現代焊接技術的種類及應用特征

潘彥江

(定西中醫藥科技中等專業學校，甘肅 定西 748100)

0 引言

隨著工業技術的持續升級，社會生產和人們生活所使用的產品、設備越來越豐富，產品的種類、技術在創新和升級的過程中，焊接技術的應用也越來越廣泛。現代化的高效率生產加工導致傳統的焊接加工模式不能完全滿足生產工藝、焊接質量、成本控制等多方面要求，焊接技術與設備的升級已成為工業生產的主要需求。尤其在機械行業、汽車行業、醫療設備、建筑業等領域，對于先進焊接設備的依賴性更強，促進了我國焊接技術研究與理論體系建設的逐漸加深，各行各業所能應用的焊接設備和技術也得到了持續豐富，為生產加工提供了強有力的保證。

1 焊接技術特征與現狀

焊接是工業生產中一項重要的生產加工手段，能夠實現金屬材料之間的融合連接，利用加熱、加壓等方式，促進金屬原子產生結合與擴散作用，最終形成穩定持久的結合狀態。焊接技術在我國的應用分為兩個主要階段，一是在20世紀80年代之前，以傳統的手工焊接設備為主，利用焊接技術替代部分機械制造過程中的螺紋連接、鉚接、鑄造、鍛造等方式，能在一定程度上降低生產成本，主要以人工操作的手提電焊機、氬弧焊機、二氧化碳氣體保護焊的設備為主，自動化和成套化特征不明顯。二是在20世紀80年代以后，從德國、美國等發達國家先后引進了技術更為成熟的成套焊接設備，一方面彌補了我國工業上焊接加工能力不足的問題，也在一定程度上引領了焊接技術與自動控制、機器人技術的結合，為焊接設備向數控化、精確化、復合化生產方向發展奠定了基礎。

進入21世紀以來，我國的焊接技術得到了快速發展，逐漸能夠滿足我國工業生產需求。據統計，2021年我國的鋼材產量達到50 091萬t，據常規鋼材用途來看，約有55%～60%的鋼材會用于焊接加工，此外，鋁合金、鎂合金、鈦合金的材料也有很高的焊接加工需求，有效刺激了我國焊接產業的發展。目前，從焊接技術的生產應用來看，先進的全自動焊接生產線逐漸在汽車制造、機械產品制造、醫療機械、農機生產等領域得到應用，配套的焊接技術逐漸從傳統的電弧焊，向激光焊接、復合焊接、摩擦焊接等更先進的方向進步，具有自主知識產權的成套焊接生產線和控制系統普及率持續提高，焊接生產過程不僅向著高效、精確、智能方向發展，而且進一步實現綠色、節能、低消耗，進一步迎合了焊接加工市場需求。

2 焊接技術的分類

2.1 根據焊接原理的分類

根據焊接原理的不同，焊接技術大體分為三大類，一是利用焊接設備將金屬材料需焊接的位置融化，然后將焊接面進行結合，使其連接成為一體，部分熔化焊接過程也會向焊接位置添加部分原料；二是釬焊，主要是選用特定的金屬材料用于焊接，焊接過程選用金屬材料的熔點需低于待焊接零件金屬材料熔點，將用于焊接的金屬材料稱為釬料，在焊接過程僅釬料融化，被焊接零件母材金屬不融化，利用添加材料的形勢實現焊接；三是采用壓力及摩擦的方式進行焊接，通過摩擦或物理升溫等方式提升金屬材料接觸面局部厚度的溫度，使其處于融化狀態后施加較大壓力，促使金屬零件在冷卻后結合。

2.2 根據自動化程度的分類

2.2.1 人工焊接技術

1)手工電弧焊。手工電弧焊主要通過工人操作手提式電焊機或中大型輪式電焊機進行焊接作業，其利用電弧在空氣中放電反應過程產生的能量作為熱源，手工電弧焊具有設備成本低、使用簡單、焊接靈活性高的特點，廣泛應用于碳鋼、鑄鐵、合金、不銹鋼等金屬材料加工領域。

2)手工氣體保護焊。嚴格來講氣體保護焊屬于電弧焊的一種，是利用電弧原理實現對焊絲及金屬的加熱，其與普通電弧焊的區別在于利用二氧化碳、氬氣等作為焊接過程中的保護氣體，實現在焊絲與被焊接零件接觸放電和金屬熔化、融合的過程中降低空氣中氧氣、氮氣等不利因素的影響，從而有效提高焊接質量與可靠性，且不易影響金屬材料的理化性質。

3)手工可燃氣體焊。主要是利用可燃氣體(如乙炔)等燃燒過程產生的高溫將焊接材料或被焊接零件升溫融化，實現材料之間的結合。

2.2.2 自動化焊接技術

傳統的人工焊接技術是自動化焊接發展的基礎，自動化焊接技術主要是應工業生產的需求而生的，一方面，生產過程對于焊接效率、焊接精確性的要求越來越高，另一方面，很多新型的焊接技術如等離子焊接、激光焊接等，不適合于熱工操作，加之電氣技術、自動化技術，以及計算機技術的飛速發展，都促進了自動化焊接技術的形成，其常見焊接設備及技術如下。

1)傳統焊接技術的自動化升級。傳統的電弧焊、可燃氣體焊在技術層面上具有較強的實用性，能夠滿足大部分工業生產對焊接作業的需求，在現代化生產中，常利用機電控制技術、機器人技術替代傳統的人工焊接，由自動化程度很高的電控機械設備完成焊接過程。通過在機械臂、焊接平臺上安裝氬弧焊、保護焊、可燃氣體槍、焊絲供應等設備，能夠實現傳統焊接技術的現代化實施。數控下的焊接能更好地保證焊縫的均勻性，提高焊接效率，且能有效降低用工成本，利用自動化設備完成傳統的焊接工作，已成為焊接技術及相關設備發展的必然趨勢。

2)等離子數控焊接。考慮到傳統的焊接熱量會不可避免地對金屬零件產生較大范圍的理化性能影響，為降低焊接過程的不利因素，等離子焊接能實現在基材最小加工量的前提下進行焊接作業，在數控技術的輔助下，等離子焊接能夠在均勻穩定的電弧下實現熱量集中的焊接，既能通過熱熔實現金屬連接，還具有熱影響不利因素低、熱影響范圍小、零件變形小等優點，能完成極小間隙的金屬材料焊接。既適用于常規金屬材料，還能完成鎢、鎳、鉬、鈦等熱敏合金的焊接。隨著等離子數控焊接設備的發展，所應用的技術也由過去簡單的離子弧焊接發展為脈沖等離子弧焊接、微束等離子弧焊接等，焊接質量和工藝得到了全面提升。

3)激光數控焊接。除等離子焊接技術外，利用能量集中的高密度激光束進行焊接也成為了21世紀興起的一項高效焊接技術，我國的激光焊接技術及設備在國際上具有很強的影響力。激光焊接是利用激光束的持續作用將激光照射點的金屬熔化，熔化深度與激光能量和照射時間直接相關，通常情況下，焊接用激光束的功率在104～107 W·cm-2范圍，能夠適應不同材料、不同厚度的金屬焊接需求。

激光焊接的流程為激光輻射→熱傳導→表面熱熔→深層熱熔→激光束延焊縫移動→焊接完成冷卻。現階段應用的激光數控焊接技術包括均勻熱傳導焊接、脈沖式熱傳導焊接、深溶焊接等，激光焊接具有效率高，焊縫均勻且強度高，激光焊接過程多配套惰性氣體保護，能更好地保證焊接質量和金屬零件性能。激光數控焊機工作狀態如圖1(a)所示，焊縫狀態如圖1(b)所示。

圖1 激光數控焊機及焊縫效果

4)電阻焊接機床。電阻焊是利用大電流流經焊接件，在焊縫接觸位置因接觸電阻產生高溫而使金屬熔化，當焊縫位置接觸面的金屬融化到適當程度后，對其施加一定壓力，使兩零件實現結合。電阻焊在工業制造業、汽車制造業應用廣泛，能夠實現點焊、縫焊、對接焊等多種加工要求，且電阻升溫效率快，能有效提高生產效率，尤其應用于點焊時，具有高效優質的特點。對于對接焊，由于電阻發熱可能存在不均勻，通常用于對接焊要求不高的場合。

5)液壓摩擦焊機床。液壓摩擦焊與對接電阻焊的焊接過程類似，不同的是摩擦焊是將一個零件高速旋轉后向另一個零件靠近，焊接面接觸后由于摩擦力的作用迅速產生高溫，使焊接表面的金屬熱熔后，通過液壓系統加壓，使兩零件結合，多用于軸類零件的加工。與傳統焊接技術相比，摩擦焊對于軸類零件的焊接質量更高，尤其是接縫處結合良好，可達到與基體材料一致的強度，焊接質量穩定，精度高，環境污染小，且可用于不同材料的焊接。液壓摩擦焊機床如圖2(a)所示，焊縫效果如圖2(b)所示。

圖2 液壓摩擦焊機床及焊縫效果

3 現代焊接技術的應用與發展

現代焊接技術除在焊接工藝上進行革新與提升外，必須具備良好的自動化和智能化程度，隨著焊接技術向無損化、無耗材、低污染發展的同時，焊接的質量、精確性受到焊接設備自動化程度的影響很大。從現階段我國工業生產中使用的自動焊接設備來看，大部分采用簡單的數字化控制技術，主要通過在指定的生產工位上預設焊接手臂或平臺的工作步驟和工作位置，由系統按照預設程序控制機器人一步步完成焊接操作，易受到環境變化、累積誤差、零件加工誤差的影響而降低焊接質量。因此，未來要進一步提升焊接的自動化程度和智能化程度，還應對更先進的自動焊接技術加強應用，如應用電弧傳感器、計算機視覺傳感器或修正焊縫位置，不同焊接形式的實用性對比如表1所示。

表1 不同焊接形式的實用性對比

4 結語

綜上所述，我國現階段工業生產過程中應用的焊接技術種類繁多，焊接設備也逐漸向自動化、數控化的方向轉型，但隨著信息時代、網絡化時代的到來，焊接自動化也應在單一功能的編程數控焊基礎上向智能化程度更高的診斷、檢測、人工智能方向發展，并采用多種焊接技術的組合應用，以提高焊接質量與焊接效率。