源。但是由于激光聚焦后的光斑直徑小,約0.2mm~0.6mm,對被焊工件的裝配間隙要求很嚴。根 據 不 同 板 厚 , 對 接 的 最 大 允 許 間 隙 一 般 在0.25mm~0.4mm 之間,這對較大型的工件,如船體結構,很難達到。另外,激光焊大多是不填絲的,由于光斑小填絲比較困難,還會影響效率。然而,不填絲的激光焊,對于某些材料,如鋁合金,不能改變焊縫金屬的成份,不利于消除裂縫、氣孔和改善接頭性能。 為了解決這個問題, 近年來興起激光 -電弧復合熱源焊接。電弧焊是一種便宜的能源,可以填充金屬,搭橋能力好,對間隙不敏感等優點,剛好和激光焊互補。發展激光 -電弧復合熱源焊接,可以充分發揮激光和電弧的優點,相互彌補對方的不足,使 1+1 大于 2。圖 9 為不同焊接方法在相同焊接速度和相同熔深條件下,焊接參數和焊縫成型的對比。哈爾濱焊接研究所對激光 -電弧復合熱源焊接進行了研究, 采用 2000W CW 的 Nd:YAG 激光器和全數字化的直流脈沖焊接電源,對 8mm 的 LF6鋁合金進行熔深對比試驗。 發現單獨 MIG 焊的熔深小于相同速度的 2kW 激光焊的熔深,在這些較小焊接電流范圍內,電弧與激光復合進行焊接,無論電弧功率的大小, 復合焊的熔深都大于單獨 MIG 焊的熔深,而且焊接速度都比 MIG 快。在這范圍內( 2000W 激光電弧電流小于 180A)激光對熔深起主導作用,如圖 10 所示。例如 2000W 的激光與 80A的電弧復合,其熔深和 160A 的 MIG 焊相當,而焊接速度快,線能量低;當復合焊的電弧電流與 MIG焊相同, 如均為 120A,在熔深相同條件下, 復合焊的速度為 MIG 焊的 3 倍多,線能量只有 MIG 焊的49%,變形小。當單獨 MIG 焊的熔深大于同等速度的激光焊縫的熔深,在這些電流范圍內,激光與電弧復合焊,其電弧的電流必須與單獨 MIG 焊的電流相等或更大, 才能使熔深大于單獨 MIG 焊,但是焊接速度要比單獨 MIG 焊快得多,焊接線能量低很多,可明顯降低焊接變形量。在這范圍內( 2000W激光電弧電流大于 180A)電弧對熔深起主導作用,但是激光能量的加入可提高焊接速度、 降低線能量,如圖 11 所示??梢?,當兩個電弧都是 240A 時,復合焊與 MIG 焊的熔深一樣,但復合焊的焊接速度為MIG 焊的 3 倍,而線能量減少 50%以上。還必須指出,在這個范圍內,由于激光對熔深并不起主導作用,激光光斑的直徑大小對熔深沒有決定性的影響,只是加入相應的熱量,因此可以選用體積小的半導體激光器,如圖 12 所示。這種激光器的光斑直徑較大,一般在 2mm 左右,但是設備的體積小,有利于和電弧的復合, 方便與焊接機械化 /自動化設備的連接。

科技在進步,焊接技術在發展,將不斷促進制造能力和水平的提高。 我國造船業要在 10 年內趕超韓國和日本,必須充分依靠科技,必須有一批優秀的管理人員、焊接技術人員和技術工人,必須發揮企業的主導作用,實行廣泛的政產學研的大結合,必須迅速提高自主創新能力。希望焊接技術的發展對我國成為世界第一造船大國發揮更加積極的作用。


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