我国焊接生产现状与焊接技术的发展

2018-11-26 13:26:00
陆启蒙
原创
137
摘要:中国在 2004 年焊接结构的用钢量已经突破 1 亿吨,成为世界最大的焊接制造大国。 自改革开放以来, 完成了许多具有标志性的重大产品,焊接在国民经济建设中发挥着不可替代的重要作用。 文章分析了我国焊接材料生产与应用、焊接机器人分布、焊接技术人员与焊工的教育与培训情况。指出虽然焊接材料生产总量及焊丝产量增加迅速, 我国成为世界最大的焊材生产与消费国,但是手工焊条的比重仍占 75%以上,焊接的机械化自动化率为 35%左右,焊材产量与钢产量之比高达 0.77%,这些问题应尽快解决。根据国际焊接技术的发展趋势,提出在造船业中应重视焊接机器人、数字化焊接电源和激光、搅拌摩擦焊和高效焊接等新工艺技术的发展与应用,吸引优秀人才到焊接生产第一线,加强政产学研的联合,以优质、高效、低成本的优势,增加我国造船业在国际竞争中的实力。

1 我国焊接生产的现状

焊接是一种将材料永久连接,成为具有给定功能的结构的制造技术。几乎所有的产品,从几十万载重吨的巨轮到不足 1 克的微电子元件,在生产中都不同程度地依赖 焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域,直接影响到产品的质量、可靠性和寿命,以及生产的成本、效率和市场反应速度。我国 2004 年的钢产量达到 2.6 亿多吨, 如果再加上进口的钢材, 国内市场流通的钢材总量接近 2.8 亿吨,成为世界最大的钢材生产国和消费国。目前,钢材是我国最主要的结构材料, 在今后 20 年内,钢材仍将占有重要的地位。然而,钢材必须经过加工才能成为有给定功能的产品。 由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、效率高、市场反应速度快等优点,焊接结构的应用将日益增多。 2004年我国用 焊接方法加工的钢材总量已经突破 1 亿吨,成为世界上最大的焊接大国。焊接在国民经济建设和社会发展中发挥着无可替代的重要作用,因此,发展我国制造业, 尤其是装备制造业和造船业,必须高度重视焊接技术的同步提高。

为了完成诸多重要产品的焊接任务,在近 25年来我国已经先后自行研制、开发和引进了一些先进的 焊接设备、技术和材料。目前国外在生产中已经采用的成熟焊接方法、材料与装备在我国也都有应用,只是应用规模和广度不同。我国的制造企业已经在采用诸如电子束焊接、 激光焊接、 激光钎焊、激光切割、激光与电弧复合热源焊接、 水射流切割、双丝或单丝窄间隙 埋弧焊、 4 丝高速埋弧焊、双丝脉冲 气体保护焊、等离子焊接、精细等离子切割、数控切割系统、 机器人焊接系统、 焊接柔性生产线、STT 焊接电源、变极性焊接电源和全数字化焊接电源等等技术或设备。甚至目前在国际上比较热门的搅拌摩擦焊技术,也正准备应用到产品的生产。我国的焊接工作者一直在积极努力追赶国际先进水平,但是要赶上世界先进水平还有一段很长的路要走,需要政、产、学、研的合作与共同的努力。

1.1 我国 焊接材料生产与应用现状

一个国家焊接消耗材料的生产情况可以反映该国焊接技术的总体水平。从图 1 可以清楚地看出我国焊材的生产,总体上是与钢材同步增长的。近 8年来产量增加了两倍多。仅统计焊条与焊丝, 1996年的产量为 62.96 万吨,发展到 2003 年已达 192.9万吨,如果加上进口的焊材, 总耗量超过 200 万吨,成为世界最大的焊材生产与消费国家。但是,从不同焊材的产量构成看,当前存在的问题也就明显地显现出来了。表 1 为近 8 年焊材产量的统计结果。在我国生产的焊材中,手工焊的焊条产量一直占75%以上,而机械化、自动化焊接需要的各种焊丝的总量不足 25%。按熔敷金属计算,我国焊接机械化、自动化率仅能达到 35%左右,而世界工业发达国家一般都在 60%以上。可见我国焊接生产的总体自动化率仍比较低。这足以说明我国只是一个焊接的大国,还远不是一个焊接的强国。

从统计数据还可以看出,近几年来我国焊丝产量正在迅猛发展。例如气体保护焊( MAG )用的实心焊丝从 1996 年到 2003 年增加近 5 倍,质量也有明显提高,目前已经能够满足 90%以上的国内需求。而先进的药芯焊丝,由于具有独特的工艺性能, 8年来产量增长了近 62 倍,成为我国发展最快的焊材。从过去主要依靠进口,到现在国内应用的药芯焊丝 50%以上是自己生产的,并且有少量出口。

埋弧焊多在船舶、压力容器、管道和钢结构件的制造中使用。我国埋弧焊丝的产量近年来也有较大增长,但是只占焊材总量的 5%左右。而工业发达国家埋弧焊丝的比例一般在 8%~10%。我国焊材生产中手工焊条的比重居高不下,使得我国焊材生产总量与钢产量之比偏高。以 2002年为例,焊材生产总量(仅计算焊条和焊丝) 为 144.9万吨,而钢产量为 18500 万吨,两者之比为 0.78%,而 2003 年为 0.77%。工业发达国家的比例一般在0.3%~0.5%,而发展中国家在 0.5%~0.8%。由于工业发达国家的手工焊条比重低,平均每 1 亿吨钢需要不到 40 万吨焊材,而我国由于手工焊条比重过高,每亿吨钢需 77 万吨焊材, 比工业发达国家高出近一倍。

按照节约资源和可持续发展的要求,我国必须尽快增加各种焊丝的产量和用量,逐步减少手工焊条产量,使焊材与钢产量比例降到 0.5%以下。根据最近的全国调查结果,主要企业中交流焊机、直流焊机和 CO 2 焊机的比例分别为 26%、36%和 38%。非常巧合,主要造船厂的比例也大致相同。这些数字表明,近年来企业开始重视用机械化的CO 2 焊取代焊条手工焊,以提高生产效率,但这种取代的进度还应再加快。企业所用的直流焊机和CO 2 焊机大多数仍是晶闸管(可控硅)型的整流电源,逆变式焊机较少,全数字式焊机更少。因此,从改善 焊接工艺性,提高质量与生产效率,以及减少飞溅的角度出发,企业的电焊机有进一步升级的必要。从企业消耗气体保护焊焊丝(实心与药芯焊丝)和手工焊条的情况看,以汽车零部件、集装箱和工程机械等制造行业为最好,焊丝的用量占 90%以上,而造船业为 60%左右,锅炉行业则低于 50%。这两个行业埋弧焊的用量比较大,然而,气体保护焊取代焊条手工焊的发展空间还较大。

1.2 我国 焊接机器人的应用情况

我国制造业中焊接 机器人的应用主要是在 20世纪 90 年代以后(个别企业在 80 年代中期),经历了一段摸索阶段,近 8 年来焊接机器人的数量增加很快,特别是在 汽车制造业。根据 2001 年的统计,全国共有各类焊接机器人 1040 台,其中弧焊机器人多于 点焊机器人,如图 2 所示。汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76%,是我国焊接机器人最主要的用户。汽车制造厂的点焊机器人(图中带阴影部分)多,弧焊机器人较少;而汽车零部件厂的弧焊机器人多,点焊机器人较少(阴影部分)。整个行业中点焊与弧焊机器人的比例约为 3:2。其他行业大都以弧焊机器人为主,主要分布在工程机械( 10%)、摩托车( 6%)、铁路车辆( 4%)、锅炉( 1%)等行业。近年来在金属家具行业中采用焊接机器人的数量明显增多。焊接机器人已经分布在全国各个大经济区,但主要集中在东部沿海和东北地区。东部的上海和东北的长春两个汽车城是我国拥有焊接机器人最多的城市。


我国造船业应用焊接机器人基本上还是空白,机器人数量最多的日本目前也不足 2%。由于造船可以认为是单件生产,或者是多品种少批量生产,加上工件尺寸大,难以达到很高的装配精度,这点和汽车工业完全不同,使得推广应用难度较大。所以,造船用的焊接机器人系统除了必要的外围设备外,还必须配备离线编程软件、 视觉跟踪传感装置、自适应控制系统,以及高效率的焊接方法等。在当前国际竞争非常激烈的情况下,为了提高造船质量和效率,降低生产周期和成本,各国都在加紧研究在造船中使用高度自动化的焊接机器人系统的最佳途径。我国也必须重视这个发展动向,当前就应集中力量进行必要的准备和开展预研工作, 避免落后。由于造船的焊接机器人系统涉及的技术多,也比较复杂,应该采取以企业为主导的广泛政产学研联合攻关的方式,从生产实际出发,全面解决造船焊接机器人系统的合理、正确应用问题。

1.3 企业焊接技术人员和焊接工人概况

人是企业最具活力的生产力,企业是高新技术的载体。企业的竞争说到底是人才的竞争,包括技术人员的创新能力和工人的素质。因此我们曾对企业技术人员和焊接工人的情况进行抽样调查。从115 家不同行业的中型到特大型企业提供的数据进行分析,共有 2,012 名焊接工程技术人员和 21,965名焊接工人(包括技师) 。他们的职称比例如图 3所示。企业焊接技术人员队伍中 66%由工程师和助工组成,而具有研究员级高工职称的人数仅占 1%。

这些焊接工程技术人员的学历如下:

博士学位(仅有 1 人)— 0.05%

硕士学位— 1.7%

大学本科— 52.6%

大专— 22.9%

中专— 12.4%

电大/职大— 8.3%

其它— 2.05%

可见,目前企业中高学历和高职称的焊接技术人员太少。在 2,012 名焊接技术人员中仅有 1 名具有博士学位,而具有硕士学位的也不足 2%。我国每年培养的焊接专业博士近百名,硕士数百名。但是我国大多数企业缺少高学历的、熟悉生产的焊接工程师和有经验的焊接结构设计工程师,这已是一个不容忽视的严峻问题。现在已经到了要大声疾呼让全社会重视引导高学历、高素质的优秀人才到生产第一线去锻炼、去工作的时候了。另外,中专毕业生在工厂的焊接技术人员中所占的比例也偏少( 12.4%),其实,工厂有一些工作完全可以由中专学历的技术人员来完成,不一定都让大学毕业的技术人员去做。 实际上,这也是一种人力资源的浪费,是一种不正常的社会现象。


应该注意到, 我国从 1998年开始,高等院校取消各单独的热加工专业,合并成材料加工工程,实行了通才教育。然而,对企业来说需要的是能尽快独立工作的人才。能够尽快从“通才”过渡到“专才”,要求我国的教育培训体系有一个合理的总体安排。其中,高等教育应能适应不同层次的社会需求,特别是广大基层企业对技术人才的需求。工科的高等教育应特别注意,并重点培养能适合在现代企业工作的工程师。这是人数最多,对发展我国制造业有深远影响的群体。在四年的工科教育中不仅要使学生掌握基本的科学知识,更重要的是能真正了解现代企业的生产和管理特点, 树立良好的职业道德,培养牢固的敬业精神和认真负责的工作态度,确立深入生产一线的思想。只要有一支强大的、高素质的工程师队伍为后盾,我国的工业基础才能牢固,科技成果才能有众多的承接主体,制造业才能有所创新和持续发展。

从调查的 21,965 名焊工来看, 90%以上都取得焊工证书, 85%的焊工年龄在 45 岁以下, 说明我国的焊工是一支比较年轻的、技术合格的队伍。目前焊工的主要来源有如下几个方面:

技校 — 58%

企业培训 — 30%

临时工 — 8%

其它 — 4%

可见,技校毕业的学生是我国焊工的主要来源。然而,不同行业焊工的来源也不尽相同,如图 4 所示。一些企业集团公司和大型企业都有自己的技校,为本企业培养焊工的后备人员。但是,当前还有相当一部分企业兴办的技校由于经费困难和不能招收到足够数量愿意学习焊接的学生,已经难以为继。如果这个问题不能得到解决,技校不能输送足够的焊工后备军,企业自行培训焊工的比例将继续升高,企业的负担也将加重。 这样,企业不仅要将 “通才”的大学毕业生培养成焊接的专才,还要把“新手”培养成熟练焊工,这会拖累企业发展的步伐,也是不尽合理的社会分工。政府有关部门应重视并尽快解决这个工人预备队的来源问题。

当前一些造船厂和金属结构厂采用较多的焊接外包施工队或协力工,解决焊接工作量不均匀的问题。这是一种新的形式,需要规范化管理,加强考核与培训力度,才能保证施工质量。

焊接技师是具有熟练技能和专门知识与经验的高级焊工,但是目前企业中焊接技师与焊工的比例仅为 4%。这说明企业过去对培养高水平焊工的力度不够,应引起企业和全社会对高技能人才的培养和晋升的重视。


我国的焊接生产技术在改革开放以来,取得了巨大的进步,成功地焊接了许多具有标志性意义的重大产品,在国民经济建设中发挥了重要的作用。我国已经成为世界最大的焊接大国,但还远不是焊接强国。今后 10 年内应重视解决如下三方面的战略性问题:

— 全面提高我国的总体焊接生产技术水平, 与国际接轨;

— 培养与吸引一批优秀的焊接专业技术人才,提高自主创新能力;

— 在一些国际焊接相关尖端前沿科技领域占有一席之地。

这需要制定长远和近期的发展规划, 需要政府、企业、高校、研究院所的通力合作,需要有一批优秀的管理、设计、制造、组织人才,需要充分依靠科技,在吸收国外先进科学、 技术和经验的基础上,强化自主创新的能力, 争取在 15 年内使我国成为世界焊接强国。

2 造船行业焊接技术发展的几个问题

我国造船产量 2004 年已经突破 850 万载重吨,超过欧洲造船总量,稳稳坐牢世界第三造船大国的位置。预计今年产量将达到 1000 万吨,逐步向韩国和日本看齐。中国造船业的迅速崛起,引起了国际的高度重视,正在掀起新一轮的造船科技发展大竞赛。竞赛的焦点还是优质、高效、低成本。国际焊接学会(International Institute of Welding, IIW )应欧洲造船界的要求,于 1997 年成立“造船工作组”(WGShipbuilding),目的是综合各国焊接界的智慧,采用先进制造技术和质量管理模式,提高造船业的竞争能力。 2004 年讨论研究的主要问题有:

— 造船的质量管理体系

— 造船中应用机器人进行焊接与切割的现状与经验

— 造船中应用激光技术的现状与经验

— 焊接铝结构船体的现状与经验

— 焊工的战略资源问题

美、欧、日、韩等国家的主要船厂和有关组织都派人参加该工作组的活动。欧洲的船厂希望通过该组织的活动,有助于振兴欧洲的造船业,因此曾经组织多次欧洲船厂之间的经验交流。而日、韩则希望继续保持领先地位。我国应关注这个组织的动向,在可能的情况下应争取派人参加,更好地吸收外国的经验,加快我国造船焊接技术的发展。

从工作组 2004 年的讨论内容,可以看出他们当前所关注的重点,即 21 世纪造船的质量管理新模式、焊接自动化和高效率化、 大型铝合金船的制造、高技能焊工资源紧缺等问题。众所用知,焊接是造船中工作量最大的工序,图 5 为超级油轮( VLCC )制造的工时分配情况。提高焊接过程的自动化率,不仅能改善焊接质量和降低劳动强度,而且能减轻欧洲高技能焊工资源紧缺的压力。焊接过程自动化的主要发展方向是如何正确应用焊接机器人系统和需要发展什么样的机器人系统。造船中长期使用埋弧自动焊和气体保护半自动焊方法,当前如何利用最新的技术,进一步提高焊接效率与质量,成为新一轮竞争的重点。从节省能源和环保角度出发,减轻船体重量,提高载重量和航行速度,是主要发展方向,这使造船材料发生新的变化,高强度钢和铝合金的用量将会迅速增加,给焊接带来新的问题。这些新的发展动向所提出的问题,将在下面进行简要的讨论。

2.1 造船焊接机器人系统的发展与应用

造船中的平面分段和曲面分段组件尺寸都很大,而一般的 工业机器人的活动半径只有 1.5m 左右,因此机器人必须有辅助移动装置,而焊件多摆放在平台上,不需要附加工件变换位置的变位机。

目前大致有三种不同形式的辅助移动装置:龙门架式、小车-轨道式和遥控小车式。 龙门架式是把焊接机器人固定在龙门架的臂上,一般可较大范围地增加机器人在 X、 Y、Z 三个方向的移动距离,并与机器人实现协调运动,形成一个 9 轴以上的复杂机器人系统,使机器人能从大型工件的上方进入焊接位置,多用于有空间焊缝的箱型隔框结构 ( Egg Box)或曲面组件的焊接,如图 6 所示。龙门架式机器人系统在造船中已有较长的使用历史。 小车 -轨道式是把机器人固定在一个可沿轨道移动的小车上,因此只能增加机器人一个方向的移动距离, 如图 7 所示,用于从下面进入箱型隔框结构,进行立缝与横缝的焊接。这种方式成本较低,可方便转换位置,比较灵活。近期提出的遥控小车方案,是将机器人固定在一辆带有多种传感器的小车上,具有自己行走与搜索、自行定位和自动任务规划等功能的高度自动化焊接机器人系统。这是今后的一个发展方向,正处于试验阶段,技术难度较大。

一般平板拼板的对接焊和筋板角缝的焊接,都采用机械化的焊接系统,而有复杂焊缝的组件难以用机械化焊接方法,手工焊效率又太低,目前开始选用焊接机器人系统。然而,船厂要选用焊接机器人系统焊接复杂的结构,首先应开发针对本厂特点的焊接机器人系统离线编程软件。目前还没有通用的离线编程软件版本,需要解决和船体设计软件以及所选用的机器人的制造厂商提供的机器人离线编程软件的接口问题,以便能直接从数字化的设计图纸提取焊接相关的信息,并能为机器人离线编程系统所接受。同时,还需要针对本厂所造船型的结构特点,例如开孔补强的形式,编制各种不同的焊接子程序库,以便随时调用。造船机器人的离线编程软件的开发,不是机器人制造厂商或软件开发商单独所能完成的,必须由船厂的设计人员和焊接人员和他们共同完成,而且应早于设备的安装,有一定的提前量,以免影响投产的进度。

此外,由于船体的组件尺寸很大,可达 20m×20m,被焊件的位置和接缝的间隙很难精确控制,因此,机器人需要带有视觉传感器,目前比较成熟的有激光视觉传感器,它不但能够自动跟踪直线和曲线的接缝,而且还能对不同的间隙和坡口宽度进行检测和自适应控制,自动调节焊接参数,以保证焊缝尺寸的均匀一致和焊接质量的稳定。

2.2 新型焊接电源和焊接方法的发展与应用

近年来,随着微电子技术和计算机技术的发展,焊接电源也有明显的进步。焊接电源已经从旋转直流焊机发展到晶闸管整流焊机,到逆变焊机,到最近的全数字化焊机,经历了好几代的发展阶段。数字电源是相对于模拟电源而言。全数字化电源是最新的一代,它的结构框图如图 8 所示。全数字化是指焊接参数数字信号处理器、主控系统、显示系统和送丝系统全部都是数字式。所以电压和电流的反馈模拟信号必须经过 A/D 转换,与主控系统输出的要求值进行对比,然后控制逆变电源的输出。这种焊接电源的最大特点是焊接参数稳定,受网路电压波动、温升、元器件老化等因素的影响很小,具有很高的重复性,焊接质量稳定、成型良好。同时,由于 DSP 的响应速度很快, 可以根据主控制系统的指令(给定值)精确控制逆变电源的输出,使之具有输出多种电流波形和弧压高速稳定调节的功能,适应多种焊接方法对电源的要求。一台电焊机可以顶多种电焊机用,只需要改变或输入相应的控制程序。全数字化电源和非全数字化电源的主要区别就在于有没有焊接参数 DSP 和数字化送丝控制器。 必须指出,全数字化电源应该配用数字化的送丝机,才能获得最佳的效果,不仅能稳定送丝速度,而且能在焊接过程精确控制和调节送丝速度的变化,如快-慢脉动、送 -停脉动、送 -抽脉动等。下面简要介绍几种利用全数字化电源的新焊接方法。

2.2.1 双脉冲焊接方法

双脉冲焊接方法是全数字化电源的一种应用范例,双脉冲是指送丝速度的快 -慢脉冲和焊接电流的高-低脉冲。 双脉冲焊和一般的脉冲焊不同, 脉冲焊的送丝速度不变,而焊接电流在峰值与基值电流之间作较大幅度的变动;双脉冲焊的送丝速度是在平均速度基础上作小幅度的变动, 如±(1~2)m/min,而焊接电流也在平均电流下作一定幅值的同步变动,脉冲频率一般在 1Hz~5Hz 之间。 双脉冲焊接方法有效地控制热输入量,很适合薄铝板的焊接。而且,由于双脉冲对熔池的振动搅拌作用,有利于气体的逸出,可减少气孔的产生;焊缝的成型均匀美观,类似于 TIG 焊的焊缝。

2.2.2 CMT 焊接方法

CMT 是 Cold Metal Transfer 的缩写,是一种精确控制热输入的短路过渡焊接方法,很适合于薄铝板、钢板和异种材料的焊接或钎接。它的焊接过程是引弧时焊丝送进并与钢板接触,电源输出一个很小的基值电流,焊丝回抽,电源逐渐增大电流并引弧。这种的引弧方法基本上没有飞溅,被认为是无飞溅引弧。引弧后,在达到规定的弧长时,开始向前送丝,电源输出一个确定宽度和幅值的脉冲电流,使焊丝端头形成一定体积的熔滴金属,电流回到基值,等待熔滴与熔池的短路。一旦短路,焊丝开始回抽,重新引弧。由于整个短路过程从开始到断开都处于低电流阶段, 飞溅极少。 CMT 焊接的特点是每一个周期的能量输入是一定的,不仅能较准确控制每个熔滴的尺寸,而且能调节对母材的热输入。焊接过程送丝作送 -抽脉动,而焊接电流作峰值 -基值脉动,脉冲频率可达 70Hz。这种方法可以焊接薄铝板或薄钢板,也可以用 CuSi 焊丝对钢板进行电弧釺焊。更有特色的是,这种方法可以连接钢板和铝板。铝和钢是不能直接进行熔化焊的,因为会形成很脆的金属间化合物。 CMT 焊接方法能够精确控制热输入,使镀锌钢板侧不熔化, 与 AlSi 焊丝形成钎接缝,而与铝侧形成熔化焊缝。

2.2.3 双丝气体保护焊

双丝气体保护焊是一种高效率的气体保护焊方法。这种方法是一把 焊枪在同一个大喷嘴里,同时送出两根焊丝,而两根焊丝之间是相互电绝缘的,由两台送丝机送丝和两台焊接电源分别供电。由于两根焊丝的距离比较近,约 8mm,为了避免两电弧间的相互干扰,采用轮流脉冲的方式,即前丝处于峰值电流时,后丝处于基值电流;后丝峰值,前丝基值。一般每小时最高约能熔化直径 1.2mm 的焊丝10kg,而双丝气保护焊则可熔化 25kg。如果要焊接一条焊脚为 6mm 的角焊缝,一般 MAG 焊的焊接速度 为 300mm/min , 而 双 丝 气 体 保 护 焊 可 达1000mm/min 。这种方法不仅能焊接厚钢板也可以焊接薄钢板,也可以用于铝合金板的焊接,提高焊接效率。

全数字化焊接电源的出现,为新型焊接方法提供一个很好的平台,我们要关注这种电源的发展,并在条件允许时,在生产中采用,以提高我们的焊接水平。

2.3 激光焊接技术的发展与应用

由于 激光焊接能量密度高,可精确控制,穿透能力强,焊缝的深宽比大,热输入量低,焊接变形小,可在大气中焊接等优点, 被认为是 21 世纪的焊接新热源。但是由于激光聚焦后的光斑直径小,约0.2mm~0.6mm,对被焊工件的装配间隙要求很严。根 据 不 同 板 厚 , 对 接 的 最 大 允 许 间 隙 一 般 在0.25mm~0.4mm 之间,这对较大型的工件,如船体结构,很难达到。另外,激光焊大多是不填丝的,由于光斑小填丝比较困难,还会影响效率。然而,不填丝的激光焊,对于某些材料,如铝合金,不能改变焊缝金属的成份,不利于消除裂缝、气孔和改善接头性能。 为了解决这个问题, 近年来兴起激光 -电弧复合热源焊接。 电弧焊是一种便宜的能源,可以填充金属,搭桥能力好,对间隙不敏感等优点,刚好和激光焊互补。发展激光 -电弧复合热源焊接,可以充分发挥激光和电弧的优点,相互弥补对方的不足,使 1+1 大于 2。图 9 为不同焊接方法在相同焊接速度和相同熔深条件下,焊接参数和焊缝成型的对比。哈尔滨焊接研究所对激光 -电弧复合热源焊接进行了研究, 采用 2000W CW 的 Nd:YAG 激光器和全数字化的直流脉冲焊接电源,对 8mm 的 LF6铝合金进行熔深对比试验。 发现单独 MIG 焊的熔深小于相同速度的 2kW 激光焊的熔深,在这些较小焊接电流范围内,电弧与激光复合进行焊接,无论电弧功率的大小, 复合焊的熔深都大于单独 MIG 焊的熔深,而且焊接速度都比 MIG 快。在这范围内( 2000W 激光电弧电流小于 180A)激光对熔深起主导作用,如图 10 所示。例如 2000W 的激光与 80A的电弧复合,其熔深和 160A 的 MIG 焊相当,而焊接速度快,线能量低;当复合焊的电弧电流与 MIG焊相同, 如均为 120A,在熔深相同条件下, 复合焊的速度为 MIG 焊的 3 倍多,线能量只有 MIG 焊的49%,变形小。当单独 MIG 焊的熔深大于同等速度的激光焊缝的熔深,在这些电流范围内,激光与电弧复合焊,其电弧的电流必须与单独 MIG 焊的电流相等或更大, 才能使熔深大于单独 MIG 焊,但是焊接速度要比单独 MIG 焊快得多,焊接线能量低很多,可明显降低焊接变形量。在这范围内( 2000W激光电弧电流大于 180A)电弧对熔深起主导作用,但是激光能量的加入可提高焊接速度、 降低线能量,如图 11 所示。可见 ,当两个电弧都是 240A 时,复合焊与 MIG 焊的熔深一样,但复合焊的焊接速度为MIG 焊的 3 倍,而线能量减少 50%以上。还必须指出,在这个范围内,由于激光对熔深并不起主导作用,激光光斑的直径大小对熔深没有决定性的影响,只是加入相应的热量,因此可以选用体积小的半导体激光器,如图 12 所示。这种激光器的光斑直径较大,一般在 2mm 左右,但是设备的体积小,有利于和电弧的复合, 方便与焊接机械化 /自动化设备的连接。

科技在进步,焊接技术在发展,将不断促进制造能力和水平的提高。 我国造船业要在 10 年内赶超韩国和日本,必须充分依靠科技,必须有一批优秀的管理人员、焊接技术人员和技术工人,必须发挥企业的主导作用,实行广泛的政产学研的大结合,必须迅速提高自主创新能力。希望焊接技术的发展对我国成为世界第一造船大国发挥更加积极的作用。


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