德國自動化生產中的高效焊接工藝

■ Jan P. Pitzer，譯：袁滌

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1. 概述

對于眾多制造企業而言，焊接技術扮演著極其重要的角色。把握關鍵技術的發展趨勢，掌握創新技術，對于制造企業的意義不言而喻。焊接企業一方面不斷地為制造業提供各種創新工藝，使制造商得以提高自身的生產水平。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，由于生產需求不斷變化，制造企業面對全新的挑戰，之前的生產水平無法滿足生產需求的情況也時常發生。

例如：除了常見的S235和S355（歐標，對應國標的Q235和Q345）鋼材以外，低合金高強鋼（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域，鋁合金以及輕量結構特性越來越受歡迎。

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

因此，金屬加工業一方面為生產技術——尤其是焊接技術提供了廣闊的應用范圍，另一方面也提出了諸多的挑戰，蘊藏著巨大的發展潛力。

2.氣體保護熔化極電弧焊（MIG/MAG）

金屬加工制造業中應用最廣泛的焊接工藝非氣體保護焊莫屬了（以下簡稱為“MIG/MAG焊”或“氣保焊”）。氣保焊中通常會區分“短弧”、“過渡電弧”、“噴射電弧”以及各種“脈沖電弧”。傳統的弧焊工藝通過簡單的步進電動機便可控制，而現代的氣保焊機則多采用數控。其好處主要體現在：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，避免焊絲進入熔池，從而避免短路以及出現大量飛濺。相比之下，脈沖電弧焊因其穩定性強、熔深大、根部成形穩定而廣受歡迎。無論是手工還是自動焊接應用范圍都十分廣泛。目前大多數的焊機廠家都采用I/I方式控制脈沖電弧：即脈沖相位和基值電流相位均采用電流進行控制。在全球范圍內只有極少數公司掌握了U/I控制技術：脈沖相位通過電壓控制，而基值電流相位通過電流進行控制。圖1為我們展示了脈沖模式中電流的走勢，上面對應的是高速攝像機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的共同作用下，熔滴從焊絲尾端脫離，而無需進入熔池，從而避免形成短路。

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

圖1 脈沖電流波形

創新型焊接電源使應用范圍的多樣化成為現實。德國焊接技術協會DVS出版了編號為0973的備忘錄，總結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界的廣泛關注。該噴射電弧壓力高、弧短、強勁有力。這些特點使該工藝擁有了多樣化的應用可能性。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，也能確保優異的焊接質量。也就是說，采用該工藝焊接厚板工件時坡口角度明顯縮小：普通工藝需要開45°的情況現可以縮到40°甚至35°，從而有效減少了焊層數量，大量節約生產成本和時間。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形坡口就能實現全焊透。對于防腐性要求很高的應用來說，這一點十分關鍵：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，電弧的穩定性也更好了。尤其對于難度很高的焊接作業，其優點更體現得淋漓盡致，例如：管道焊接。改良技術的加入使熔池的可控性更強，從而有效地避免了焊縫缺陷的產生。即使焊縫準備的情況不盡相同，工藝的優點都表現得十分穩定。

除了焊接電源對短路電流的控制以外，工藝的研發人員還在其他方面也實現了突破。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，對短路電流的干預使電弧幾乎不產生飛濺。這就意味著，和傳統的短弧焊工藝相比，工件的變形率明顯減少。該優點在焊接薄板（0.5～3mm）或熱敏性高的材料時體現得尤其突出。要實現該工藝還需要硬件支持：必須在送絲機構中加入特定元件。此外，如前所述，該工藝最適用于超薄板的焊接，因此也主要應用于該領域，例如：汽車制造。

中厚板的焊接，或者絕不允許產生氣孔的應用則需選擇埋弧焊。只要參數設定正確，埋弧焊能保證安全的焊縫結合，此外，由于熔敷率高，焊接質量也十分優異，且經濟性很高。如果使用大直徑焊絲或雙絲焊接，熔敷率最高可以達到每小時30kg。由于熔敷率和焊接速度成正比，因此只要應用的工件得當，可達到很高的焊接速度。而焊接速度越快，相同時間內加工的工件數量也更多，生產效率也隨之提高。此外，由于焊接速度快，進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，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，只有焊后通過焊接效果來判斷出錯環節。

能達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，一般可達到每小時25kg的熔敷率。大熔敷率的優點不僅體現在焊接速度上，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 緊湊型雙絲焊接機器人，用于焊接船舶推進器的錐形支撐管

使用雙絲工藝焊接厚板工件時，能增大各焊層的有效厚度，從而減少焊層數量，提高生產的經濟性（見圖3）。

如果需要結合的板厚均超過了35mm，例如：三腳架結構件、大型發電設備，窄間隙焊工藝以其卓越的經濟性大放異彩（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量，同時填充金屬的用量也更少。進入工件的熱量減少了，從而有效地減少了工件收縮變形。

與傳統工藝相比，焊縫大幅變窄，焊接高效節能。當然，市面上還有很多其他的創新工藝可達到節能生產的目的，然而窄間隙的節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復合焊

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）。而激光傳導焊與TIG焊相比，一方面熱影響區更狹窄，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氣體或背面保護氣體。

而另一種高效工藝深熔焊則適用于中厚壁材料。機器人向工件表面發射高能量密度的激光束，激光束在熔化金屬的同時產生蒸汽。熔體中形成金屬蒸汽毛細管，俗稱鑰匙孔（Keyhole），細孔周圍環繞著金屬熔液。在金屬蒸汽毛細管內，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部穿透。激光束在結合部位上方移動，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 熱傳導焊、深熔焊的工作原理

該工藝尤其適合與MIG/MAG焊相結合，就形成了激光氣體保護復合焊。取決于使用的激光類型、功率以及工件材料，激光復合工藝一次性焊接的最大板厚可達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。

傳統工藝需要的V形坡口就可以完全省略了。大量節省了焊前準備的時間、焊層數量、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常快，完成相同的作業MIG/MAG焊需要的時間是激光復合焊的5倍。焊接速度快，就意味著進入工件的熱輸入量更少。與MIG/MAG工藝相比，焊縫更窄，熱影響區很小，工件幾乎不產生變形。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 激光復合焊的工作原理

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

4. 機器人自動焊接：傳感技術保駕護航

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

圖7 激光MIG/MAG復合焊頭，用于焊接環形焊縫

而傳感技術同樣發展迅速，兩者結合，生產自動化更高效可靠。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位置，從而實現焊縫跟蹤；還有焊縫探測經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用也十分廣泛。在弧焊領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，調整機器人位置的偏差；而在線傳感器則是焊接時使用，安裝在焊槍前端，將結合處的實際數據傳送給機器人。但在線傳感器的作用還不止于此，重要的是，還能測出結合處的形狀和體積，從而在焊接時使參數自適應。比如：當焊縫越來越窄時，機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展趨勢。而高效率工藝和復合工藝則為生產技術提供了更多的可能性，從而為整個生產力的提高做出貢獻。

而柔性設備因其具有極高的經濟性不僅在大企業中廣受歡迎，同樣也深受中小型企業的喜愛。無論是單機自動化還是綜合化的機器人生產線——柔性設備，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，由于生產任務不斷發生變化，因此只有選擇成套的解決方案才能在省錢的同時提高產品質量。這一點不僅適用于單機自動化應用，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量投訴等問題。