■ Jan P. Pitzer，譯：袁滌

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1. 概述

對于眾多制造企業(yè)而言，焊接技術(shù)扮演著極其重要的角色。把握關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢，掌握創(chuàng)新技術(shù)，對于制造企業(yè)的意義不言而喻。焊接企業(yè)一方面不斷地為制造業(yè)提供各種創(chuàng)新工藝，使制造商得以提高自身的生產(chǎn)水平。然而解決方案形形色色，想要找到最適合自己的方案并非易事。另一方面，由于生產(chǎn)需求不斷變化，制造企業(yè)面對全新的挑戰(zhàn)，之前的生產(chǎn)水平無法滿足生產(chǎn)需求的情況也時常發(fā)生。

例如：除了常見的S235和S355（歐標(biāo)，對應(yīng)國標(biāo)的Q235和Q345）鋼材以外，低合金高強(qiáng)鋼（如：S690或硬度更高的材料）和鉻鎳鋼也越來越常見。在重視輕量化制造的領(lǐng)域，鋁合金以及輕量結(jié)構(gòu)特性越來越受歡迎。

此外，金屬加工業(yè)使用的材料厚度變化范圍也不斷擴(kuò)大。對于有的領(lǐng)域而言，壁厚2mm被歸為“厚板”，而對有的領(lǐng)域而言，10mm的板材僅用作產(chǎn)品銘牌。

因此，金屬加工業(yè)一方面為生產(chǎn)技術(shù)——尤其是焊接技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用范圍，另一方面也提出了諸多的挑戰(zhàn)，蘊藏著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.氣體保護(hù)熔化極電弧焊（MIG/MAG）

金屬加工制造業(yè)中應(yīng)用最廣泛的焊接工藝非氣體保護(hù)焊莫屬了（以下簡稱為“MIG/MAG焊”或“氣保焊”）。氣保焊中通常會區(qū)分“短弧”、“過渡電弧”、“噴射電弧”以及各種“脈沖電弧”。傳統(tǒng)的弧焊工藝通過簡單的步進(jìn)電動機(jī)便可控制，而現(xiàn)代的氣保焊機(jī)則多采用數(shù)控。其好處主要體現(xiàn)在：熱輸入量的可控性更好，通過脈沖基值電流的控制可保證熔滴過渡更安全、飛濺更低。確保熔滴快速從焊絲尾端脫離，避免焊絲進(jìn)入熔池，從而避免短路以及出現(xiàn)大量飛濺。相比之下，脈沖電弧焊因其穩(wěn)定性強(qiáng)、熔深大、根部成形穩(wěn)定而廣受歡迎。無論是手工還是自動焊接應(yīng)用范圍都十分廣泛。目前大多數(shù)的焊機(jī)廠家都采用I/I方式控制脈沖電?。杭疵}沖相位和基值電流相位均采用電流進(jìn)行控制。在全球范圍內(nèi)只有極少數(shù)公司掌握了U/I控制技術(shù)：脈沖相位通過電壓控制，而基值電流相位通過電流進(jìn)行控制。圖1為我們展示了脈沖模式中電流的走勢，上面對應(yīng)的是高速攝像機(jī)抓拍到的不同階段電弧的變化。在脈沖電流及電磁收縮效應(yīng)的共同作用下，熔滴從焊絲尾端脫離，而無需進(jìn)入熔池，從而避免形成短路。

電弧的穩(wěn)定性更高，能確保更大的熔透深度，從而達(dá)到更快的焊接速度。這一點對于手工焊而言意義重大：在實際生產(chǎn)中，即使焊絲到工件的距離發(fā)生變化，電弧性能依然十分穩(wěn)定。

圖1 脈沖電流波形

創(chuàng)新型焊接電源使應(yīng)用范圍的多樣化成為現(xiàn)實。德國焊接技術(shù)協(xié)會DVS出版了編號為0973的備忘錄，總結(jié)了形形色色的焊接工藝。其中，改良版的噴射電弧工藝引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。該噴射電弧壓力高、弧短、強(qiáng)勁有力。這些特點使該工藝擁有了多樣化的應(yīng)用可能性。例如：高壓力帶來的好處一方面是熔深大；另一方面，即使干伸長較大，也能確保優(yōu)異的焊接質(zhì)量。也就是說，采用該工藝焊接厚板工件時坡口角度明顯縮?。浩胀üに囆枰_45°的情況現(xiàn)可以縮到40°甚至35°，從而有效減少了焊層數(shù)量，大量節(jié)約生產(chǎn)成本和時間。換句話說，一方面減少了填充金屬的用量，另一方面也節(jié)省了能耗。然而，該工藝也存在一定的局限性，如果熔池過窄，可能會產(chǎn)生焊縫缺陷（見圖2）。

高壓力帶來的好處非常多，比如：6mm厚的工件采用單面焊接，無需開V形坡口就能實現(xiàn)全焊透。對于防腐性要求很高的應(yīng)用來說，這一點十分關(guān)鍵：由于焊縫背面沒有縫隙，因此不給腐蝕留以任何余地。

圖2 焊縫截面：單面焊接（右面），T形接頭，坡口30°

眾所周知，縫隙對焊接的影響巨大。市面上有多種工藝專門圍繞縫隙這一難題展開。這些工藝基本上具有一個共性：幾乎都為短弧焊。由于進(jìn)入工件的熱量少，因此熔池的可控性極佳。然而需要注意的是：與噴射電弧和脈沖電弧相比，短弧的特性決定了其飛濺高的特點。由于飛濺越大，焊工的修整量就越大，生產(chǎn)成本也越高，所以都希望飛濺越少越好。因此，改良版的短弧焊工藝應(yīng)運而生。焊接電源通過控制短路電流的釋放過程，有效地降低了飛濺程度。其好處還不僅如此，電弧的穩(wěn)定性也更好了。尤其對于難度很高的焊接作業(yè)，其優(yōu)點更體現(xiàn)得淋漓盡致，例如：管道焊接。改良技術(shù)的加入使熔池的可控性更強(qiáng)，從而有效地避免了焊縫缺陷的產(chǎn)生。即使焊縫準(zhǔn)備的情況不盡相同，工藝的優(yōu)點都表現(xiàn)得十分穩(wěn)定。

除了焊接電源對短路電流的控制以外，工藝的研發(fā)人員還在其他方面也實現(xiàn)了突破。例如：送絲和回抽功能為焊接開辟了全新的可能性。與一般短路工藝不同的是，新工藝并非通過猛然提高電流來形成短路，而是通在焊絲伸進(jìn)熔池時，回抽焊絲，使熔滴迅速脫落，從而能將整個工藝的熱輸入量控制在最小程度。同時，對短路電流的干預(yù)使電弧幾乎不產(chǎn)生飛濺。這就意味著，和傳統(tǒng)的短弧焊工藝相比，工件的變形率明顯減少。該優(yōu)點在焊接薄板（0.5～3mm）或熱敏性高的材料時體現(xiàn)得尤其突出。要實現(xiàn)該工藝還需要硬件支持：必須在送絲機(jī)構(gòu)中加入特定元件。此外，如前所述，該工藝最適用于超薄板的焊接，因此也主要應(yīng)用于該領(lǐng)域，例如：汽車制造。

中厚板的焊接，或者絕不允許產(chǎn)生氣孔的應(yīng)用則需選擇埋弧焊。只要參數(shù)設(shè)定正確，埋弧焊能保證安全的焊縫結(jié)合，此外，由于熔敷率高，焊接質(zhì)量也十分優(yōu)異，且經(jīng)濟(jì)性很高。如果使用大直徑焊絲或雙絲焊接，熔敷率最高可以達(dá)到每小時30kg。由于熔敷率和焊接速度成正比，因此只要應(yīng)用的工件得當(dāng)，可達(dá)到很高的焊接速度。而焊接速度越快，相同時間內(nèi)加工的工件數(shù)量也更多，生產(chǎn)效率也隨之提高。此外，由于焊接速度快，進(jìn)入工件的熱輸入量也隨之變少。母材的原始特性得到了最大程度地保護(hù)，焊后的修整量也降低了。然而埋弧焊也存在一定的弊端：例如設(shè)備的搭建更費時，需額外購買焊劑、清除焊劑；焊接時，焊工肉眼無法看到電弧而及時作出反應(yīng)，只有焊后通過焊接效果來判斷出錯環(huán)節(jié)。

能達(dá)到埋弧焊類似效果的還有雙絲焊。在兩條焊絲的共同作用下，一般可達(dá)到每小時25kg的熔敷率。大熔敷率的優(yōu)點不僅體現(xiàn)在焊接速度上，同時還降低了熱輸入量，工件變形率更小。通過最新的雙絲工藝焊接3.5～4mm厚的材料時，焊接速度最快可以達(dá)到每分鐘4500m。這就意味著熱輸入量能控制在1.7kJ/cm以下。

圖3 緊湊型雙絲焊接機(jī)器人，用于焊接船舶推進(jìn)器的錐形支撐管

使用雙絲工藝焊接厚板工件時，能增大各焊層的有效厚度，從而減少焊層數(shù)量，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性（見圖3）。

如果需要結(jié)合的板厚均超過了35mm，例如：三腳架結(jié)構(gòu)件、大型發(fā)電設(shè)備，窄間隙焊工藝以其卓越的經(jīng)濟(jì)性大放異彩（見圖4）。借助窄間隙工藝，開坡口的角度僅需1°，可以說焊縫的填充量降到了最低程度。這樣一來不僅大量減少了焊層的數(shù)量，同時填充金屬的用量也更少。進(jìn)入工件的熱量減少了，從而有效地減少了工件收縮變形。

與傳統(tǒng)工藝相比，焊縫大幅變窄，焊接高效節(jié)能。當(dāng)然，市面上還有很多其他的創(chuàng)新工藝可達(dá)到節(jié)能生產(chǎn)的目的，然而窄間隙的節(jié)能顯著性可謂無人能及。

圖4 采用窄間隙焊可明顯縮小坡口的角度

3. 激光焊及激光氣體保護(hù)復(fù)合焊

眾所周知，激光焊屬于效率最高的焊接工藝。一般來說有兩種激光工藝可供選擇：熱傳導(dǎo)焊、深熔焊。

具體選擇哪種工藝取決于工件的板厚、母材類型以及焊接功率。簡而言之，熱傳導(dǎo)焊和TIG焊類似，適用范圍也大同小異：TIG電弧將對接工件沿著結(jié)合部位熔化。熔液相互熔合在一起，凝固成幾乎無飛濺的焊縫（見圖5）。而激光傳導(dǎo)焊與TIG焊相比，一方面熱影響區(qū)更狹窄，另一方面焊接速度更快。因此，熱輸入量大幅減少，有效避免熱變形，這一點對于熱敏性高的材料而言尤其重要。熱傳導(dǎo)焊既可使用填充金屬，也可不用。與TIG焊接類似，焊接時一般需要使用保護(hù)氣體或背面保護(hù)氣體。

而另一種高效工藝深熔焊則適用于中厚壁材料。機(jī)器人向工件表面發(fā)射高能量密度的激光束，激光束在熔化金屬的同時產(chǎn)生蒸汽。熔體中形成金屬蒸汽毛細(xì)管，俗稱鑰匙孔（Keyhole），細(xì)孔周圍環(huán)繞著金屬熔液。在金屬蒸汽毛細(xì)管內(nèi)，激光束被多次反射。由于在這個過程中熔液幾乎將激光束全部吸收，因此鑰匙孔能不斷地向材料內(nèi)部穿透。激光束在結(jié)合部位上方移動，鑰匙孔就跟隨其移動，這樣鑰匙孔后便形成了一條又深又窄而的焊縫。

圖5 熱傳導(dǎo)焊、深熔焊的工作原理

該工藝尤其適合與MIG/MAG焊相結(jié)合，就形成了激光氣體保護(hù)復(fù)合焊。取決于使用的激光類型、功率以及工件材料，激光復(fù)合工藝一次性焊接的最大板厚可達(dá)20mm（見圖6）。以碳鋼為例，一般來說，焊縫的深度每增加1mm，所需的激光功率要加大1kW。

傳統(tǒng)工藝需要的V形坡口就可以完全省略了。大量節(jié)省了焊前準(zhǔn)備的時間、焊層數(shù)量、填充金屬量以及總的焊接時間。更值得一提的是焊接速度非?？?，完成相同的作業(yè)MIG/MAG焊需要的時間是激光復(fù)合焊的5倍。焊接速度快，就意味著進(jìn)入工件的熱輸入量更少。與MIG/MAG工藝相比，焊縫更窄，熱影響區(qū)很小，工件幾乎不產(chǎn)生變形。因此各種激光焊工藝的焊后修整量都少到可忽略不計。

圖6 激光復(fù)合焊的工作原理

為了最大程度地提高生產(chǎn)效率，激光技術(shù)可以和不同的焊接工藝相結(jié)合。例如：激光MIG/MAG復(fù)合焊結(jié)合雙絲焊槍。激光MIG/MAG確保形成所需的熔深，雙絲焊擁有強(qiáng)大的熔敷率，從而在最短時間內(nèi)完成填充（見圖7）。

4. 機(jī)器人自動焊接：傳感技術(shù)保駕護(hù)航

當(dāng)今的大多數(shù)的焊接工藝既可以用于手工作業(yè)，也可以實現(xiàn)自動化作業(yè)。然而高效率的工藝一般都運用在機(jī)器人上，因為只有這樣才能充分體現(xiàn)工藝的優(yōu)越性。畢竟機(jī)器人能達(dá)到的送絲速度和焊接速度是人工無法實現(xiàn)的。當(dāng)今的機(jī)器人技術(shù)極大地提高了設(shè)備的靈活性，因此，即使小企業(yè)也能找到適合的自動化解決方案。

圖7 激光MIG/MAG復(fù)合焊頭，用于焊接環(huán)形焊縫

而傳感技術(shù)同樣發(fā)展迅速，兩者結(jié)合，生產(chǎn)自動化更高效可靠。而傳感器的種類可謂琳瑯滿目：如電弧傳感器——通過測量焊縫左右兩端的電流值使焊槍找準(zhǔn)位置，從而實現(xiàn)焊縫跟蹤；還有焊縫探測經(jīng)常使用的接觸傳感器，用于尋找工件實際位置；還有各種激光傳感器應(yīng)用也十分廣泛。在弧焊領(lǐng)域主要將傳感器分為離線和在線兩類。離線傳感器在焊前使用，以探測焊縫實際位置，調(diào)整機(jī)器人位置的偏差；而在線傳感器則是焊接時使用，安裝在焊槍前端，將結(jié)合處的實際數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器人。但在線傳感器的作用還不止于此，重要的是，還能測出結(jié)合處的形狀和體積，從而在焊接時使參數(shù)自適應(yīng)。比如：當(dāng)焊縫越來越窄時，機(jī)器人收到信號后立即減緩焊接速度或功率，從而及時避免了余高過大的情況。

5. 結(jié)語

想要選擇適合的焊接工藝就必須深入了解各種工藝的特性及最新發(fā)展趨勢。而高效率工藝和復(fù)合工藝則為生產(chǎn)技術(shù)提供了更多的可能性，從而為整個生產(chǎn)力的提高做出貢獻(xiàn)。

而柔性設(shè)備因其具有極高的經(jīng)濟(jì)性不僅在大企業(yè)中廣受歡迎，同樣也深受中小型企業(yè)的喜愛。無論是單機(jī)自動化還是綜合化的機(jī)器人生產(chǎn)線——柔性設(shè)備，只有搭配最適合的焊接工藝才能有效地縮短焊接時間。此外，由于生產(chǎn)任務(wù)不斷發(fā)生變化，因此只有選擇成套的解決方案才能在省錢的同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。這一點不僅適用于單機(jī)自動化應(yīng)用，同樣也適用于全線以及模塊自動化。同時，還能省去費時又費力的焊后修整及質(zhì)量投訴等問題。