焊接是应用最广泛的金属不开拆卸连接方法,焊接过程的实质是利用加热、加压等手段,借助金属的原子结合与扩散作用,使分离的金属牢固地结合起来的成型方法。焊接方法的种类很多,通常按焊接过程的特点分为熔化焊、压力焊和钎焊。
焊接与铆接、铸造相比,可以节省大量金属材料,减轻结构的重量,成本较低;简化加工与装配工序,工序较简单,生产周期较短,劳动生产率高;焊接接头不仅强度高,而且其他性能(如耐热性能、耐腐蚀性能、密封性能)都能与焊件材料相匹配,焊接质量高,劳动强度低,劳动条件好等优点。
目前世界各国年平均生产的焊接结构用钢已占钢产量的百分之四十五左右,所以焊接是目前应用极为广泛的一种永久性连接方法。
焊接技术是随着金属的应用而出现的,古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。中国商朝制造的铁刃铜钺,就是铁与铜的铸焊件,其表面铜与铁的熔合线婉蜒曲折,接合良好。春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙,是分段钎焊连接而成的。经分析,所用的与现代软钎料成分相近。古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊和钎焊的水平上,使用的热源都是炉火,温度低、能量不集中,无法用于大截面、长焊缝工件的焊接,只能用以制作装饰品、简单的工具和武器。
近代焊接技术是从1885年出现碳弧焊开始,直到二十世纪四十年代才形成较完整的焊接工艺体系。特别是四十年代初期出现了优质电焊条后,焊接技术得到了一次飞跃。现在世界上已有50余种焊接工艺方法应用于生产中。
随着工业和科学技术的发展,焊接技术也在不断进步,焊接已从单一的加工工艺发展成为综合性的先进工艺技术。焊接技术的新发展主要体现在以下几个方面:
(1)提高焊接生产率,进行高效化焊接
焊条电弧焊中的铁粉焊条、重力焊条和躺焊条工艺;埋弧焊中的多丝焊、窄间隙焊接;气体保护焊中的气电垂直焊、热丝MAG焊、TIME焊等,这些都是常用的高效化焊接方法。
如:埋弧焊主要用于船体内底板、外板、甲板、纵壁等平直部位的拼板焊接,还用于内底板或甲板合拢对接缝。采用CO2打底+埋弧焊的混合焊接工艺,使焊接效率和质量得到大幅度提高。埋弧焊又分为单丝、多丝,具有熔敷效率高、熔深大以及机械自动化高、工作劳动强度低的优点。目前船企多数已采用了单丝焊,对于板厚≤14mm钢板可不开坡口,双面单道焊;厚板则需开坡口,一面焊完,反面碳弧气刨清根后再焊。对于双丝(多丝)焊,部分中大型船厂采用,其于坡口反面置一铜垫板,通过压缩空气软管等顶升装置顶紧,可以对较厚板进行正面施焊而形成反面焊缝,一次成形,減少翻身,效率更高。
CO2气体保护焊分为GMAW(实芯焊丝)和FCAW(药芯焊丝)。因其焊缝成形美观、电弧稳定、飞溅小等优势,药芯焊丝(f 1.2mm)在船厂得到广泛使用,是最主要的高效焊接技术。尤其是采用背面贴陶瓷衬垫,单面焊双面成形工艺时,减少翻身工作量,提高焊接效率,降低成本,有利于减轻焊工劳动强度,改善工作环境。气体保护焊中的气电垂直焊主要用于船舶舷侧大合拢立对接缝和纵壁合拢立对接缝或立角焊缝的焊接。30mm厚度以下DH36级钢以下等级的船体结构钢单面单道焊即完全成形,操作简单,效率很高。用铁粉焊条 直径大(f 5.0mm),焊接电流大, 操作简单、效率高。
(2)提高焊接过程自动化、智能化水平
国外焊接过程机械化、自动化已达很高程度,而我国手工焊接所占比例却很大。按焊丝与焊接材料的比例来计算机械化、自动化比例,1999年日本为百分之八十,西欧为百分之七十四,美国为百分之七十一,2000年我国为百分之二十三。焊接机器人的应用是提高焊接过程自动化水平的有效途径,应用焊接专家系统、神经网络系统等都能提高焊接过程智能化水平。
据不完全统计,全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域,焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式,即点焊和电弧焊。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的,而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中,一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务,机器人可以根据程序要求和任务性质,自动更换机器人手腕上的工具,完成相应的任务。
工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量,同时又具有柔性焊接的特点,即只要改变程序,就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接。由于机器人控制速度和精度的提高,尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用,使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决,机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比较单一的汽车装配点焊很快发展为汽车零部件和装配过程中的电弧焊。机器人电弧焊不仅用于汽车制造业,更可以用于涉及电弧焊的其它制造业,如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等等。
(3)研究开发新的焊接能源
焊接工艺几乎运用了世界上可以利用的热源如火焰、电弧、电阻、激光、电子束等。但新的更好的更有效的焊接热源研发一直在进行,例如采用两种热源的叠加,以获得更强的能量密度,如等离子束加激光、电弧中加激光等。
(4)建立健全焊接质量管理体系,应用先进的焊接技术理论和施工技术,综合协调并不断消除影响焊接质量的各方面因素,保障质量管理体系有效运行,中国“鸟巢”工程就是一个成功的例子。
“鸟巢”是近年来科技含量最高的奥运工程项目之一。其设计理念虽然来源于外国,但在结构计算、施工工艺、质量检验标准等方面则由国人自主制定和完成,并填补了多项国内技术空白。作为一个大跨度的曲线结构,“鸟巢”有大量的曲线箱形结构,设计和安装均有很大的挑战性。其中,钢结构总重5.3万吨,最大跨度259米,结构相当复杂,相关施工技术难题被列为科技部重点攻关项目。 整个工程没有一颗螺丝钉和铆钉,100%全焊钢结构,所有构件作用力全都由焊缝承担。作为影响结构体系安全运营的焊接工序质量要求之高是显而易见的,对焊接质量的要求更是精益求精,可谓:“成也焊接、败也焊接”。 我们在焊接应用技术理论的指导下采用了十四项焊接技术,如Q460-Z35 钢焊接性试验研究新技术;厚板采用SMAW-GMAW-FCAW-G复合新工艺技术;特殊焊缝处理技术;焊接机器人(FCAW-SS)焊接技术的应用;钢筋T型焊接接头压力埋弧焊新工艺等。
经过“鸟巢”建设者的艰苦努力, “鸟巢”钢结构焊接工程取得了十分优异的成绩,最终成为了当今焊接工程之典范和标杆
综上所述,焊接技术在近代已经不是一种辅助工艺而是制造业的关键加工手段,完成了许多关系国计民生的重要产品的生产,中国已经毫无悬念地成为世界首屈一指的焊接大国,但是与发达国家相比还有一定的差距。国外主要工业发达国家的政府很重视焊接技术的发展,他们希望用先进的焊接技术来提高产品的生产质量、提高效率、降低成本,这是值得我们国家好好思考好好学习的。
参考文献:
[1]卢本,卢立楷.《汽车机器人焊接过程》.机械工业出版社.2006-1-1
[2]金凤柱,王振家.《焊接技术与操作技巧》.国防工业出版社.2007-6-1
[3]戴为志,刘景凤.《建筑钢结构焊接技术——“鸟巢”焊接工程实践》.化学工业出版社.2008-03-01