论国际先进自动焊接工艺与设备及未来发展

摘要:介绍了当前国际上 一些发达国家的先进自动焊接工艺与设备，并结合企业当前形式讨论了焊接工艺与设备的未来发展状况。
关键字:焊接工艺 焊接设备
一、 引言
随着我国入世的成功与近年来经济的快速发展，焊接相关产业也逐渐向国际先进水平看齐，工艺与设备水平不断提高，越来越多的自动化焊接设备在生产中不断的应用，笔者在下文中写到了一些发达国家的先进焊接设备与工艺，供读者参阅。
二、 日本的先进焊接工艺与设备
在日本的先进自动焊接技术中具有代表性的是NKK（日本钢管株式会社）开发的焊接机械人系统，系统基本上由焊头（伺服机构）、控制器和电源等三大部分组成，在此系统中NKK公司采用了三项新技术。
1. 高速旋转电弧焊
NKK公司发现高速旋转的电弧能改善许多焊接性能，主要体现在：
(1)对工件的角焊侧壁可充分熔化焊透；
(2)可改善焊缝界面的形状；
(3)能防止熔池中深穿透；
(4)提高焊接速度。
该工艺既适合狭间隙焊，也适于熔角焊。电弧通过偏心机构，绕熔池旋转以达到技术目的。
2. 电弧传感器系统
系统特点是利用电弧本身，即电弧电压或电流的反馈作为传感器，在焊头周围不需要采用专门的装置，因此可保证高度的可靠性。其优点是显而易见的，由于电弧电压或电流直接反馈，因此反应精确迅速，即真实事件反馈，而且还能同时控制焊缝轨迹和焊缝高度。这些性质使得即使碰到在钢材之间具有严重切削坡口的情况下，仍然能进行焊接。
3. 单面焊背部焊道控制
关于单面焊双面成形工艺中背部焊道主要通过光学反馈和反电动势反馈实现控制。
(1)光学反馈(光电传感器)
a)背部焊道控制
其主要原理是通过电匙孔的电弧光强度加以换算而反映背部焊道的宽度。根据这种设想，通过控制输入端电极龟流，使之保持恒定，从而使电弧光强度保持常量，仪便保证背部焊遗宽度始终维持常数。
b)正面焊道控制
在背部焊道控制运行的同时，正面焊道高度亦得到控制。输入端电极电流的弧压能通过熔融金属引起重心高差的关系而得到平衡。根据此原理，采用控制熔化焊丝进给速度的方法，使输入端的电极电流与给定电流相当，从而能使正面焊道的高度保持恒定。
c)光电反馈原理
光电传感器安装在铜滑块驱动系统内。该系统也是由它自己的光电传感器所控制。
(2)反电势反馈
在采用固定焊剂铜衬垫单面埋弧焊方面，母材与铜衬垫之间的反电动势能很好地反映背面焊道宽度的情况。通过控制输入端电极电流，以保持反电动势不变，从而使背面焊道宽度维持恒定的常数。
三、 瑞典的先进焊接工艺与设备
瑞典不仅在焊接结构材料和焊接材料方面处于世界领先地位，近年来，在焊接设备和焊接工艺技术方面也不断有所创新和有所突破，一直走在世界先进工业国家的前列，使瑞典的焊接工业在全国经济不大景气的情况下，在国际市场激烈的竞争中始终处于不败之地。
1. 焊接机器人
瑞典的第一台焊接机器人是在1975年由ABB-ESAB焊接机器人公司生产的。其稳定的焊接质量、高额的经济效益打动了许多工业业主和投资商的心，他们不惜代价，把资金纷纷投向机器人焊接设备，使瑞典焊接机器人的应用在近二十年时间内得到了迅速发展。到1995年，全瑞拥有的焊接机器人数量已超过1600台，占全国机器人总数的35%。其中金属结构生产部门拥有的焊接机器人最多，其次是机床制造业和车辆制造业。
2. 焊接工艺技术
在瑞典，建立在优质焊接材料和精良焊接设备基础上的现代化焊接工艺技术体现了高度机械化、高度自动化、高速度、高质量、高效益等特点。
在今天的瑞典，几乎所有的自动焊机都装备了微处理器或微机，对焊接过程实现了闭环自动控制。许多专业生产车间还安装了焊接机器人工作站，实现了工件的焊接、装卸、翻转、移动自动化。有的专业生产厂家还建立了焊接机器人柔性生产系统(FMS)，实现了工件下料、拼装、焊接、运输、打磨、检验等工序全部自动化。这种柔性生产系统特别适合批量不大、品种较多的生产类型。为了充分发挥焊接机器人的工作潜力，缩短下岗时间，MO TOMANROBOTICS公司还开发了计算机通讯软件，利用这种软件可以通过主计算机在机器人工作时向他示教。高度机械化和自动化所产生的高效益不言而喻，同时也保证了高质量。
值得一提的是瑞典的造船工业。在二十世纪七十年代曾一度辉煌，号称世界第二造船大国。到八十年代，由于劳动力成本太高，许多造船厂纷纷倒闭。从九十年代开始，他们不惜巨额投资，一改过去主要靠人工的状况，采用高度机械化和自动化的焊接设备和焊接机器人，建立起仿形切割线和各种部件的自动焊接生产线，节省了大量人力，且大大提高了生产率，使生产成本大幅度下降，似有重整旗鼓，再度崛起的势头。
3. 激光焊和电子束焊的应用
在瑞典激光和电子束技术在金属切割和焊接方面应用发展很快。早期只用于电子元件等精细产品和钛、锌等易氧化的贵重金属材料的激光焊和电子束焊，现在已应用到仪表、车辆乃至造船和核工业。CO2激光器的功率已达到25kW，可以用来焊接厚板。由于激光焊接容易实现机械化，它在汽车制造业中的应用最为突出。如著名的VOLVO公司就用激光焊机器人焊接轿车顶棚，斯堪尼亚卡车和客车公司用激光切割底盘和后桥轴的坯料。电子束焊具有能量密度大、焊接热影响区窄、吸收氧、氮等气体的可能性小等特点，瑞典ABB原子能公司用它将装有核燃料的锌合金管组焊到一起。到1995年，瑞典全国激光焊机的数量已达到120台，电子束焊机30台，与北欧其它国家相比，其安装数量遥遥领先。
四、 美国的先进焊接工艺与设备
林肯电气公司（The Lincoln Electric Co.）是有悠久历史的焊接设备及焊接材料生产厂家，总部设在美国的克利夫兰，在世界11个国家设有17个分厂。
1. 焊接设备
该公司生产各种型式的手工焊机、埋弧焊机、气保护焊及自保护焊机，每种焊机都有一个固定的生产线。
该公司有一个焊接机器人部，所用的焊机、焊材是本公司的，而机器人及计算机硬件是法拿克公司的；机器人焊接应用程序软件，则由本公司根据用户的不同要求开发。机器人适用于焊缝短断、位置多变的结构的焊接，其重复精度为±1mm左右。最近，该公司的这项技术已在杰弗船厂试用，据称，一旦实际投产，将有 100余名工人会被从原来的岗位上替换下来。
在气保护焊方面，该公司推出了一种被称为动力波表面张力过渡的CO2焊接电源(STT)，在纯CO2气体保护条件下，用实芯焊丝施焊，电弧稳定、飞溅很小，用于管子对口的单面焊双面成形时可获得非常良好的背面成形。只是售价较高，约是普通CO2焊机的3倍(9000美元)。但该设备亦有缺点，即其送丝机构较为笨重，所以在造船行业的销售业绩一直不佳。他们决定推出一种多头式的CO2气体保护焊电源，以适用于造船行业中分段制造及船台大合拢的焊接需求。其基本思路是，一台焊接电源可同时点燃三个电弧，从电源到电弧的距离可达100m，并同时具备手工焊和气刨的功能，即一机多人用，一机多功能。
2. FCB拼板流水线
该公司设计制造的FCB拼板流水线由门架、磁床、衬垫机构、钢板传输机构组成，同日本及欧洲的模式基本一样。所不同的是，它靠具有强大吸力的磁床来固定钢板，不用在坡口里封焊，采用I形坡口，对坡口的加工精度要求不高。它所采用的焊剂是上下同种的，不像日本神钢，还需要专门的背面成形焊剂。它采用两台交流1200A的电源，前两丝相串联，后一丝独立，减少了热输入，有效地防止了终端裂纹的产生。
当板厚为16 mm时，每块磁铁的吸力约为25kN，在15m长的焊缝两侧，共计布置这种磁铁80余块。对16 mm以下的板，采用I形坡口;而16-25mm的板，则采用Y形坡口。整套FCB流水线的价格在40万美元左右。
五、 应用体会
使产品质量外观登上一个新台阶，引进先进的焊接设备和工艺装备是不可缺少的，尤其是焊接机械人和焊接加工中心，要充分利用现有的成熟技术和先进的焊接装备，真正实现产品质量大跨越。