國(guó)內(nèi)外焊接技術(shù)的現(xiàn)狀介紹

  電阻點(diǎn)焊被認(rèn)為是汽車(chē)車(chē)身制造中重要的連接工藝。盡管有激光束焊接和粘結(jié)劑粘接等新技術(shù)，但點(diǎn)焊在汽車(chē)車(chē)身制造中仍然會(huì)保留其穩(wěn)固的地位。由于許多因素都會(huì)影響點(diǎn)焊的加工質(zhì)量，而且點(diǎn)焊的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求很高，因此有必要系統(tǒng)地檢查點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量。
    為此，過(guò)去的作法是采用損傷性測(cè)試方法進(jìn)行隨機(jī)測(cè)試。由于這種方法存在一些缺點(diǎn)，例如：會(huì)毀壞測(cè)試樣件或使其變形，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，在鑿擊過(guò)程中會(huì)損壞和松動(dòng)工件，當(dāng)使用“鋅粘結(jié)劑”時(shí)使用鑿擊的方法會(huì)找不到粘接點(diǎn)，所以它已不適合現(xiàn)代制造技術(shù)和成本核算意識(shí)。這里提供了一種補(bǔ)救方法——“點(diǎn)線超聲測(cè)試法”，用這種方法，在焊接過(guò)程中就可進(jìn)行焊點(diǎn)的檢查。
    “IQR系統(tǒng)”是電阻點(diǎn)焊過(guò)程中在線質(zhì)量測(cè)試和優(yōu)化的一種新的控制工藝
    這種方法可以在使用U－I特性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上補(bǔ)償控制中一些參數(shù)變化的干擾，如板材厚度的變化、鍍層厚度的變化、電極磨損損耗等的變化。由于操作簡(jiǎn)單，IQR控制器保證了穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量點(diǎn)焊，并且節(jié)省了時(shí)間和成本。
    在電阻點(diǎn)焊領(lǐng)域，人們可以清楚地看到焊接設(shè)備中使用伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的明顯趨勢(shì)。在2001年的國(guó)際埃森焊接展覽會(huì)上，不少于12家制造商展示了使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的焊接設(shè)備（安裝在微型點(diǎn)焊機(jī)、手動(dòng)和機(jī)器人焊槍?zhuān)约盎近c(diǎn)焊機(jī)上）。根據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，由于焊接質(zhì)量好和焊接周期較短，所以氣動(dòng)焊接設(shè)備將會(huì)越來(lái)越多地被伺服驅(qū)動(dòng)的焊接設(shè)備所取代。另外，一些制造商展示的焊槍采用氣冷伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)電極需要施力和對(duì)焊接周期時(shí)間有要求的焊接任務(wù)有廣泛的應(yīng)用前景。
    帶有焊頭壓電線性驅(qū)動(dòng)的微型點(diǎn)焊裝置，具有理想的重新設(shè)定參數(shù)的特性，并能方便地對(duì)移動(dòng)路線進(jìn)行編程。由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固穩(wěn)定和采用了壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，所以使焊接前后定位所需的時(shí)間很短。因此，可以不失時(shí)機(jī)地從工作清理階段轉(zhuǎn)換到工作階段，積蓄焊接的動(dòng)力。由于機(jī)構(gòu)堅(jiān)固和采用了動(dòng)態(tài)性能極高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使焊槍電極頭更適用于自動(dòng)焊接裝置中，焊接效率很高。
    用于沖法鉚接和點(diǎn)焊的普通焊槍?zhuān)谶\(yùn)動(dòng)速度和精度方面受到要求更加嚴(yán)格的高生產(chǎn)率的機(jī)器人的挑戰(zhàn)。為了能夠達(dá)到較大的工作范圍，而折彎程度小，通過(guò)精心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新一代的機(jī)器人焊槍?zhuān)圃觳牧喜捎昧私Y(jié)構(gòu)極輕的碳纖維加強(qiáng)塑料（CFRP）。根據(jù)研究成果，經(jīng)過(guò)精心試驗(yàn)優(yōu)化后制造了一個(gè)焊槍樣品。近研制的結(jié)構(gòu)有一個(gè)縱向加強(qiáng)的非常堅(jiān)固的彎曲臂和可提供強(qiáng)大的反作用力，竟然可以通過(guò)在線控制補(bǔ)償角度的偏移。這一應(yīng)用促進(jìn)了人們進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更好的現(xiàn)代纖維材料制造輕型結(jié)構(gòu)的潛力。
    激光技術(shù)和使用激光束加工材料
    盡管功率在12mm×mrad4kW以上的Nd：YAG固體激光器的光束質(zhì)量極高，也不可能達(dá)到CO2激光器的應(yīng)用廣度。正是由于CO2激光器的使用成本和維修成本較低，因此它能夠得到廣泛的應(yīng)用。
    例如，3kW的層流CO2激光器可工作大約40000h，每小時(shí)的工作成本約為6馬克。這種激光用普通CO2激光器的功率的一半時(shí)，在1.5m／min的焊接速度不變時(shí)，幾乎仍能達(dá)到同樣的焊接熔透深度。當(dāng)對(duì)鋼材的焊接熔透深度為4mm，激光束的功率一樣時(shí)，Nd：YAG固體激光器的焊接速度只有CO2激光器的一半。
    只有在用三維多軸鉸接臂機(jī)器人的時(shí)候，使用Nd：YAG激光器的總投資才低于使用CO2激光器的情況，原因是通過(guò)光學(xué)纖維Nd：YAG激光器的光束傳輸比較簡(jiǎn)單。而在遠(yuǎn)距離焊接時(shí)，CO2激光器的激光束要通過(guò)鏡頭聚焦，掃描器的光學(xué)系統(tǒng)可以自由地將激光束定位在工件表面。聚焦透鏡安裝在一個(gè)電動(dòng)滑軌上，可以在1500mm×1500mm×400mm的空間確定加工點(diǎn)。選用移動(dòng)式反射鏡裝置，能夠延伸到干擾邊緣后面的焊點(diǎn)。
    將激光束焊接與弧焊工藝相結(jié)合可以獲得一種值得注意的焊接工藝：即CO2激光束與氣體保護(hù)金屬極電弧焊工藝相結(jié)合的工藝。采用該工藝，能對(duì)不同級(jí)別的鋼材進(jìn)行高效率的焊接。使用這種工藝的目的是為了確定對(duì)焊接不同厚度的鋼板時(shí)允許的大間隙寬度amax。在鋼板厚度t＝5mm時(shí)，間隙寬度為2mm；當(dāng)t=8mm時(shí)，寬度為1.35mm；當(dāng)t＝12mm時(shí)，寬度為0.7mm。焊縫是在重力狀態(tài)下加工形成的，無(wú)需任何焊縫背后的熔液支持。在對(duì)20mm厚的鋼板進(jìn)行橫向焊接時(shí)，可搭接的間隙寬度asssmax可達(dá)0.7mm，而不會(huì)產(chǎn)生任何技術(shù)問(wèn)題。佳工藝的其他方面還包括設(shè)定焊接和焊絲送絲的速度和選擇焊絲的直徑。
    人們對(duì)這種組合式的焊接工藝進(jìn)行了試驗(yàn)，并在實(shí)際的焊接工作中進(jìn)行了演示。例如，在邁爾造船廠，成功地焊接了幾張7.5~12mm厚、10m長(zhǎng)的鋼板，焊接速度達(dá)到2m／min。在上述的組合式焊接工藝中，增加電弧的組合還可以進(jìn)一步提高該工藝的優(yōu)點(diǎn)，例如將每單位長(zhǎng)度的能量降到小，提高焊接速度及搭接接頭間隙的能力。
    一種結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)緊湊、易于操作的“工具”是二極管激發(fā)的Nd：YAG激光器和其高質(zhì)量的激光束。熱鏡頭效應(yīng)限制了光束質(zhì)量的改善，進(jìn)一步改進(jìn)的目標(biāo)是把光束的參數(shù)進(jìn)一步提高，并將其輸入到100μm的玻璃纖維中，這樣獲得的光束質(zhì)量就可與CO2激光器的光束媲美了。
    這里比較有發(fā)展前景的是盤(pán)式激光器和層流式激光器。在2001年的激光技術(shù)展覽會(huì)上，HASS激光技術(shù)公司展示了盤(pán)式激光器的樣機(jī)。展出樣機(jī)的激光器功率為1.3kW，光纖維的直徑為0.15mm。燈激發(fā)和二極管激發(fā)的棒式激光器存在激光束功率引起的熱鏡頭問(wèn)題，而盤(pán)式激光器實(shí)際上不再有熱鏡頭問(wèn)題。由于盤(pán)式激光器具有與CO2激光束類(lèi)似的光束，通過(guò)光纖耦合的方法可以標(biāo)定改變其功率，這比棒式激光器標(biāo)定的功率要大許多倍。
    使用輸出功率大于4kW的二極管激發(fā)的固體激光器，對(duì)于鋁合金的焊接具有決定性的意義。這些系統(tǒng)的光束質(zhì)量特別好，能夠瞬間注人直徑為0.4mm的光纖中。激光束的聚焦能力大地依賴(lài)于光纖的截面積。這表明這種新一代的固體激光器的潛力是“點(diǎn)”直徑更小，功率密度更高。功率密度高使人們能夠進(jìn)行以連續(xù)波的模式進(jìn)行焊接。例如，首先用于對(duì)小型樣品和小零件的各種連接，如對(duì)接、T形焊接和搭接進(jìn)行了研究。零件的材料是AlMgSi0.7（厚度：3mm）和AlMg3（厚度：1.6mm）鋁合金。高質(zhì)量的焊道形狀只有在純粹的連續(xù)波狀態(tài)才有可能。當(dāng)使用千瓦級(jí)的二極管激發(fā)的Nd：YAG激光器焊接鋁時(shí)，在很寬的參數(shù)范圍內(nèi)都能獲得很高的可靠性。
    文獻(xiàn)中還介紹了一種影響焊縫幾何形狀和質(zhì)量的新方法。這是根據(jù)熔池中電磁力的影響，使產(chǎn)生不同的熔池流動(dòng)和熱輸入量。這樣就能有選擇地改變焊縫的形狀、穿透深度、焊道外形和減少氣孔的形成。
    當(dāng)用激光束處理管道、圓筒和襯套的內(nèi)表面時(shí)，即使在非常有限特定表面也能改變材料的特性。激光束可提供一個(gè)能精密控制的能源，在特定的地點(diǎn)和時(shí)間施加能量，通常只有極小的誤差，因此不需要或只需要少量的后期加工處理。在工業(yè)應(yīng)用中，這種工具被裝上了防護(hù)設(shè)施，例如采用壓力。小室和橫向射流（Cross-Jet）來(lái)保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)，用冷卻的方法消散所吸收激光輻射、等離子輻射和附帶產(chǎn)生的熱輻射。
    激光器包括以下組件：激光器適配器、基體和激光頭?；w可以使激光通過(guò)機(jī)械方式連接到確定的處理系統(tǒng)上和所需加工的介質(zhì)上。在基體內(nèi)，通過(guò)光學(xué)方式為激光頭提供激光輻射。如果需要，還可以裝一個(gè)與介質(zhì)刷一起運(yùn)動(dòng)的裝置，使激光頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。激光頭內(nèi)裝有中心光束形成元件（鍍膜銅鏡）及保護(hù)氣體或加工氣體噴嘴。功率為2kW的Nd：YAG激光器上還連接了一個(gè)用于長(zhǎng)導(dǎo)軌的硬化處理裝置。集成反射鏡組可以在大約60mm的工作距離將光束聚焦到3mm×5mm。使用3kW功率的固體激光器可以硬化φ60mm、深600mm的高合金鋼襯套。另外，開(kāi)發(fā)用于管道內(nèi)部硬化的光學(xué)系統(tǒng)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)激光頭，可以在固定的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上完成工作，用于硬化貨車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的缸體承載表面。
    一種新開(kāi)發(fā)的用于等離子弧焊的焊矩系統(tǒng)，采用反極性電極和選用100~200A焊接電流可以經(jīng)濟(jì)有效地焊接鋁制零件，焊接質(zhì)量很好。經(jīng)對(duì)各種鋁鎂合金的焊接試驗(yàn)表明：在焊接2~8mm的板材時(shí)，可以使用熔入和鎖孔式焊接技術(shù)。
    使用電極極性可變的鎖孔技術(shù)進(jìn)行等離子弧焊，可用來(lái)焊圓周焊縫，如AlMg3管道、法蘭盤(pán)以及GK－AlSi7Mg冷鑄合金制造的形狀各異的零件，能夠進(jìn)行8mm壁厚材料的無(wú)坡口對(duì)焊連接。使用新開(kāi)發(fā)的特殊氣體控制系統(tǒng)可以無(wú)缺陷地完成圓周焊縫的收尾焊接。由于只在鑄件一側(cè)才會(huì)產(chǎn)生氣孔，因此要確定鑄件熔化金屬的原子氫含量。如果鑄件熔化金屬中的氫含量低于0.3mL／100g，焊縫產(chǎn)生的氣孔就很少。采用此方法要修復(fù)的焊縫總長(zhǎng)度可達(dá)39m，占整個(gè)焊縫長(zhǎng)度的27.2％。
    在研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)代化的電源和控制技術(shù)條件下，采用等離子弧焊技術(shù)是一種質(zhì)量佳、經(jīng)濟(jì)有效、重復(fù)性好的連接工藝。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)電流，確保厚板等離子弧對(duì)接接頭焊接時(shí)產(chǎn)生鎖孔的傳感器系統(tǒng)、導(dǎo)電的熔池支撐與被焊板材絕緣，并通過(guò)帶電的車(chē)架在等離子弧穿透時(shí)測(cè)量電流，并隨之移動(dòng)。
    這種新的工藝與TIG焊接相比具有如下特點(diǎn)：
    （1）采用等離子弧焊時(shí)的特定工藝優(yōu)點(diǎn)，不僅主要表現(xiàn)在微型等離子弧焊的板材厚度范圍方面，而且涉及使用鎖孔技術(shù)。
    應(yīng)用范圍包括：表面堆焊、噴涂和焊接。通過(guò)可調(diào)頻率使用低脈沖焊接電流，等離子弧焊可以更好的方式控制電弧能量的大小，能夠通過(guò)現(xiàn)代控制系統(tǒng)可靠地同步監(jiān)測(cè)各種設(shè)定值的執(zhí)行情況。晶體管的焊接電源，如AUTOTIG系列，可以地按照技術(shù)規(guī)格的規(guī)定運(yùn)行。
    （2）用粉末等離子弧焊焊接薄板和管道時(shí)，具有焊接速度快、熱輸入小和變形小等優(yōu)點(diǎn)。
    （3）等離子弧焊接時(shí)，鎖孔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還清楚地表現(xiàn)在板厚達(dá)10mm的材料焊接。