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德国自动化生产中的高效焊接工艺

1.    引论:

对于众多制造企业而言,焊接技术扮演着极其重要的角色。把握关键技术的发展趋势,掌握创新技术,对于制造企业的意义不言而喻。焊接企业一方面不断地为制造业提供各种创新工艺,使制造商得以提高自身的生产水平。然而解决方案形形色色,想要找到最适合自己的并非易事。另一方面,由于生产需求不断变化,制造企业面对全新的挑战,之前的生产水平无法满足生产需求的情况也时常发生。

例如:除了常见的S235和S355(欧标,对应国标的Q235和Q345)钢材以外,低合金高强钢(如:S690或硬度更高的材料)和铬镍钢也越来越常见。在重视轻量化制造的领域,铝合金以及轻量结构特性越来越受欢迎。 此外,金属加工业使用的材料厚度变化范围也不断扩大。对于有的领域而言壁厚2mm被归为“厚板”,而对有的领域而言,10mm的板材仅用作产品铭牌。 因此,金属加工业一方面为生产技术——尤其是焊接技术——提供了广阔的应用范围,另一方面也提出了诸多的挑战,蕴藏着巨大的发展潜力。

本文由两个部分面组成。一方面笔者向中国读者介绍在德国广泛应用的焊接工艺。另一方面则着重介绍越来越受欢迎的新兴工艺,其应用范围虽然不如前者广,但由于其显而易见的优势,发展势头十分迅猛。最后,笔者还结合实例,为读者介绍自动焊接领域中的传感技术。

2.    气体保护熔化极电弧焊(MIG/MAG)

金属加工制造业中应用最广泛的焊接工艺非气体保护焊莫属了(以下简称为“MIG/MAG焊”或“气保焊”)。气保焊中通常会区分“短弧”、“过渡电弧”、“喷射电弧”以及各种“脉冲电弧”。传统的弧焊工艺通过简单的步进电机便可控制,而现代的气保焊机则多采用数控。其好处主要体现在:热输入量的可控性更好、通过脉冲基值电流的控制可保证熔滴过渡更安全、飞溅更低。确保熔滴快速从焊丝尾端脱离,避免焊丝进入熔池。从而避免短路以及出现大量飞溅。相比之下,脉冲电弧焊由于其稳定性强、熔深大、根部成形稳定,而广受欢迎。无论是手工还是自动焊接应用范围都十分广泛。目前大多数的焊机厂家都采用I/I方式控制脉冲电弧:即脉冲相位和基值电流相位均采用电流进行控制。在全球范围内只有极少数公司掌握了U/I控制技术:脉冲相位通过电压控制,而基值电流相位通过电流进行控制。下图为我们展示了脉冲模式中电流的走势,上面对应的是高速摄像机抓拍到的不同阶段电弧的变化。在脉冲电流及电磁收缩效应的共同作用下,熔滴从焊丝尾端脱离,而无需进入熔池。从而避免形成短路。

电弧的稳定性更高,能确保更大的熔透深度,从而达到更快的焊接速度。这一点对于手工焊而言意义重大:在实际生产中,即使焊丝到工件的距离发生变化,电弧性能依然十分稳定。

创新型焊接电源使应用范围的多样化成为现实。德国焊接技术协会DVS出版了编号为0973的备忘录,总结了形形色色的焊接工艺。其中,改良版的喷射电弧工艺引起了业界的广泛关注。该喷射电弧压力高、弧短、强劲有力。这些特点使该工艺拥有了多样化的应用可能性。例如:高压力带来的好处一方面是熔深大;另一方面,即使干伸长较大,也能确保优异的焊接质量。也就是说,采用该工艺焊接厚板工件时坡口角度明显缩小:普通工艺需要开45°的情况现可以缩到40°甚至35°。从而有效减少了焊层数量,大量节约生产成本和时间。换句话说,一方面减少了填充金属的用量,另一方面也节省了能耗。然而,该工艺也存在一定的物理局限性,如果熔池过窄,可能会产生焊缝缺陷。

3.    激光焊及激光气体保护复合焊

众所周知,激光焊属于效率最高的焊接工艺。一般来说有两种激光工艺可供选择:热传导焊、深熔焊。

具体选择哪种工艺却决于工件的板厚、母材类型以及焊接功率。简而言之,热传导焊和TIG焊类似,适用范围也大同小异:TIG电弧将对接工件沿着结合部位熔化。熔体相互融合在一起,凝固成几乎无飞溅的焊缝。而激光传导焊与TIG焊相比,一方面热影响区更狭窄,另一方面焊接速度更快。因此,热输入量大幅减少。有效避免热变形,这一点对于热敏性高的材料而言尤其重要。热传导焊既可使用填充金属,也可不用。与TIG焊接类似,焊接时一般需要使用保护气体或背保护气体。

而另一种高效工艺深熔焊则适用于中厚壁材料。机器人向工件表面发射高能量密度的激光束。激光束在熔化金属的同时产生蒸汽。熔体中形成金属蒸汽毛细管,俗称钥匙孔(Keyhole),细孔周围环绕着金属熔体。在金属蒸汽毛细管内,激光束被多次反射。在这个过程中熔体几乎将激光束全部吸收,因此,钥匙孔能不断地向材料内部穿透。激光束在结合部位上方移动,钥匙孔就跟随其移动。这样,钥匙孔后便形成了一条又深又窄而的焊缝。

该工艺尤其适合与MIG/MAG焊相结合。就形成了激光气保复合焊。取决于使用的激光类型、功率以及工件材料,激光复合工艺一次性焊接的最大板厚可达20mm。以碳钢为例,一般来说,焊缝的深度每增加1mm,所需的激光功率要加大1kW。

4.    机器人自动焊接:传感技术保驾护航

当今的大多数的焊接工艺既可以用于手工作业,也可以实现自动化。然而高效率的工艺一般都运用在机器人上,因为只有这样才能充分体现工艺的优越性。毕竟机器人能达到的送丝速度和焊接速度是人工无法实现的。当今的机器人技术极大地提高了设备的灵活性,因此,即使小企业也能找到适合的自动化解决方案。

而传感技术同样发展迅速,两者结合,生产自动化更高效可靠。而传感器的种类可谓琳琅满目:如电弧传感器——通过测量焊缝左右两端的电流值使焊枪找准位置,从而实现焊缝跟踪;还有焊缝探测经常使用的接触传感器,用于寻找工件实际位置;还有各种激光传感器应用也十分广泛。在弧焊领域主要将传感器分为离线和在线两类。离线传感器在焊前使用,以探测焊缝实际位置,调整机器人位置的偏差。而在线传感器则是焊接时使用,安装在焊枪前端,将结合处的实际数据传送给机器人。但在线传感器的作用还不止于此,重要的是,还能测出结合处的形状和体积,从而在焊接时使参数自适应。比如:当焊缝越来越窄时,机器人收到信号后立即减缓焊接速度或功率,从而及时避免了余高过大的情况。

5.    总结

想要选择适合的焊接工艺就必须深入了解各种工艺的特性及最新发展趋势。而高效率工艺和复合工艺则为生产技术提供了更多的可能性,从而为整个生产力的提高做出贡献。因此,须牢记一点:工艺类型取决于工件和应用类型。

而柔性设备因其具有极高的经济性不仅在大企业中广受欢迎,同样也深受中小型企业的喜爱。无论是单机自动化还是综合化的机器人产线——柔性设备只有搭配最适合的焊接工艺才能有效地缩短焊接时间。此外,由于生产任务不断发生变化,因此只有选择成套的解决方案才能在省钱的同时提高产品质量。这一点不仅适用于单机自动化应用,同样也适用于全线以及模块自动化。同时,还能省去费时又费力的焊后修整及质量投诉等问题。

最后,实践是检验真理的唯一标准,究竟哪种工艺最好用、最适合,最终的话语权掌握在用户手中。而在下任何论断时都应具备全局观,需要从整个生产流程的角度看问题。

 

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