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国外焊接技术最新进展情况
机械经理人MACHINE.ICXO.COM ( 日期:2007-02-05 09:57:58.0)


    电阻点焊被认为是汽车车身制造中最重要的连接工艺。尽管有激光束焊接和粘结剂粘接等新技术,但点焊在汽车车身制造中仍然会保留其稳固的地位。由于许多因素都会影响点焊的加工质量,而且点焊的质量标准要求很高,因此有必要系统地检查点焊接头的质量。

    为此,过去的作法是采用损伤性测试方法进行随机测试。由于这种方法存在一些缺点,例如:会毁坏测试样件或使其变形,测试时间长,在凿击过程中会损坏和松动工件,当使用“锌粘结剂”时使用凿击的方法会找不到粘接点,所以它已不适合现代制造技术和成本核算意识。这里提供了一种补救方法——“点线超声测试法”,用这种方法,在焊接过程中就可进行焊点的检查。

    “IQR系统”是电阻点焊过程中在线质量测试和优化的一种新的控制工艺。这种方法可以在使用U-I特性评价的基础上补偿控制中一些参数变化的干扰,如板材厚度的变化、镀层厚度的变化、电极磨损损耗等的变化。由于操作简单,IQR控制器保证了稳定可靠的高质量点焊,并且节省了时间和成本。

    在电阻点焊领域,人们可以清楚地看到焊接设备中使用伺服马达驱动的明显趋势。在2001年的国际埃森焊接展览会上,不少于12家制造商展示了使用伺服电机驱动技术的焊接设备(安装在微型点焊机、手动和机器人焊枪,以及基座式点焊机上)。根据专家预测,由于焊接质量好和焊接周期较短,所以气动焊接设备将会越来越多地被伺服驱动的焊接设备所取代。另外,一些制造商展示的焊枪采用气冷伺服电机驱动,对电极需要施力和对焊接周期时间有要求的焊接任务有广泛的应用前景。

    带有焊头压电线性驱动的微型点焊装置,具有理想的重新设定参数的特性,并能方便地对移动路线进行编程。由于其机械结构坚固稳定和采用了压电驱动技术,所以使焊接前后定位所需的时间很短。因此,可以不失时机地从工作清理阶段转换到工作阶段,积蓄焊接的动力。由于机构坚固和采用了动态性能极高的驱动系统,使焊枪电极头更适用于自动焊接装置中,焊接效率很高。

    用于冲法铆接和点焊的普通焊枪,在运动速度和精度方面受到要求更加严格的高生产率的机器人的挑战。为了能够达到较大的工作范围,而折弯程度最小,通过精心设计开发了新一代的机器人焊枪,制造材料采用了结构极轻的碳纤维加强塑料(CFRP)。根据研究成果,经过精心试验优化后制造了一个焊枪样品。最近研制的结构有一个纵向加强的非常坚固的弯曲臂和可提供强大的反作用力,竟然可以通过在线控制补偿角度的偏移。这一应用促进了人们进一步开发更好的现代纤维材料制造轻型结构的潜力。
二、激光技术和使用激光束加工材料

    尽管功率在12mm×mrad4kW以上的Nd:YAG固体激光器的光束质量极高,也不可能达到CO2激光器的应用广度。正是由于CO2激光器的使用成本和维修成本较低,因此它能够得到广泛的应用。

    例如,3kW的层流CO2激光器可工作大约40000h,每小时的工作成本约为6马克。这种激光用普通CO2激光器的功率的一半时,在1.5m/min的焊接速度不变时,几乎仍能达到同样的焊接熔透深度。当对钢材的焊接熔透深度为4mm,激光束的功率一样时,Nd:YAG固体激光器的焊接速度只有CO2激光器的一半。

    只有在用三维多轴铰接臂机器人的时候,使用Nd:YAG激光器的总投资才低于使用CO2激光器的情况,原因是通过光学纤维 Nd:YAG激光器的光束传输比较简单。而在远距离焊接时,CO2激光器的激光束要通过镜头聚焦,扫描器的光学系统可以自由地将激光束定位在工件表面。聚焦透镜安装在一个电动滑轨上,可以在1500mm×1500mm×400mm的空间确定加工点。选用移动式反射镜装置,能够延伸到干扰边缘后面的焊点。


    将激光束焊接与弧焊工艺相结合可以获得一种值得注意的焊接工艺:即CO2激光束与气体保护金属极电弧焊工艺相结合的工艺。采用该工艺,能对不同级别的钢材进行高效率的焊接。使用这种工艺的目的是为了确定对焊接不同厚度的钢板时允许的最大间隙宽度amax。在钢板厚度t=5mm时,间隙宽度为2mm;当t= 8mm时,宽度为1.35mm;当t=12mm时,宽度为0.7mm。焊缝是在重力状态下加工形成的,无需任何焊缝背后的熔液支持。在对20mm厚的钢板进行横向焊接时,可搭接的间隙宽度asssmax可达0.7mm,而不会产生任何技术问题。最佳工艺的其他方面还包括设定焊接和焊丝送丝的速度和选择焊丝的直径。

    人们对这种组合式的焊接工艺进行了试验,并在实际的焊接工作中进行了演示。例如,在迈尔造船厂,成功地焊接了几张 7.5~12mm厚、10m长的钢板,焊接速度达到2m/min。在上述的组合式焊接工艺中,增加电弧的组合还可以进一步提高该工艺的优点,例如将每单位长度的能量降到最小,提高焊接速度及搭接接头间隙的能力。

    一种结构结实紧凑、易于操作的“工具”是二极管激发的Nd:YAG激光器和其高质量的激光束。热镜头效应限制了光束质量的改善,进一步改进的目标是把光束的参数进一步提高,并将其输入到100μm的玻璃纤维中,这样获得的光束质量就可与CO2激光器的光束媲美了。

    这里比较有发展前景的是盘式激光器和层流式激光器。在2001年的激光技术展览会上,HASS激光技术公司首次展示了盘式激光器的样机。展出样机的激光器功率为1.3kW,光纤维的直径为0.15mm。灯激发和二极管激发的棒式激光器存在激光束功率引起的热镜头问题,而盘式激光器实际上不再有热镜头问题。由于盘式激光器具有与CO2激光束类似的优质光束,通过光纤耦合的方法可以标定改变其功率,这比棒式激光器标定的功率要大许多倍。
使用输出功率大于 4kW的二极管激发的固体激光器,对于铝合金的焊接具有决定性的意义。这些系统的光束质量特别好,能够瞬间注人直径为0.4mm的光纤中。激光束的聚焦能力极大地依赖于光纤的截面积。这表明这种新一代的固体激光器的潜力是“点”直径更小,功率密度更高。功率密度高使人们能够进行以连续波的模式进行焊接。例如,首先用于对小型样品和小零件的各种连接,如对接、T形焊接和搭接进行了研究。零件的材料是AlMgSi0.7(厚度:3mm)和AlMg3(厚度: 1.6mm)铝合金。高质量的焊道形状只有在纯粹的连续波状态才有可能。当使用千瓦级的二极管激发的Nd:YAG激光器焊接铝时,在很宽的参数范围内都能获得很高的可靠性。

    文献中还介绍了一种影响焊缝几何形状和质量的新方法。这是根据熔池中电磁力的影响,使产生不同的熔池流动和热输入量。这样就能有选择地改变焊缝的形状、穿透深度、焊道外形和减少气孔的形成。


    当用激光束处理管道、圆筒和衬套的内表面时,即使在非常有限特定表面也能改变材料的特性。激光束可提供一个能精密控制的能源,在特定的地点和时间施加能量,通常只有极小的误差,因此不需要或只需要少量的后期加工处理。在工业应用中,这种工具被装上了防护设施,例如采用压力。小室和横向射流(Cross- Jet)来保护光学系统,用冷却的方法消散所吸收激光辐射、等离子辐射和附带产生的热辐射。

    激光器包括以下组件:激光器适配器、基体和激光头。基体可以使激光通过机械方式连接到确定的处理系统上和所需加工的介质上。在基体内,通过光学方式为激光头提供激光辐射。如果需要,还可以装一个与介质刷一起运动的装置,使激光头进行旋转运动。激光头内装有中心光束形成元件(镀膜铜镜)及保护气体或加工气体喷嘴。功率为2kW的Nd:YAG激光器上还连接了一个用于长导轨的硬化处理装置。集成反射镜组可以在大约60mm的工作距离将光束聚焦到3mm×5mm。使用3kW功率的固体激光器可以硬化 φ60mm、深600mm的高合金钢衬套。另外,开发用于管道内部硬化的光学系统有一个旋转激光头,可以在固定的发动机机体上完成工作,用于硬化货车柴油发动机的灰铸铁发动机机体的缸体承载表面。

    一种新开发的用于等离子弧焊的焊矩系统,采用反极性电极和选用100~200A焊接电流可以经济有效地焊接铝制零件,焊接质量很好。经对各种铝镁合金的焊接试验表明:在焊接2~8mm的板材时,可以使用熔入和锁孔式焊接技术。

    使用电极极性可变的锁孔技术进行等离子弧焊,可用来焊圆周焊缝,如AlMg3管道、法兰盘以及GK-AlSi7Mg冷铸合金制造的形状各异的零件,能够进行 8mm壁厚材料的无坡口对焊连接。使用新开发的特殊气体控制系统可以无缺陷地完成圆周焊缝的收尾焊接。由于只在铸件一侧才会产生气孔,因此要确定铸件熔化金属的原子氢含量。如果铸件熔化金属中的氢含量低于0.3mL/100g,焊缝产生的气孔就很少。采用此方法要修复的焊缝总长度可达39m,占整个焊缝长度的27.2%。

    在研究开发最现代化的电源和控制技术条件下,采用等离子弧焊技术是一种质量最佳、经济有效、重复性好的连接工艺。另外,通过调节电流,确保厚板等离子弧对接接头焊接时产生锁孔的传感器系统、导电的熔池支撑与被焊板材绝缘,并通过带电的车架在等离子弧穿透时测量电流,并随之移动。

    这种新的工艺与TIG焊接相比具有如下特点:

    (1)采用等离子弧焊时的特定工艺优点,不仅主要表现在微型等离子弧焊的板材厚度范围方面,而且涉及使用锁孔技术。

    应用范围包括:表面堆焊、喷涂和焊接。通过可调频率使用低脉冲焊接电流,等离子弧焊可以更好的方式控制电弧能量的大小,能够通过现代控制系统可靠地同步监测各种设定值的执行情况。晶体管的焊接电源,如AUTOTIG系列,可以精确地按照技术规格的规定运行。

    (2)用粉末等离子弧焊焊接薄板和管道时,具有焊接速度快、热输入小和变形小等优点。

    (3)等离子弧焊接时,锁孔技术的优点还清楚地表现在板厚达10mm的材料焊接。

来源:中国机械网
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摘要
电阻点焊被认为是汽车车身制造中最重要的连接工艺。尽管有激光束焊接和粘结剂粘接等新技术,但点焊在汽车车身制造中仍然会保留其稳固的地位。由于许多因素都会影响点焊的加工质量,而且点焊的质量标准要求很高,因此有必要系统地检查点焊接头的质量。
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