焊接技術(shù)中的創(chuàng)新發(fā)明

喬 雷， 孫海燕

（中國航發(fā)航空科技股份有限公司， 四川 成都 610503）

在傳統(tǒng)金屬加工行業(yè)中，焊接出現(xiàn)的比鑄造、鍛造工藝晚，但發(fā)展速度非?？?。目前焊接結(jié)構(gòu)約占鋼材45%，焊接結(jié)構(gòu)在航空航天、船舶、汽車、電子、兵器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。焊接技術(shù)的快速發(fā)展得益于焊接技術(shù)本身創(chuàng)造發(fā)明及相關(guān)技術(shù)在發(fā)明創(chuàng)造在焊接技術(shù)中的應(yīng)用。

1 焊接設(shè)備的創(chuàng)新發(fā)明

焊接技術(shù)的發(fā)展是與焊接設(shè)備的發(fā)展密不可分的，從某種程度上說焊接設(shè)備的發(fā)展和焊接技術(shù)的發(fā)展是一脈相承的。

1900年法國E·F皮卡特發(fā)明了氣焊[1]，該技術(shù)隨后被大量用于管子結(jié)構(gòu)的焊接中。1949年美國西屋電器公司制成了穩(wěn)定的手工電弧焊機[1]，使得焊接技術(shù)獲得跨越式發(fā)展。1951年—1953年隨著蘇聯(lián)中央工藝及機器研究制造科學研究所完成對CO2氣保焊設(shè)備的改進[1]，氣體保護焊被廣泛用于各種材料焊接中，相比于電弧焊氣保焊焊縫性能優(yōu)異且焊接變形小，由于設(shè)備本身價格不高，使得焊接技術(shù)能夠在更大范圍內(nèi)進行應(yīng)用。20世紀60年代后期，隨著激光焊和電子束焊接設(shè)備的出現(xiàn)，焊接技術(shù)進入高能束發(fā)展階段。電子束焊和激光焊設(shè)備可以使小熱源的高度集中，焊縫熱影響區(qū)小，特別適合于航空航天，軍工、電子工業(yè)和汽車工業(yè)應(yīng)用。而以激光和電子束為熱源，以堆焊為基礎(chǔ)的3D打印設(shè)備的出現(xiàn)，將徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)制造模式。借助3D打印設(shè)備，開放式設(shè)計、定制化生產(chǎn)和分布式分產(chǎn)皆可以以相對合理成本實現(xiàn)。3D打印設(shè)備及3D打印技術(shù)將由此引發(fā)真正意義上的制造業(yè)革命，帶來無窮的創(chuàng)新空間[2]。

未來焊接設(shè)備發(fā)展趨勢將向以下幾個方面進行發(fā)展：焊接電源控制數(shù)字化；焊接工藝控制智能化；焊接系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)化；焊接裝備環(huán)保化[3]。焊接設(shè)備未來的發(fā)展趨勢，必將導(dǎo)致焊接技術(shù)也向著數(shù)字化、智能化、集成網(wǎng)絡(luò)化和環(huán)?；l(fā)展。焊接技術(shù)的發(fā)展和焊接設(shè)備的創(chuàng)新發(fā)展密不可分。

2 焊接工裝的發(fā)明創(chuàng)造

工裝夾具是制造行業(yè)中不可缺少組成部分。工裝使用的合理性，是進行工件焊接的必要條件。夾具對工件焊接工藝質(zhì)量、焊接生產(chǎn)效率有著決定性影響。近年來，工裝測具設(shè)計與制造伴隨焊接技術(shù)的快速發(fā)展，也得到了迅猛的發(fā)展。

根據(jù)工裝夾具使用的柔性，可分為專用和通用夾具兩種。在焊接大規(guī)模生產(chǎn)中，專用夾具由于定位精度、穩(wěn)定性和系統(tǒng)剛性等優(yōu)于通用夾具，因而被廣泛采用。例如：先進的汽車生產(chǎn)線系統(tǒng)和飛機裝配線系統(tǒng)都是采用復(fù)雜精密的主用夾具。隨著近年來小批量柔性生產(chǎn)模式的普及以及模塊化組合工裝夾具精度、剛性的技術(shù)進步，組合夾具得到越來越廣泛的應(yīng)用并在焊接生產(chǎn)中被普及。與此同時計算機輔助技術(shù)在焊接夾具設(shè)計中得到更為廣泛的應(yīng)用。近些年來，一系列裝夾工藝知識的建模與表達方法、裝夾知識的獲取和運用等催進了計算機輔助技術(shù)在焊接夾具中的應(yīng)用，通過對焊接過程模擬與仿真，能夠達到對焊接夾具設(shè)計方案在焊接過程中的全局仿真分析，實現(xiàn)在設(shè)計過程中對設(shè)計方案的優(yōu)化。

3 仿真技術(shù)在焊接技術(shù)中的創(chuàng)造性應(yīng)用與發(fā)展

仿真技術(shù)首先被應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域，隨后在總結(jié)焊接實際經(jīng)驗后發(fā)展而來焊接仿真。焊接仿真需要使用到有限元數(shù)值模擬技術(shù)、計算機技術(shù)等技術(shù)，主要是針對焊接溫度場、參與應(yīng)力、變形等幾個方面。通過仿真，可以達到改善工件焊接質(zhì)量，提高產(chǎn)品服役壽命，優(yōu)化焊接順序等目的。傳統(tǒng)焊接質(zhì)量的好壞非常依賴于焊接工人的經(jīng)驗，而焊接數(shù)值模擬技術(shù)就是利用數(shù)值模擬方法找到優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)，例如焊接材料、溫控條件、夾具條件、焊接順序等。

目前在焊接領(lǐng)域有多個專用的仿真模擬軟件，這些軟件通過對電、熱、力等多個因素的分析，實現(xiàn)對實際焊接過程的仿真，且仿真過程直觀并具備較強的后處理功能，這對加速焊接模擬技術(shù)發(fā)展起到了積極推動作用。目前焊接仿真模擬軟件可通過對焊接溫度場的模擬，得到焊接時熔池形狀和熱影響區(qū)寬度，并能夠?qū)崿F(xiàn)對焊接應(yīng)力、應(yīng)變場及焊接過程其他現(xiàn)象進行模擬；可以實現(xiàn)焊接過程中瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分析和焊接后殘余應(yīng)力分析等；通過獲取焊接過程中的各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對焊接工藝過程中焊接工裝、焊接過程、冷卻過程等細節(jié)優(yōu)化，達到減少焊接缺陷和變形，延長工件使用壽命并降低制造成本的目的。

仿真技術(shù)在焊接中另外一個應(yīng)用是機器人焊接仿真。制造行業(yè)的焊接操作比較繁瑣、焊接程序通常也較為復(fù)雜，加之生產(chǎn)設(shè)備的柔性特征和汽車行業(yè)的強烈需求性，在制造行業(yè)應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢明顯的機器人焊接仿真工藝的需求變得十分迫切。機器人焊接仿真技術(shù)具備如下明顯優(yōu)勢：其一，機器人焊接仿真技術(shù)克服了運用傳統(tǒng)數(shù)學、理論方法無法對現(xiàn)實問題進行有效分析、判斷的缺點，通過借助虛擬方式對實際焊機場景進行模擬，提高了焊接的質(zhì)量和效率，減少了設(shè)計風險，并可防范可能出現(xiàn)的重大經(jīng)濟、技術(shù)損失。其二，機器人焊接仿真技術(shù)通過有效利用數(shù)字樣機，進行綜合性的模擬焊接過程，大幅提升模擬焊接的實效性，并且可以降低因設(shè)計更改與模擬實驗所產(chǎn)生的成本支出。其三，機器人焊接仿真技術(shù)可以避免不必要的設(shè)計更改，提高焊接效率，因此能夠有效地縮減產(chǎn)品制造周期[4]。

4 納米材料和納米技術(shù)對焊接技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的作用

21世紀初，國外出現(xiàn)了一種焊絲表面噴涂氧化鈦外層的新技術(shù)，該技術(shù)被用來代替早期的焊絲表面鍍銅的技術(shù)。之后，在已取得的納米技術(shù)成果基礎(chǔ)上，一種在焊條和焊劑中應(yīng)用納米材料和納米技術(shù)的想法被提出來，這種想法利用了納米材料獨特的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)等特性[6-8]。隨后幾年，公開文獻報道了添加納米粉體到堆焊焊條藥皮中的試驗，該試驗研究成果改善了焊接過程中焊條的工藝性，使得強化相更加的均勻分布于焊縫中，并對提高焊接接頭的性能起了非常重要作用[9-13]。幾乎在同一時間，國內(nèi)開始了在釬焊材料、電極材料、填充材料、焊接保護、焊接結(jié)構(gòu)及工藝中應(yīng)用納米技術(shù)的分類闡述。隨著時間發(fā)展，納米材料將在焊接領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。除了上述應(yīng)用，納米材料還可以在TIG焊電極中的應(yīng)用，在鎢電極中添加納米氧化物，可提高鎢極電子發(fā)射能力，電弧穩(wěn)定性以及電極耐磨性也得到增強，通過減少了焊接過程中電極消耗，電極壽命得到明顯延長[14]，這種采用納米技術(shù)的鎢電極可以被用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎢-氧化物電極。納米材料用應(yīng)用于難焊材料中，可降低高熔點材料的擴散焊和燒結(jié)溫度，同時提高焊接反應(yīng)速度。

在工程上可以采用噴丸對接頭表面進行強化，而采用接頭表面納米均一化處理被證明可作為一種提高接頭性能的重要強化方法。焊縫及附近區(qū)域經(jīng)過納米均一化處理，可以達到以下效果：通過對表面納米化處理，可以在接頭表面獲得晶粒大小基本一致的均勻組織，改善接頭組織不均勻性；工件經(jīng)過納米處理后，材料的硬度隨著晶粒尺寸的減小而增加，接頭的耐磨性得到顯著升，隨之工件的使用壽命得到延長了；可以將接頭表面殘余應(yīng)力大幅減少，減少潛在的裂紋萌生，這對提高焊縫疲勞壽命和改善接頭抗應(yīng)力腐蝕性能有著積極意義。

5 結(jié)語

焊接技術(shù)的發(fā)展與焊接設(shè)備及焊接工裝的創(chuàng)造發(fā)明，仿真技術(shù)的應(yīng)用及納米材料等學科在焊接學科中的創(chuàng)新性應(yīng)用密不可分，正是因為這些技術(shù)的發(fā)展，促進了焊接技術(shù)完善和發(fā)展。未來隨著更多新技術(shù)以及與焊接相關(guān)交叉學科的發(fā)展，焊接技術(shù)必將迎來更大的發(fā)展機遇。

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[12] 張長敏.納米復(fù)合電極材料對TIG焊接質(zhì)量影響初探[J].焊接技術(shù)，2002，31（4）：11-12.