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國內外焊接技術的發展趨勢
作者: ‖ 時間:2010-5-7 ‖ 來源: ‖ 點擊:2985
隨著世界制造業的快速發展,焊接技術應用越來越廣泛,焊接技術水平也越來越高。新的焊接工藝方法不斷涌現,專業焊接設備日新月異。與此同時,國內外焊接設備生產企業也紛紛通過各種方式展示自身的實力,特別是借以展會展出品種繁多的產品和先進的技術。
  縱觀2009年的三大焊接展,即2009年6月在上海舉辦的第14屆北京.埃森焊接與切割展覽會、2009年9月在德國埃森舉辦的第17屆德國埃森焊接與切割展覽、2009年10月在天津舉辦的第23屆中國焊接博覽會,我們對國內外焊接技術的發展趨勢以及焊接生產發展的新需求和新動向印象較深的是:核心技術的作用得以顯現,數控和電源方面有發展,激光焊接技術成為一大亮點,機器人應用普及化??梢勻銜?,世界焊接技術又跨上了一個新臺階,在高效、自動化、環境友好方面有了新的進步;焊接材料的種類更加豐富,焊接自動化、高效化、清潔化更加突出;焊接技術的綜合成本更低,焊接對工業的服務更加廣泛。同時,焊接中存在的手工、粗糙、臟亂、低速已基本消除,取而代之的是自動、精密、清潔、高效。
  1.逆變焊接技術發展趨勢
  逆變焊機繼續向縱深發展的幾個方面:普及性提高、功率制造能力增強、小型化。
  普及性提高:逆變式焊機的參展率愈來愈高,參展面愈來愈廣。今年的展會上,幾乎所有的大公司,都以較大的陣勢展示了各種逆變式焊機及新技術、新產品,只是各自的品種、功率、性能、功能和制造水平不同而已。此外,逆變焊機的品種、性能、功能和焊接方法和應用范圍也有一定的提高、增加和擴大。
  功率制造能力增強:過去人們認為,逆變焊機以其小巧、移動方便、省電節材的優勢主要適用在中小功率的場合。今年的展會上,不少公司均展出了千安級的技術產品。
  小型化:通過提高頻率和采用高性能磁體、優化結構等,盡可能把小功率的逆變焊機做小。如用于焊接位置變動頻繁的裝配和維修工作中薄板焊接的小焊機只有3.4kg。
  在展會上,逆變焊機幾乎出現在所有電焊機展商的展臺上,這表明逆變焊機現已成為電焊機行業的主流趨勢。目前,逆變焊機在基礎技術層面上已經趨于成熟,當前的技術競爭主要體現在逆變焊機相關電源技術的外延和逆變焊機相關焊接工藝技術的深化兩個方面。
  1.1 軟開關技術
  國外逆變焊機中的軟開關電源技術并不十分普遍,特別是20kHz的逆變焊機多數仍以硬開關為主,但其所用開關器件的容量余度比國內焊機大很多,從而保證了逆變電源的高可靠性。這是由于不同的人力成本所決定的,因為軟開關電路所需附加的電磁元件的制造和組裝成本,在人力成本較高的地方會超過增加開關器件容量的材料成本。國外的軟開關電源技術主要是針對工作在60~120kHz的高頻大功率的焊機,主要是為了提高電源的響應速度,便于更精密的波形控制過程。
  1.2 變壓器材質及其結構
  逆變變壓器是逆變焊機中的關鍵器件。在這方面,國內的大功率焊機采用非晶鐵芯的比例很大,而國外多數還采用鐵氧體磁芯。目前,使用最多的20kHz的逆變頻率,非晶鐵芯應該說比鐵氧體更有材料成本優勢,但由于材料的特性所決定,目前非晶鐵芯只能以環形方式供貨,不便于線圈的自動化繞制。國外企業大多使用鐵氧體磁芯而不愿意改用非晶鐵芯,而國內的企業出于對材料成本的考慮,廣泛使用非晶鐵芯。
  1.3數字化控制推動焊接技術的升級和發展
  五年前,數字化控制的焊機還只是少數幾個國際知名公司的“尖端科技”。從今年的展會上看,在國際上數字化控制已屬平常,數字化控制焊機甚至已經不再是銷售的賣點。在芬蘭KEMPPI和奧地利Fronius的推動下,數字化焊機已進入產品規?;錐?。
  逆變電源的高響應速度為焊接控制技術提供了一個理想的功率平臺,數字化技術在焊接電源中的應用進一步提高了電源控制技術的水平和可操作性。逆變焊機的數字化控制無疑會有強勢的發展,因為它在控制方面極大地簡化了電路結構,提高了焊機控制系統的穩定性,方便了應用。目前,國內的數字化焊機與國外數字化焊機的最大差距在于焊接工藝性能??梢運?,數字化焊機的最大賣點不是數字化技術本身,而是先進的焊接工藝技術。同時,數字化的最大優勢還在于與逆變焊機相結合后可以承載先進的焊接工藝技術。
  1.4 逆變焊機與焊接工藝之間的關系
  逆變焊機對于電焊機行業的影響無疑是一場電源技術的革命,但是對于整個焊接領域來說,與其說是電源技術的革命,不如說是焊接工藝技術的革命??梢運?,逆變焊機促進了焊接工藝技術的深化。
  特別是數字化技術搭載在逆變焊機的技術平臺上進一步改變了電焊機行業的技術狀態。通過展會可以看到:從單純的電源技術向與先進焊接工藝技術結合已成為一種趨勢,研究焊接電弧行為將成為今后電焊機行業技術發展的一個重要方面。
  1.5 對送絲機數字化控制的依賴
  數字化控制的逆變焊機的最大優勢體現在GMAW(熔化極氣體?;ず?過程中,因此除了電源問題之外,送絲機的控制也非常重要。如果沒有穩定送絲速度,很多先進的控制方法都無法實現,如脈沖MIG的核心問題就是電流波形與送絲速度之間的合理搭配。目前,國內脈沖MIG焊機的主要差距不是在電源方面,而是在送絲機方面。國外同類產品都是采用具有速度反饋控制的送絲機,而國內大多還在使用電壓反饋控制的送絲機。隨著焊接工藝要求的提高,對于送絲機要求不僅僅是速度穩定,對于響應速度的要求也越來越高。例如CMT技術的核心就是焊絲的反抽控制,這點同樣在引弧技術中起到關鍵作用。數字化控制的交流伺服電機已經替代傳統的直流電機在送絲機在高檔焊機中使用,由此可見逆變焊機的數字化控制從電源部分擴展到送絲機也是一種發展趨勢。
  1.6 數字化技術實現高性能和多功能
  眾所周知,數字化技術可以提高控制系統的干擾性、控制精度,從而提高焊機的焊接精度、可靠性和穩定性等的整機性能。同時,還可通過變換外特性曲線、輸出電流波形、動態特性參數等,實現多種焊接方法、多種焊材、多功能、多焊接參數的調節及其最佳匹配的控制,在把焊機做成“精品”的同時,把焊接工藝、焊件也做成“精品”。福尼斯公司的CMT(冷金屬過渡)焊接系統在此方面作了很好的詮釋。CMT熔滴過渡的方式新穎,與傳統焊接工藝比較,過渡熔滴溫度相對較低,可以實現異種金屬連接,可以把焊絲的熔化和過渡分別成為兩個相對獨立的過程,對于焊接線能量的控制更加靈活。通過精確的弧長控制,CMT過程結合脈沖電弧,實踐了無飛濺焊接,大大降低了焊接的熱輸入。通過控制脈沖電弧影響熱輸入量,實現無電流狀態下的熔滴過渡;母材熔化時間極短,起弧速度提高了兩倍,熱輸入低,焊接變形小,搭橋能力顯著提高,焊接性能優異;焊縫成形美觀。
  據了解,國內不少高校都在積極開展冷金屬過渡焊接系統的研究。
  2.實現高速高效的氣體?;ず附?/DIV>
  除焊接機器人自動化的高效化以外,隨處可見的就是熔化極焊接的大量展出和廣泛應用。熔化極焊接除個別特殊情況外,幾乎全是MIG/MAG焊機,適應集裝箱等行業需要的薄板高速高效焊接的需求。珠海代理的德國克魯斯公司展示的TANDEM 焊接系統,焊接2~3mm薄板的焊接速度可達6m/min,焊接8mm以上厚板的熔敷效率可達24kg/h。在焊接一些要求控制線能量的低合金高強度鋼等材料時,氣體?;ず甘翹媧窕『腹ひ盞淖钚卵≡?。
  3.CO2焊接設備發展動向
  3.1 逆變化、數字化、智能化、自動化
  為實現高效化焊接,過去僅僅限于改變焊接參數和?;て宓確椒?。今天,逆變焊機表現出了極大的生命力,因為其工作頻率高而使焊機具有體積小、重量輕、節能、省材、降耗和動態響應快、效率高、焊接性能好等特點,正在逐步成為弧焊電源的主流。正是在逆變式焊接電源的平臺上,借助計算機技術,用現代科學手段來不斷解決氣體?;ず附猶岢齙母叩募際躋?。
  目前,北工大、成焊所等國內的焊接技術研究機構和各國廠家都在積極探索“如何應用新的方法提高焊接質量,實現‘少飛濺和無飛濺’、‘少氣孔和無氣孔’”、“如何應用新的方法降低焊接成本,用最小的能量輸入實現最快的焊接速度”。因此,積極推動開展數字化逆變氣體?;ず富難芯坑肟⒐ぷ?,用數字控制代替模擬控制是氣體?;ず富⒄溝目蒲е?。
  3.2 全新的交流短路過渡焊接法
  為適應低熱輸入和低飛濺的CO2/MAG焊接要求,日本OTC公司和松下公司分別推出了交流CBT方法和采用BB技術的低飛濺全數字CO2/MAG焊機。德國克魯斯公司的GLC353CP焊機和日本OTC公司生產的DL350數字逆變式MIG/MAG焊機,采用全新的交流短路過渡焊接法,這是焊接電源在正極(EP)和負極(EN)的輸出極性之間相互切換進行焊接的方法。據介紹,與傳統的逆變氣體?;ず附臃椒ㄏ啾?,飛濺附著量明顯降低。據OTC公司介紹,采用φ1.2焊絲250A CO2氣體?;ず附?,傳統的逆變CO2氣體?;ず阜山Σ渴?.4g/min,而采用交流CBT方法的CO2氣體?;ず阜山Σ拷黿鍪?.2g/min,飛濺量降低了一倍。
  4. 精確控制下的短路過渡技術
  美國米勒公司的RMD焊接是一種精確控制下的短路過渡技術,通過檢測短路電流發生的時間及時控制焊接電流和焊接電壓,可以精確控制熔池,是一種動態控制技術。采用RMD技術的根焊焊縫不僅熔合好,而且大小間隙均可實現填充。此外,對焊接飛濺、熱影響區以及平穩過渡的優化都明顯強于傳統的纖維素焊條根焊,焊接性能優異,可以實現管道焊接的所有工藝,十分適合野外環境下的施工作業。
  5.多絲焊接技術處處可見
  近年來,雙絲、三絲以及四絲、五絲等多絲埋弧焊頻頻出現,應用于諸多行業。
  展會上,LINCOLN展出的多絲埋弧焊接技術,采用1000A級的AC/DC逆變式弧焊電源供電和數字化協同控制技術。第一根焊絲由2個1000A級的AC/DC逆變式弧焊電源并聯供電,其余焊絲均由1000A級AC/DC電源供電,主要用于厚壁管道的高速焊接。據介紹,雙絲焊比單絲焊提高焊速30%,增加輸入熱能23%;四絲焊比三絲焊提高焊速和生產量均達到35%,將焊速從1.7m/min提高到2.3m/min。
  ESAB的四絲和六絲埋弧焊接技術,所用的電源均為1200A級的可控硅直流弧焊電源,而且均采用一頭(一個焊炬/嘴)雙絲、兩頭四絲和三頭六絲進行多絲埋弧焊接,每一頭雙絲由一個1200A級的電源供電,其生產效率較高。據介紹,四絲(2*2*¢2.5)與單絲(1*¢4)焊比較,熔敷金屬量從12kg/h提高到38kg/h。
  一拖二至一拖四,快捷更換焊接方法,提高生產率.
  提高生產效率的另一種技術是采用一個多功能的弧焊電源,備有2-4個送絲系統及其控制驅動單元。根據焊接材料、焊接方法的不同需求選用其中相應的一個送絲系統和控制單元,很快進入所需的焊接狀態,大幅度減少輔助時間。
  德國克魯斯公司的雙絲氣體?;ず附酉低吃詮諞埠蓯芑隊?。
  6. 焊機的焊接工藝性能成為電焊機行業新的技術競爭焦點
  從展會上可看出,逆變焊機的高端產品方面,仍是國外產品的一統天下。任何一個重要的新技術、新方法(如STT、CMT、Cold Arc等),無不與焊接工藝相關。這說明逆變焊機產品的技術競爭焦點已經開始從電源技術、控制技術轉移到焊接工藝性能方面。
  對于國內電焊機行業來說,能否實現這個轉移是一個新的、更嚴峻的挑戰,因為要在焊接工藝方面實現技術突破絕不會比突破逆變焊機電源技術瓶頸的過程容易。這是我們要面對的一個新挑戰?;蛐?,它將決定一個企業在新一輪競爭中的成敗。
  7.自動化焊接系統的運用大幅提高
  焊接自動化就是要通過先進的焊接工藝、材料、設備、自動化控制系統和焊接胎夾具、裝卡定位及其運動系統的有機集成,實現對待焊工件的高效率、高品質、低成本的批量化規模生產,以保證高品質產品的穩定、一致化批量的產出。焊接自動化主要包括焊接自動化專機和焊接機器人。
  展會上的展品有近一半屬于專機,其中大部分都配用了機器人。從展會上看出,在焊接領域,自動化程度最高的就是工業機器人。歐美等國家工業機器人的運用已經非常廣泛,大規模應用工業機器人使成套裝備滿足自動化、柔性化、多功能化是今后的發展趨勢。
  國內展示的焊接專機大部分屬于焊接輔機與焊接電源、送絲機的組合。
  展會在焊接自動化技術和設備方面展現最突出的有:激光及其復合焊接機器人;弧焊機器人;點焊機器人專用伺服點焊槍;自動焊接、智能化焊接必需的各種焊縫跟蹤技術。
  7.1 激光焊接機器人保證焊接柔性化
  與傳統焊接方法相比,激光焊接具有能量集中、焊接變形小、焊接速度高、可達性好等優點??梢運?,機器人與激光焊接相結合是如虎添翼,實現高效化和高柔性化的完美結合。
  7.2 電伺服點焊鉗的應用前景良好
  目前,點焊工業領域所用的焊槍絕大部分是氣動焊槍。氣動焊槍的技術特性與電阻點焊的技術要求決定了其電極力在焊接過程中固定、不可調,響應時間長。因此,氣動焊槍很難在短時間內通過改變電極力實現對焊點質量控制。然而,電動伺服點焊槍通過交流伺服電機帶動電極進給來施加焊接壓力,各參數都可以精確地進行控制。同時,伺服焊槍應用于點焊工業后,由于改變電極壓力、響應時間短,因此能夠滿足電阻點焊中瞬間鍛壓力的響應要求。于是,針對目前的汽車行業應用的鍍鋅鋼板、鋁合金和超高強鋼的需求量日益增多,運用伺服焊鉗的電極力可控特性,并結合其它的技術特性,優化焊接參數為實現對這類難焊材料的焊接與質量控制開辟了良好的應用前景。
  展會上,點焊機器人數量有明顯增加,德國的尼瑪克(NIMAK)等機器人廠家均展出了配置了電伺服點焊鉗的機器人。
  7.3 焊接自動化專機向標準化??榛⒄?/DIV>
  專用自動焊接設備就是為用戶專門定制的焊接設備。其制造難點是由于是針對用戶個性化的設計、制造、調試、服務,導致產品交貨周期長、風險大、技術服務成本高。但近年來,隨著我國現代制造業的快速發展和技術水平的不斷提高,交貨周期長與用戶的急需已經成為自動化焊接設備開發的突出矛盾。通過展會可見,焊研科技等不少焊接自動化廠家逐步認識到??榛杓頻鬧匾?,積極進行自動化焊接設備的??榛杓坪蛻芾?,取得了長足的進步。這表明,??榛親遠ㄓ煤富姆⒄狗較?。
  從歷年的展會看,焊接自動化裝備展品的比例在逐年增加,其制造工藝水平和電子控制系統的水平大幅度提高。
  8.自動焊接小車、送絲機、焊槍等基礎件研究得到重視
  長期以來,CO2 /MIG送絲機、自動焊接小車被焊接人士認同為電焊機的輔機具,未受到焊接界的高度關注。其實,這類產品是焊接電源不可或缺的重要部件,代表著CO2 /MIG焊接、埋弧焊機的應用深度及自動化水平。一個良好的焊接電源所提供的是焊接能量與驅動程序,而焊機追求的焊縫質量、焊接效果及焊接效率,這又都是通過送絲機或自動小車連接焊槍合成后,與焊接電源組成完整的焊接系統才能體現出來。因此,這些輔機具質量的差異性、可靠性直接制約了主電源焊接效能的發揮。隨著焊接自動化的普及和提高,以及對焊接效率的關注與追求,送絲機及自動焊接小車的位置和作用越來越突顯、越來越被業內人士倍加重視。
  9.合理的產業結構和技術創新正在逐步形成
  從展會看,國外很多成熟的技術在國內才剛起步,國內與國外焊接技術相比存在著較大的差距,其先進技術的發展歷程對國內焊接技術的發展方向可以起到充分的借鑒作用。
  但不管怎樣,中國品牌焊機在埃森展會上的集體出現,無疑向世界表明,中國焊機已作好向歐洲市場進軍的準備了。業不在于大小,關鍵在于活力,實現新的發展,提升企業技術研發實力。上?;?、南通三九、深圳瑞凌、佳士科技等多家通用產品生產企業充分發揮了老企業的技術和品牌優勢,在國際市場上打出了一片天地;昆山華恒積極向機器人研發進軍;唐山開元機器人系統有限公司從唐山開元自動焊接裝備有限公司分立組建后的強勢發展;山大奧太、南通振康、成都熊谷、北京時代等專注于通用產品的研發;北京中電華強、焊研威達、焊研科技、廣州松興、無錫威華等在專用和成套設備的開發上加大投入,產品不斷創新;上海通用、上海東升、成都華遠、上?;墓婺;途富芾?陽通集團和華聯集團的規?;⒄?杭州凱爾達不僅注重技術投入,而且還大力發展數控切割機業務等等,一個個具有鮮明特點的企業,勾勒出焊接設備行業調整產品結構、研發新產品新技術,為企業更上一層樓的發展宏圖。
  10.規劃、觀念、意識
  無一例外,世界著名焊接設備生產廠商都既有專業的長遠規劃,也非常專注于執行,如ESAB幾十年如一日地致力于埋弧焊方面的研究;KEMPPI從1946年生產電源起,至今仍專注于逆變電源研究,已創造出了多個世界第一。
  通過與國內外電焊機廠商的廣泛接觸,印象非常深刻的是:國外知名企業都擁有自身的核心技術及其專有技術名詞(如我們熟知的STT、CMT、Power Wave等),還有很多新的或我們以前不曾關注的技術名詞(如Force Arc等),并都具有R標識。由此可見,國外企業對核心技術及其知識產權?;さ那苛乙饈?。
  總之,在上述的三大展會中,來自世界各地企業的形象鮮明,異彩紛呈的新產品、新技術、新工藝使參觀者眼界大開,同時也折射出行業未來的發展趨勢。特別是歐美等發達國家的企業對焊接技術的研究非常深入、非常系統,從成套設備到焊接單機、從焊接材料到焊接輔助機具……不僅產品外觀精美、色彩協調、性能穩定、可靠性好,而且技術特點非常鮮明,這些都值得我國企業學習與借鑒。
  可以說,以上展會為國內外焊接設備與技術提供了展示的舞臺,也把國內外焊接設備與技術進步推向一個嶄新的階段,更為我國焊接設備與技術的發展指明了方向。我們相信,我國焊接技術將會遵循客觀規律、實事求是穩步地向前發展,不久的將來定會融入世界領先行列。
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