1、 新型焊接在生产中的应用兰州理工大学 焊接一班 朱映宝 09850122前言随着数字化技术日益成熟，我国焊接产业逐步走向“高效、自动化、智能化”。代表自动化焊接技术的数字焊机、数字化控制技术业已面世并已稳步地进入市场。有力地促进了先进焊接工艺特别是焊接自动化技术的发展与进步。汽车及零部件的制造对焊接的自动化程度要求日新月异。学院开展了焊接讲座以扩大学生的知识面，在讲座中主要有以下几个方面：（1）、乔及森压力容器中焊接的应用；（2）、樊丁新型焊接方法-工艺及智能控制；（3）、王希靖摩擦焊及其进展；（4）、石玗汽车及航空制造中的焊接技术；（5）、王希靖矿山支护网络不等径钢筋网架自动焊接生产线；（6
2、）、石玗先进弧焊方法及熔池动态行为的可视化技术研究；（7）、朱亮窄间隙焊接方法的应用；（8）、陈克选数字化焊接电源及进展。在学习过程中，以王希靖教授的摩擦焊技术和朱亮教授的窄间隙焊接的方法的应用为例，展开做深刻研究和思考。一、摩擦焊技术的发展1991 年,英国焊接研究所（The Welding Institute-TWI）发明了搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。无论在国外还是在国内，已经成功跨出试验研究阶段，发展成为在铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的工业化实用的固相连接技术；这项新型的焊接技术在航空航天飞
3、行器、高速舰船快艇、高速轨道列车、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中，已经展示出显著的技术和经济效益，诸如：根除了熔焊所固有的焊接缺陷（气孔、凝固裂纹等） 、提高了接头和结构的连接质量、降低了焊接变形等;并且在其他轻金属如镁、铜、锌等材料结构的制造中也正在实施工程化应用。1 、搅拌摩擦焊的技术特点及原理搅拌摩擦焊作为一项新型焊接方法，用很短的时间就完成了从发明到工业化应用的历程。搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。如图所示，搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区
4、域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点，对于有色金属材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接,在焊接方法、接头力学性能和生产效率上具有其他焊接方法无可比拟的优越性，它是一种高效、节能、环保型的新型连接技术。搅拌摩擦焊对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金以及铝基复合材料等材料的板状对接或搭接的连接也是优先选择的焊接方法；目前，搅拌摩擦焊还成功地实现了不锈钢、钛合金甚至高温合金的优质连接。2、搅拌
5、摩擦焊的应用（1） 、搅拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用在造船领域,搅拌摩擦焊适用面很宽：船甲板、侧板、船头、壳体、船舱防水壁板和地板,船舶的上层铝合金建筑结构,直升飞机起降平台,离岸水上观测站,船舶码头,水下工具和海洋运输工具,帆船的桅杆及结构件,船上制冷设备用的中空挤压铝板等。（2） 、 搅拌摩擦焊在航空航天工业中的应用航空航天飞行器铝合金结构件，如飞机机翼壁板、运载火箭燃料储箱等，选材多为熔焊焊接性较差的铝合金材料，而搅拌摩擦焊可以实现这些系列铝合金的优质连接。采用搅拌摩擦焊提高了生产效率，降低了生产成本，对航空航天工业来说有着明显的经济效益。目前，搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处
6、于验证阶段，主要利用 FSW 实现飞机蒙皮和衍樑、筋条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等，这些方面的搅拌摩擦焊制造已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用。复杂曲线的搅拌摩擦焊焊接使机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等铆接工序均由搅拌摩擦焊替代，提高了生产效率、节约了制造成本并且减轻了机身重量。（3） 、搅拌摩擦焊在轨道交通及陆路交通中应用在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高，对列车减轻自重,提高接头强度及结构安全性要求越来越高。高速列车用铝合金挤压型材的连接方式，由于搅拌摩擦焊焊接接头强度优于 MI
7、G 焊焊接接头，并且缺陷率低，节约成本，所以目前高速列车的制造,采用搅拌摩擦焊技术，已成为主流趋势。目前,与轨道车辆相关方面的搅拌摩擦焊应用包括：高速列车箱体型材连接；油罐车及货物列车箱体连接；集装箱箱体；铁轨以及地下滚动托盘。（4）、搅拌摩擦焊在汽车工业和其他工业中应用搅拌摩擦焊成功地解决了轻合金金属的连接难题，在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。三、搅拌摩擦焊的优势和前景（1） 、 搅拌摩擦焊作为先进的固态连接技术,正在广泛应用于铝合金结构件的连接制造,大面积取代熔焊方法，尤其是在现代运载工具的高速化、轻型化进程中，技术经济效益显著；（2） 、 近两年来,在国内,搅拌
8、摩擦焊基础方法研究、工程应用开发、搅拌摩擦焊设备及产品制造方面取得明显进步，促进了搅拌摩擦焊在中国制造领域的应用,正蓄势待发;（3） 、搅拌摩擦焊在方法、材料、性能和效率、成本、环保等方面显示出的优越性，促进了在我国航空、航天、船舶、列车、电力等工业制造行业中的大规模工程化应用,正方兴未艾;（4） 、高质量的搅拌摩擦焊连接，有赖于焊接过程对各工艺参数的精确监控：各轴的负荷、搅拌头的温升、焊接主轴转速及焊接速度等；精密设计的搅拌头、具有良好刚性的数控化机床,以及采用高精度的机器人,实现各类接头的可靠连接是发展目标;（5） 、在充分正确认识搅拌摩擦焊中金属迁移流动物理本质的基础上，通过数值分析建模
9、与仿真模拟，用物理模拟验证数值模拟 ,相辅相成，避免费时耗资的重复实验，建立搅拌摩擦焊过程理论，正确指导这项新技术在未来发展中的新突破;（6） 、搅拌摩擦焊技术在未来发展中，突破高熔点金属材料连接工程化应用的关键是：搅拌头材料的正确选择,搅拌头型面的优化设计和寿命的提高。2、窄间隙焊接的发展和应用1、窄间隙焊接技术的特点窄间隙焊接技术是在应用已发明的传统焊接方法和工艺基础上，加上特殊的焊丝、保护气、电极向狭窄的坡口内的导入技术以及焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种专门技术。窄间隙焊接方法分为：窄间隙埋弧焊(N-SAW)、窄间隙钨极氩弧焊(N-CTAW)、窄间隙熔化极气体保护焊(N-GMAW)。
10、窄间隙焊是一种能提高焊接质量、提高焊接生产率和降低生产成本的工业技术，尤其是高的力学性能和低的残余应力与残余变形，使该技术在钢结构焊接领域中有着巨大的应用潜力和广阔的应用范围。从技术角度上看，其诸多的技术优越性决定着该技术在薄板除外的所有板厚范围内焊接均有极大的诱惑力。但从经济角度上看，窄间隙焊接技术的确存在着一个经济板厚范围问题，即在享有其技术优越性的同时，能获得显著经济效益的板厚范围。一般来讲，板厚越大，其经济效益也越大。具有明显经济优越性的最小板厚，可称为窄间隙焊的下限板厚。该下限板厚随着结构的钢种、结构的可靠性要求、结构尺寸及空间位置而不同，但一般为2030mm。上限板厚只取决于所开发
11、的窄间隙技术的焊枪可达范围，理论上不存在上限板厚限制。窄间隙焊接技术已成为现代工业生产中厚板结构焊接的首选技术。2、窄间隙埋弧焊的问题埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。在焊接过程中, 焊剂除了对熔池和焊缝金属起机械保护的作用外, 还与熔化金属发生冶金反应(如脱氧、去杂质、渗合金等), 从而影响焊缝金属的化学成分。这种方法生产率高、焊缝质量高, 能节省焊接材料和能源。在焊接领域, 埋弧焊技术是相对其他自动焊技术比较成熟的技术, 广泛用于造船业、冶金机械业、化工容器制造以及特殊军工业的大面积拼版和大厚度板焊接。但是随着各种装置规模的扩大, 大型容器壁厚和厚板厚度不断增加, 传统埋弧焊焊接难
12、度加大: (1)传统埋弧焊设备的导电嘴尺寸较大, 为了实现深坡口的焊接, 需要加大坡口宽度, 增加了焊材和能源的消耗, 而且还增大残余应力和变形; (2)传统埋弧焊控制手段落后, 难以精确控制, 容易产生未熔合、夹渣等缺陷, 且自动化程度低。为了确保焊接质量以及焊接效率, 窄间隙埋弧焊应用得越来越多。3、窄间隙埋弧焊的优点窄间隙埋弧焊是由窄间隙气电立焊演变而成,是近年来发展起来的一种高效、省时、节能的埋弧焊方法。与宽坡口埋弧焊相比, 由于窄间隙埋弧焊坡口窄、焊材消耗量少、热输入量低、焊接时间短, 焊接变形和焊接应力小, 降低了开裂倾向, 实现了高效率、低成本、高质量焊接。随着其关键技术接触式光
13、电跟踪器日益成熟, 可焊间隙越来越小, 坡口深度也越来越深, 使其特点更明显、应用更广泛。窄间隙埋弧焊的优势主要表现在: (1)窄间隙埋弧焊在焊接时, 通常采用I 形或者U 形窄间隙坡口,坡口间隙在1830 mm, 与普通埋弧焊接同样厚板须采用U 形或者双U 形坡口相比, 可节省大量填充金属和焊接时间, 由于加工金属量减少, 焊接效率提高,相比传统埋弧焊, 窄间隙埋弧焊能节省焊材约20%40%, 焊接总效率可提高30%45%, 大大的减少了焊接成本; 由于采用窄间隙坡口窄间隙埋弧焊在节约焊材的同时又减小焊接应力, 焊缝金属中积聚的氢也较少; (2)由于焊接线能量较小, 且后续焊道对前焊道有重叠
14、加热作用, 因此, 焊接接头具有较高的冲击韧性, 焊接变形亦得以减少, 从而提高焊接质量。近年来, 随着电子技术的发展, 新型焊接设备不断出现, 对焊接设备领域造成了不小的影响。(3)但相对造船业、冶金机械业、化工容器制造、高层建筑业以及特殊军工业的大厚度板焊接, 为满足高效率要求, 还是窄间隙埋弧焊更适合。随电站锅炉锅筒和石化压力容器壳体壁厚增加, 窄间隙埋弧焊设备向实用可靠、系统配套和精度高、功能先进(高效率双丝或多丝窄间隙埋弧焊)发展。为了满足生产需要, 国内自行开发了多种专用纵环缝窄间隙埋弧焊机, 但是目前我们需要的不止是功能单一的窄间隙埋弧焊机, 而是以焊接机器人为平台包括焊接转胎、
15、埋弧焊接系统(由窄间隙焊头、焊缝自动跟踪系统、焊剂送进与回收系统, 整机电气控制系统、送丝机及电源等组成)、焊接操作架以及焊接变位器等配套设备的一整套系统, 但是我国目前能适用这种配套生产方式厂家并不多。哈尔滨焊剂研究所研制的双丝窄间隙埋弧焊机是目前国内自动化水平较高的机电一体化的焊接设备, 目前哈尔滨焊接研究所仍在致力于窄间隙埋弧自动焊机的研制。4、窄间隙焊接技术的产业化发展概况窄间隙焊接技术的产业化发展概况窄间隙焊接技术的产业化发展概况窄间隙焊接技术的产业化发展概况 窄间隙焊接技术作为一种经济的，能够得到优质焊接接头的焊接方法，经过半个多世纪人们对其的研究和发展，至20世纪80年代初，大多
16、数窄间隙焊技术均完成了试验室开发阶段而进入工业生产试用阶段，目前在国外的船舶工业生产中发挥着巨大作用，已经达到了产业化。在军船方面，窄间隙焊接可用于航空母舰上大厚板的焊接。在民船方面，随着大型船舶和高附加值船舶需求量的增加，窄间隙焊接在大厚板焊接时也发挥着重要的作用。 展望实现自动焊接、机器人焊接、智能化焊接是现代制造业的理想和目标。中国的经济条件、工业基础、产业工人的技能和素质、企业的理念和管理水平，已经具备了这个实现这个目标的条件；国外工业先进国家在焊接新技术的具体应用上已有许多成功的业绩；中国的自动化焊接技术、装备的研究制造企业也已有了长足的进步，积累了一定技术、人才、制造经验，一部分自动焊技术和装备的水平已经达到国际先进水平，有了很多的使用案例，个别产品也在销往海外；现代新技术迅速发展对其的不断完善；国家对装备制造业产业发展的鼓励政策；这些条件的具备，将加速推动中国焊接产业的技术、装备升级。当前的全球经济危机，对中国也产生了较大的影响。对于涉及到焊接产业的中国装备制造业及其焊接技术和装备的研究、制造和配套企业，应该是一次历史难得的产业升级、产业调整机会。如何把握机遇、顺势而为，学校应加快推进焊接自动化、智能化的新技术、新装备的讲解、研究，对新型焊接技术的研究具有深远的意义。
