焊接技术中的创新发明

2017-04-09孙海燕

山西冶金 2017年6期

乔雷，孙海燕

（中国航发航空科技股份有限公司，四川成都 610503）

在传统金属加工行业中，焊接出现的比铸造、锻造工艺晚，但发展速度非常快。目前焊接结构约占钢材45%，焊接结构在航空航天、船舶、汽车、电子、兵器等领域得到广泛的应用。焊接技术的快速发展得益于焊接技术本身创造发明及相关技术在发明创造在焊接技术中的应用。

1 焊接设备的创新发明

焊接技术的发展是与焊接设备的发展密不可分的，从某种程度上说焊接设备的发展和焊接技术的发展是一脉相承的。

1900年法国E·F皮卡特发明了气焊[1]，该技术随后被大量用于管子结构的焊接中。1949年美国西屋电器公司制成了稳定的手工电弧焊机[1]，使得焊接技术获得跨越式发展。1951年—1953年随着苏联中央工艺及机器研究制造科学研究所完成对CO2气保焊设备的改进[1]，气体保护焊被广泛用于各种材料焊接中，相比于电弧焊气保焊焊缝性能优异且焊接变形小，由于设备本身价格不高，使得焊接技术能够在更大范围内进行应用。20世纪60年代后期，随着激光焊和电子束焊接设备的出现，焊接技术进入高能束发展阶段。电子束焊和激光焊设备可以使小热源的高度集中，焊缝热影响区小，特别适合于航空航天，军工、电子工业和汽车工业应用。而以激光和电子束为热源，以堆焊为基础的3D打印设备的出现，将彻底改变传统的工业生产制造模式。借助3D打印设备，开放式设计、定制化生产和分布式分产皆可以以相对合理成本实现。3D打印设备及3D打印技术将由此引发真正意义上的制造业革命，带来无穷的创新空间[2]。

未来焊接设备发展趋势将向以下几个方面进行发展：焊接电源控制数字化；焊接工艺控制智能化；焊接系统集成网络化；焊接装备环保化[3]。焊接设备未来的发展趋势，必将导致焊接技术也向着数字化、智能化、集成网络化和环保化发展。焊接技术的发展和焊接设备的创新发展密不可分。

2 焊接工装的发明创造

工装夹具是制造行业中不可缺少组成部分。工装使用的合理性，是进行工件焊接的必要条件。夹具对工件焊接工艺质量、焊接生产效率有着决定性影响。近年来，工装测具设计与制造伴随焊接技术的快速发展，也得到了迅猛的发展。

根据工装夹具使用的柔性，可分为专用和通用夹具两种。在焊接大规模生产中，专用夹具由于定位精度、稳定性和系统刚性等优于通用夹具，因而被广泛采用。例如：先进的汽车生产线系统和飞机装配线系统都是采用复杂精密的主用夹具。随着近年来小批量柔性生产模式的普及以及模块化组合工装夹具精度、刚性的技术进步，组合夹具得到越来越广泛的应用并在焊接生产中被普及。与此同时计算机辅助技术在焊接夹具设计中得到更为广泛的应用。近些年来，一系列装夹工艺知识的建模与表达方法、装夹知识的获取和运用等催进了计算机辅助技术在焊接夹具中的应用，通过对焊接过程模拟与仿真，能够达到对焊接夹具设计方案在焊接过程中的全局仿真分析，实现在设计过程中对设计方案的优化。

3 仿真技术在焊接技术中的创造性应用与发展

仿真技术首先被应用于机械加工领域，随后在总结焊接实际经验后发展而来焊接仿真。焊接仿真需要使用到有限元数值模拟技术、计算机技术等技术，主要是针对焊接温度场、参与应力、变形等几个方面。通过仿真，可以达到改善工件焊接质量，提高产品服役寿命，优化焊接顺序等目的。传统焊接质量的好坏非常依赖于焊接工人的经验，而焊接数值模拟技术就是利用数值模拟方法找到优化的焊接工艺参数，例如焊接材料、温控条件、夹具条件、焊接顺序等。

目前在焊接领域有多个专用的仿真模拟软件，这些软件通过对电、热、力等多个因素的分析，实现对实际焊接过程的仿真，且仿真过程直观并具备较强的后处理功能，这对加速焊接模拟技术发展起到了积极推动作用。目前焊接仿真模拟软件可通过对焊接温度场的模拟，得到焊接时熔池形状和热影响区宽度，并能够实现对焊接应力、应变场及焊接过程其他现象进行模拟；可以实现焊接过程中瞬态应力应变分析和焊接后残余应力分析等；通过获取焊接过程中的各种数据，实现对焊接工艺过程中焊接工装、焊接过程、冷却过程等细节优化，达到减少焊接缺陷和变形，延长工件使用寿命并降低制造成本的目的。

仿真技术在焊接中另外一个应用是机器人焊接仿真。制造行业的焊接操作比较繁琐、焊接程序通常也较为复杂，加之生产设备的柔性特征和汽车行业的强烈需求性，在制造行业应用技术优势明显的机器人焊接仿真工艺的需求变得十分迫切。机器人焊接仿真技术具备如下明显优势：其一，机器人焊接仿真技术克服了运用传统数学、理论方法无法对现实问题进行有效分析、判断的缺点，通过借助虚拟方式对实际焊机场景进行模拟，提高了焊接的质量和效率，减少了设计风险，并可防范可能出现的重大经济、技术损失。其二，机器人焊接仿真技术通过有效利用数字样机，进行综合性的模拟焊接过程，大幅提升模拟焊接的实效性，并且可以降低因设计更改与模拟实验所产生的成本支出。其三，机器人焊接仿真技术可以避免不必要的设计更改，提高焊接效率，因此能够有效地缩减产品制造周期[4]。

4 纳米材料和纳米技术对焊接技术创新发展的作用

21世纪初，国外出现了一种焊丝表面喷涂氧化钛外层的新技术，该技术被用来代替早期的焊丝表面镀铜的技术。之后，在已取得的纳米技术成果基础上，一种在焊条和焊剂中应用纳米材料和纳米技术的想法被提出来，这种想法利用了纳米材料独特的表面效应和体积效应等特性[6-8]。随后几年，公开文献报道了添加纳米粉体到堆焊焊条药皮中的试验，该试验研究成果改善了焊接过程中焊条的工艺性，使得强化相更加的均匀分布于焊缝中，并对提高焊接接头的性能起了非常重要作用[9-13]。几乎在同一时间，国内开始了在钎焊材料、电极材料、填充材料、焊接保护、焊接结构及工艺中应用纳米技术的分类阐述。随着时间发展，纳米材料将在焊接领域中得到越来越广泛的应用。除了上述应用，纳米材料还可以在TIG焊电极中的应用，在钨电极中添加纳米氧化物，可提高钨极电子发射能力，电弧稳定性以及电极耐磨性也得到增强，通过减少了焊接过程中电极消耗，电极寿命得到明显延长[14]，这种采用纳米技术的钨电极可以被用来代替传统的钨-氧化物电极。纳米材料用应用于难焊材料中，可降低高熔点材料的扩散焊和烧结温度，同时提高焊接反应速度。

在工程上可以采用喷丸对接头表面进行强化，而采用接头表面纳米均一化处理被证明可作为一种提高接头性能的重要强化方法。焊缝及附近区域经过纳米均一化处理，可以达到以下效果：通过对表面纳米化处理，可以在接头表面获得晶粒大小基本一致的均匀组织，改善接头组织不均匀性；工件经过纳米处理后，材料的硬度随着晶粒尺寸的减小而增加，接头的耐磨性得到显著升，随之工件的使用寿命得到延长了；可以将接头表面残余应力大幅减少，减少潜在的裂纹萌生，这对提高焊缝疲劳寿命和改善接头抗应力腐蚀性能有着积极意义。