國外焊接技術(shù)最新進(jìn)展情況

　　電阻點(diǎn)焊被認(rèn)為是汽車車身制造中最重要的連接工藝。盡管有激光束焊接和粘結(jié)劑粘接等新技術(shù)，但點(diǎn)焊在汽車車身制造中仍然會保留其穩(wěn)固的地位。由于許多因素都會影響點(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，過去的作法是采用損傷性測試方法進(jìn)行隨機(jī)測試。由于這種方法存在一些缺點(diǎn)，例如：會毀壞測試樣件或使其變形，測試時(shí)間長，在鑿擊過程中會損壞和松動工件，當(dāng)使用“鋅粘結(jié)劑”時(shí)使用鑿擊的方法會找不到粘接點(diǎn)，所以它已不適合現(xiàn)代制造技術(shù)和成本核算意識。這里提供了一種補(bǔ)救方法??“點(diǎn)線超聲測試法”，用這種方法，在焊接過程中就可進(jìn)行焊點(diǎn)的檢查。

　　“IQR系統(tǒng)”是電阻點(diǎn)焊過程中在線質(zhì)量測試和優(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)動的明顯趨勢。在2001年的國際埃森焊接展覽會上，不少于12家制造商展示了使用伺服電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的焊接設(shè)備(安裝在微型點(diǎn)焊機(jī)、手動和機(jī)器人焊槍，以及基座式點(diǎn)焊機(jī)上)。根據(jù)專家預(yù)測，由于焊接質(zhì)量好和焊接周期較短，所以氣動焊接設(shè)備將會越來越多地被伺服驅(qū)動的焊接設(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，對電極需要施力和對焊接周期時(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，并能方便地對移動路線進(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，積蓄焊接的動力。由于機(jī)構(gòu)堅(jiān)固和采用了動態(tài)性能極高的驅(qū)動系統(tǒng)，使焊槍電極頭更適用于自動焊接裝置中，焊接效率很高。

　　用于沖法鉚接和點(diǎn)焊的普通焊槍，在運(yùn)動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，而折彎程度最小，通過精心設(shè)計(jì)開發(fā)了新一代的機(jī)器人焊槍，制造材料采用了結(jié)構(gòu)極輕的碳纖維加強(qiáng)塑料(CFRP)。根據(jù)研究成果，經(jīng)過精心試驗(yàn)優(yōu)化后制造了一個焊槍樣品。最近研制的結(jié)構(gòu)有一個縱向加強(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)一步開發(fā)更好的現(xiàn)代纖維材料制造輕型結(jié)構(gòu)的潛力。

　　二、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，原因是通過光學(xué)纖維 Nd：YAG激光器的光束傳輸比較簡單。而在遠(yuǎn)距離焊接時(shí)，CO2激光器的激光束要通過鏡頭聚焦，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電動滑軌上，可以在1500mm×1500mm×400mm的空間確定加工點(diǎn)。選用移動式反射鏡裝置，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，能對不同級別的鋼材進(jìn)行高效率的焊接。使用這種工藝的目的是為了確定對焊接不同厚度的鋼板時(shí)允許的最大間隙寬度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，無需任何焊縫背后的熔液支持。在對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，而不會產(chǎn)生任何技術(shù)問題。最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)，例如將每單位長度的能量降到最小，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)展前景的是盤式激光器和層流式激光器。在2001年的激光技術(shù)展覽會上，HASS激光技術(shù)公司首次展示了盤式激光器的樣機(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題，而盤式激光器實(shí)際上不再有熱鏡頭問題。由于盤式激光器具有與CO2激光束類似的優(yōu)質(zhì)光束，通過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。激光束的聚焦能力極大地依賴于光纖的截面積。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，首先用于對小型樣品和小零件的各種連接，如對接、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。基體可以使激光通過機(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，還可以裝一個與介質(zhì)刷一起運(yùn)動的裝置，使激光頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。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用于長導(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，開發(fā)用于管道內(nèi)部硬化的光學(xué)系統(tǒng)有一個旋轉(zhuǎn)激光頭，可以在固定的發(fā)動機(jī)機(jī)體上完成工作，用于硬化貨車柴油發(fā)動機(jī)的灰鑄鐵發(fā)動機(jī)機(jī)體的缸體承載表面。

　　一種新開發(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，可用來焊圓周焊縫，如AlMg3管道、法蘭盤以及GK-AlSi7Mg冷鑄合金制造的形狀各異的零件，能夠進(jìn)行 8mm壁厚材料的無坡口對焊連接。使用新開發(fā)的特殊氣體控制系統(tǒng)可以無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)的焊縫總長度可達(dá)39m，占整個焊縫長度的27.2%。

　　在研究開發(fā)最現(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)量最佳、經(jīng)濟(jì)有效、重復(fù)性好的連接工藝。另外，通過調(diào)節(jié)電流，確保厚板等離子弧對接接頭焊接時(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，并通過帶電的車架在等離子弧穿透時(shí)測量電流，并隨之移動。

　　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，能夠通過現(xiàn)代控制系統(tǒng)可靠地同步監(jiān)測各種設(shè)定值的執(zhí)行情況。晶體管的焊接電源，如AUTOTIG系列，可以精確地按照技術(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。

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