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1、焊接及自动化技术摘 要：随着各种新技术的发展材料加工技术也得到了快速的进步，新兴的加工手段成为高精尖技术实现的关键。我国作为正在崛起中的发展中国家正面临着空前的历史机遇和挑战，我国已成为世界的加工中心。但是，在基础工业、装备制造业等关系国计民生的基础领域我国还没有能够掌握核心知识，亟待提高。材料加工技术作为制造业的手段对于制造业的发展有着很大的影响，所以发展材料加工技术助力我国装备制造业的崛起有着重要的意义。本文从材料加工技术的发展现状开始，介绍分析材料加工技术中焊接加工方法及其自动化技术对于制造业的重要作用，焊接自动化的意义、发展特点。关 键 词：材料加工； 制造业； 焊接方法； 焊接自动化
2、1. 引言进入21世纪，经过30年改革开放的发展我国的装备制造业取得了令人瞩目的成就，形成了门类齐全、具有一定规模和水平的装备制造体系。装备制造业是关系到国民经济发展和国防建设提供基础性、战略性的产业，一个国家的装备制造业发展水平是一个国家发达程度的重要标志。所谓装备制造业按装备的功能和重要性可以分为三方面内容：（一）重大的先进的基础机械，即制造装备的装备工作“母机”，主要包括大型机床（NC）、柔性制造单元（FMC）等；（二）重要的机械、电子基础件，主要有先进的液压、气动、模具、微电子和电力电子器件、仪器仪表及自动控制系统等；（三）国民经济各部门科学技术、军工生产所需要的重大成套技术设备，如先
3、进的军事装备，通信、航管及航空航天装备等。装备制造业为国民经济各行业提供技术装备，产业关联度高、吸纳就业能力强，是各行业产业升级、技术进步的重要保障和国家综合实力的集中体现。最近几年我国的制造业发展速度快，重大技术装备自主化水平显著提高，已经成长为装备制造业大国。然而产业大而不强，自主创新能力差、基础制造水平落后，所以我国仍不是制造业强国。面临的问题是：对外依存度较高，在国际竞争中处于不利地位；整体素质不高，产业集中度低，缺少具有国际竞争力的大企业；产业基础薄弱，基础制造装备、基础元器件、关键原材料发展滞后，高新技术与传统装备工业改造结合不够，装备制造业信息化程度、自动化程度不高。在装备制造业
4、中主要的任务就是通过各种加工技术手段制造出满足各种性能需求的设备。材料的制备与加工既包括传统的冶炼、铸造、压力加工、焊接、热处理、烧结、表面技术、机械加工和对加工过程的模拟与仿真技术，也包括新发展的高能束（激光束、电子束和离子束）表面改性技术、真空溅射、气相沉积、热喷涂、多种材料复合等新工艺。材料的制备与加工决定了材料的成分和组织结构，从而决定了材料的性能。材料的制备技术与加工的开发显得格外重要，否则新材料难以达到工业使用的要求，如高温超导材料不解决成材与稳定性问题，便无法应用于强电方面；陶瓷材料的优越性虽很突出，但如果不通过合理的制备工艺提高韧性、降低成本，也不会有竞争能力。对传统材料来说。
5、只有不断采用新的制备与加工工艺，才能使材料性能不断提高，才会有竞争力。在各种加工方法中焊接作为一种材料连接方法，在材料加工和设备制造过程中起着不可替代的作用。焊接加工方法是制造业中重要的加工方法之一，由于焊接制造工艺具有综合多学科最新知识的特点，使得焊接技术能够更快地融入最新科学技术成就而具有时代发展的特征。众所周知，焊接技术自诞生半个多世纪以来，受到多个学科最新发展的直接导引，在各飞速发展因素的影响下，如复杂的焊接冶金物理化学过程、合理工艺制定与实现等，尤其是材料、信息学科新技术的影响，导致数十种焊接新工艺的问世，使焊接工艺操作正经历着从手工焊接到自动焊，自动化、柔性化到智能化的过渡。焊接技
6、术的更新同时也带动了其他加工技术的进步，使整个加工制造业的水平提升，这也使焊接技术成为推动加工手段发展和制造业进步的重要动力。2 焊接技术2.1 焊接概念所谓焊接是指对于同种或异种材质的工件通过加热、加压或两者同时使用，并且用或不用填充材料的方法，来实现工件的原子间建立的永久性的连接的过程。焊接技术是现代制造业中不可缺少的先进制造技术，广泛应用于机械、冶金、建筑、汽车、船舶、航空航天、军工和军事装备等产业部门。在金属材料加工中对于金属的焊接,按其工艺过程的特点大致分为如下三大类： 手工电弧焊；熔焊 气体保护焊； 埋弧焊； TIG焊等压焊 电阻点焊； 电阻缝焊； 闪光对焊等。钎焊 软钎焊； 硬钎
7、焊等。2.2 传统焊接方法在这里传统的焊接方法主要是指像手工焊条电弧焊、电渣焊、二氧化碳气体保护焊、埋弧焊、TIG焊、MAG焊等发明时间相对较长、应用也比较成熟和广泛的焊接方法。传统的焊接方法有着自身的特点，如手工电弧焊，适用性强，可以焊接多种焊缝的多种角度的特点是其他焊接方法所不可代替的同时设备简单，操作灵活方便。但是对工人的技术水平要求高和生产率较低，环境污染严重也是手工电弧焊在加工过程中的主要缺点。气体保护焊以价格低廉的二氧化碳气体作为保护气体进行焊接，焊接操作简单，适合自动焊和全方位焊等焊接方法，由于二氧化碳气体的热物理性能的特殊影响，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不可能形成平衡
8、的轴向自由过渡，通常需要采用短路和熔滴缩颈爆断。因此，与MIG焊自由过渡相比，飞溅较多。但如采用优质焊机，参数选择合适，可以得到很稳定的焊接过程，使飞溅降低到最小的程度。由于所用保护气体价格低廉，采用短路过渡时焊缝成形良好，加上使用含脱氧剂的焊丝即可获得无内部缺陷的高质量焊接接头。因此这种焊接方法目前已成为黑色金属材料最重要焊接方法之一。在基础制造中，如汽车车身加工，船舶制造，机械零件连接等领域占有着相当大的使用比例。在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45%，铝和铝合金焊接结构的比重也不断增加。传统焊接方法发展应用的比较成熟，但是随着
9、社会的发展，对金属材料的使用需求量增加，需要对更多的金属进行处理，传统的焊接方法已不能满足各种复杂焊接接头的性能要求，所以许多新型的焊接方法被创造出来，并且在原来传统的焊接方法的基础上人们正努力的提高各种焊接方法的接头性能，向实现焊接自动化的方向迈进。为我国的制造业的快速发展提供强有力的技术保障，通过焊接技术的更新推动、加快我国装备制造业的技术升级。2.3 新兴焊接方法与传统的焊接方法相对应，是在最近一段时期发明的焊接方法，以搅拌摩擦焊、电子束焊、激光焊为代表的焊接方法具有接头性能好，焊接效率高等特点。下面仅以搅拌摩擦焊和电子束焊为代表进行简单介绍。搅拌摩擦焊和常规摩擦焊原理相同利用搅拌摩擦产
10、生的能量作为热源进行焊接。焊接过程是通过将搅拌头插入焊缝中，搅拌头高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，使连接部位的材料升温软化并通过搅拌后形成焊缝，搅拌摩擦焊的焊接过程原理如下图所示：图1 搅拌摩擦焊示意图由于搅拌摩擦焊采用独特的焊接形式，所以搅拌摩擦焊的接头性能与其他焊接方法的焊接接头也有很大的不同。搅拌摩擦焊的焊接过程有如下特点：不需要消耗焊接材料，如焊条、焊丝、焊剂、保护气等；焊接时温度较低，焊后形成的残余应力和焊接变形相对熔焊焊接方法也小得多；作为一种固相焊接方法，焊接前及焊接过程中对环境的污染小；焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜；焊接过
11、程中无烟尘和飞溅同时噪声低；由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源，效率更高。目前搅拌摩擦焊已经得到了广泛的应用，由于搅拌摩擦焊的接头纯净，质量可靠，所以在很多高精尖的技术如航空航天技术、船舶、汽车制造等领域使用广泛。目前，有现象表明搅拌摩擦焊的焊接接头也存在着严重的安全隐患，在使用过程中会出现突然断裂，并且在断裂之前毫无征兆，这样的缺陷往往会造成巨大的损失。搅拌摩擦焊的这种缺陷已经引起了研究人员的注意，并对搅拌摩擦焊的接头断裂问题展开了研究，找到导致缺陷的原因，减少焊接缺陷造成的损失。以电子束焊和激光焊等焊接方法为代表的焊接方法称为
12、高能束焊接。电子束焊接是一种利用电子束作为热源的焊接工艺。电子束发生器中的阴极加热到一定的温度时逸出电子，电子在高压电场中被加速，通过电磁透镜聚焦后，形成能量密集度极高的电子束，当电子束轰击焊接表面时，电子的动能大部分转变为热能，使焊接件的结合处的金属熔融，当焊件移动时，在焊件结合处形成一条连续的焊缝。对于真空电子束焊机，要焊接的工件置于真空室中，一般装夹在可直线移动或旋转的工作台上，焊接过程可通过观察系统观察。电子束焊机的工作原理如下图所示：图2 电子束焊原理图电子束焊接具有以下特点：l 电子束焊能焊接不同的金属及合金材料，尤其高难熔金属都能焊接，实现精确定位；l 最大的穿透深度可达15毫米
13、，最高的深宽比大于10:1，焊接直径可达400毫米；l 电子束焊接，其焊缝化学成份纯净，焊接接头强度高、质量好，焊接时所需线能量小，而焊接速度高，因此焊件的热影响区小、焊件变形小，除一般焊接外，还可以对精加工后的零部件进行焊接；l 可焊接异种金属，如铜和不锈钢、钢与硬质合金、铬和钼、铜铬和铜钨等、在真空中进行焊接，焊缝纯净、光洁，呈镜面，无氧化等缺陷；l 电子束焊的焊接效率高，焊接速度快，特别是在焊接大厚板件时具有其他焊接方法不可比拟的优势，电子束功率等级允许的情况下，还可以同时焊接多层焊缝。新兴的焊接方法在提高接头性能、提高生产效率、改善工作环境、解决不同材质工件的焊接问题和减少环境污染等方
14、面有了很大的突破。随着科学技术的进步，焊接自动化已成为必然趋势。目前许多传统的焊接方法在焊接自动化的道路上也快速前进，如电阻点焊机器人的使用，埋弧自动焊等。新型的焊接方法在开始便借助强大的计算机和微处理器的数字化工具来提高焊接效率和焊接接头的质量。3 焊接自动化3.1 自动化和工业自动化自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是“稳，准，快”。 采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和
15、科学技术现代化的重要条件和显著标志。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下,按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。自动化技术就是探索和研究实现自动化过程的方法和技术。它是涉及机械、微电子、计算机等技术领域的一门综合性技术。工业革命是自动化技术的助产士。正是由于工业革命的需要，自动化技术才冲破了卵壳，得到了蓬勃发展。同时自动化技术也促进了工业的进步，如今自动化技术已经被广泛的应用于机械制造、电力、建筑、交通运输、信息技术等领域，成为提高劳动生产率的主要手段和方法。3.2 焊接
16、自动化焊接机械化在焊接方法的基础上结合自动化技术，通过机械结构或电气控制寻求焊接效率的提高和方法的改进。焊接自动化可分为焊接半自动化和焊接自动化。焊接的半自动化是指焊接机头的运动和焊丝的给送由机械完成，焊接过程中焊头相对于接缝中心位置和焊丝离焊缝表面的距离仍须由焊接操作工监视和手工调整。焊接自动化是指焊接过程自启动至结束全部由焊机的执行自动完成。无需操作工作任何调整，即焊接过程中焊头的位置的修正和各焊接参数的调整是通过焊机的自适应控制系统实现的。而自适应控制系统通常由高灵敏传感器，人工智能软件、信息处理器和快速反应的精密执行机构等组成。焊接自动化也为工业生产中的柔性制造打下基础，成为柔性制造的
17、简单雏形。焊接自动化借助于机械设备、电子自动控制系统应用在焊接过程中，如气体保护焊接过程中的自动送丝系统，埋弧焊接过程中焊接速度控制和送丝控制等；焊接自动化可以从焊接工艺方面，如焊接参数的自动选择，像焊接电流、焊接电压、焊接速度等参数在焊接不同的材料、不同要求时的自动选择匹配；在焊接过程方面，通过机械设备、电子控制系统，借助微控制器等实现程序控制、数字控制；另外一个方面是在生产线上推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件。 焊接过程是一个开环系统，所以在发展焊接自动化的过程中如果希望焊接过程有机械装置来完成，实现焊接过程自动化，首先需要类似人类感官的传
18、感器，焊接过程传感器是一基于对影响焊接结果的内部和外部条件的探测器，利用传感器能实时获取焊接过程信息并用于调节焊接操作参数；在进行智能化的过程中，还需要类似于焊工对焊接过程的认识，能够描述焊接过程各种状态的知识，建立对焊接过程模型化；需要类似于人脑思维判决的控制器，以实现和执行控制规律。一个焊接自动控制系统，除去对焊接设备本身的性能要求外，必定涉及焊接过程传感、焊接过程建模和控制器设计三个方面关键技术，如下图所示相互之间的关系：图3 焊接过程控制系统三项关键技术相互关系3.3 材料加工焊接自动化的意义及作用进入20世纪以来，电子信息、航空航天等尖端技术迅速发展，对新材料的研究和开发起到了很大的
19、刺激与促进作用，但是新材料的研制与材料加工工艺进步并没有同步发展。例如高温超导材料、金属陶瓷梯度功能材料等，作为先进材料的优越性与实用价值非常明显，但没有相应的制备与加工技术来扩大这些材料在实际中的应用。材料加工技术的发展明显落后于关于材料设计，材料性能的研究进展，从而制约了这些高性能先进材料的实际应用。因此，发展材料的先进制备、成形与加工技术的重要性比以往任何时候都更加突，更有意义。材料加工技术的发展趋势主要表现在过程综合、技术综合和学科综合。过程综合主要指：一是指材料设计、制备、成形与加工的一体化，各个环节的关联越来越紧密；二是指多个过程（如凝固与成形）的综合化，或称短流程化，如喷射成形技
20、术、半固态加工技术和连续铸轧技术等。技术综合是指材料加工技术越来越发展成为多种技术相结合的应用技术科学，尤其体现为制备、成形、加工技术与计算机技术(计算机模拟与过程仿真)以及信息技术的综合，与各种先进控制技术的综合等。学科综合则体现为传统三级学科（铸造、塑性加工、热处理和连接）之间的综合。材料加工技术的发展对推动制造业的升级，制造业水平的提高有巨大的影响。例如激光焊接、电子束焊接、扩散焊接和摩擦焊接等先进连接技术的发展解决了高性能先进材料的连接问题，扩大了其应用范围；搅拌摩擦焊的出现解决了在熔融焊接困难（如金属基复合材料）或焊缝质量要求特别严格（如宇航与军事领域）的材料连接问题，使多种新型具有
21、优异性能的材料得以应用。焊接技术自动化对于材料加工技术的进步有重要意义。首先，焊接作为一种重要的材料加工方法在工业制造生产中起着重要的作用。在使用电阻点焊较多的汽车制造厂，电焊点焊机器人是使用最为广泛的焊接机器人。焊接机器人自动化的进步使汽车制造的效率更高，零部件及新车型的开发周期缩短。其次，焊接自动化的发展，通过智能控制系统来管理和控制整个焊接过程甚至完成整个工件的加工过程，可以大大的替代人力劳动，让操作者在更舒适的环境中作业。第三，焊接自动化可以整合当前科学技术的最尖端的技术，最大限度的促进焊接技术、方法的进步。通过焊接自动化控制系统，目前已经有人将模糊控制、神经网络模型控制和专家控制系统
22、等当下最新的控制方法引进到焊接方法中，以寻求提高焊接效率和接头连接性能的方法。第四，焊接自动化可以在恶劣的环境下进行焊接作业，比如各种爬行焊接机器人、水下焊接机器人等类型机器人的应用可以减轻或避免焊接人员在焊接过程中所面临的危险，扩大焊接加工的现场工作范围。第五，焊接自动化是机械操作，在设定好的前提下可以无限的重复加工，而不会产生误差。在汽车制造、电子元器件制造过程中，很多地方都重复了大量的工作，在使用自动化焊接，设定好相关参数便可以进行重复焊接，并且可以保证焊接质量的稳定性和可靠性。第六，焊接自动化是焊接结构生产技术发展的方向。现代焊接自动化技术将在自动控制基础上发展智能化焊接设备，在现有的
23、焊接机器人基础上发展柔性焊接工作站和焊接生产线，最终实现焊接计算机集成制造系统CIMS。目前，我国的焊接自动化水平、材料加工技术的自动化水平与发达国家，像德国、法国、美国、日本、英国等国家还有一定差距，所以在焊接自动化的路上还有很长的路要走。抓住机遇，加速在焊接自动化和材料加工自动化方面的进程才可以加速我国的装备制造业的发展，助力我国装备制造业的崛起，焊接自动化的进步具有非凡的意义。4 结 论焊接技术作为材料加工技术中的一种重要的加工手段，在基础制造业发挥着不可替代的作用。随着科学技术的发展，新型焊接方法产生推动了新材料的广泛应用；焊接方法向焊接自动化方向快速发展。我国的装备制造业正在重要的发
24、展阶段，通过夯实基础的材料加工技术可以为装备制造业的快速发展打下坚实的基础。由于焊接方法这种加工手段综合了多个学科的多中新技术、新方法，尤其是计算机技术和控制系统的引用，对于制造业的技术升级具有无可比拟的推动作用，所以借助于焊接技术的自动化进程，材料加工技术的进步，焊接技术的自动化进程对制造业具有重要的意义，可很快的推动我国装备制造业的崛起。参考文献：1 吴林，陈善本. 智能化焊接技术. 北京：国防工业出版社，2000.2 孙爱芳.材料加工技术的回顾与展望. 河南机电高等专科学校学报.2006,05,14(3):13.3 韩国明.焊接工艺理论与技术. 北京：机械工业出版社. 2007.4 蒋成禹，胡玉洁，马明臻. 材料加工原理. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2001.5 陈善本. 智能化机器人焊接技术研究进展. 机器人技术及应用，2007，5：811.6 高奎玉. 焊接技术的现状和发展趋势综述. 现代焊接，2007（1）：89.7 王凤英，李永堂，安建勇等. 自动控制系统在焊接领域的应用. 新技术新工艺，2005（12）：3840.11
