现代焊接技术的种类及应用特征

潘彦江

(定西中医药科技中等专业学校，甘肃 定西 748100)

0 引言

随着工业技术的持续升级，社会生产和人们生活所使用的产品、设备越来越丰富，产品的种类、技术在创新和升级的过程中，焊接技术的应用也越来越广泛。现代化的高效率生产加工导致传统的焊接加工模式不能完全满足生产工艺、焊接质量、成本控制等多方面要求，焊接技术与设备的升级已成为工业生产的主要需求。尤其在机械行业、汽车行业、医疗设备、建筑业等领域，对于先进焊接设备的依赖性更强，促进了我国焊接技术研究与理论体系建设的逐渐加深，各行各业所能应用的焊接设备和技术也得到了持续丰富，为生产加工提供了强有力的保证。

1 焊接技术特征与现状

焊接是工业生产中一项重要的生产加工手段，能够实现金属材料之间的融合连接，利用加热、加压等方式，促进金属原子产生结合与扩散作用，最终形成稳定持久的结合状态。焊接技术在我国的应用分为两个主要阶段，一是在20世纪80年代之前，以传统的手工焊接设备为主，利用焊接技术替代部分机械制造过程中的螺纹连接、铆接、铸造、锻造等方式，能在一定程度上降低生产成本，主要以人工操作的手提电焊机、氩弧焊机、二氧化碳气体保护焊的设备为主，自动化和成套化特征不明显。二是在20世纪80年代以后，从德国、美国等发达国家先后引进了技术更为成熟的成套焊接设备，一方面弥补了我国工业上焊接加工能力不足的问题，也在一定程度上引领了焊接技术与自动控制、机器人技术的结合，为焊接设备向数控化、精确化、复合化生产方向发展奠定了基础。

进入21世纪以来，我国的焊接技术得到了快速发展，逐渐能够满足我国工业生产需求。据统计，2021年我国的钢材产量达到50 091万t，据常规钢材用途来看，约有55%～60%的钢材会用于焊接加工，此外，铝合金、镁合金、钛合金的材料也有很高的焊接加工需求，有效刺激了我国焊接产业的发展。目前，从焊接技术的生产应用来看，先进的全自动焊接生产线逐渐在汽车制造、机械产品制造、医疗机械、农机生产等领域得到应用，配套的焊接技术逐渐从传统的电弧焊，向激光焊接、复合焊接、摩擦焊接等更先进的方向进步，具有自主知识产权的成套焊接生产线和控制系统普及率持续提高，焊接生产过程不仅向着高效、精确、智能方向发展，而且进一步实现绿色、节能、低消耗，进一步迎合了焊接加工市场需求。

2 焊接技术的分类

2.1 根据焊接原理的分类

根据焊接原理的不同，焊接技术大体分为三大类，一是利用焊接设备将金属材料需焊接的位置融化，然后将焊接面进行结合，使其连接成为一体，部分熔化焊接过程也会向焊接位置添加部分原料；二是钎焊，主要是选用特定的金属材料用于焊接，焊接过程选用金属材料的熔点需低于待焊接零件金属材料熔点，将用于焊接的金属材料称为钎料，在焊接过程仅钎料融化，被焊接零件母材金属不融化，利用添加材料的形势实现焊接；三是采用压力及摩擦的方式进行焊接，通过摩擦或物理升温等方式提升金属材料接触面局部厚度的温度，使其处于融化状态后施加较大压力，促使金属零件在冷却后结合。

2.2 根据自动化程度的分类

2.2.1 人工焊接技术

1)手工电弧焊。手工电弧焊主要通过工人操作手提式电焊机或中大型轮式电焊机进行焊接作业，其利用电弧在空气中放电反应过程产生的能量作为热源，手工电弧焊具有设备成本低、使用简单、焊接灵活性高的特点，广泛应用于碳钢、铸铁、合金、不锈钢等金属材料加工领域。

2)手工气体保护焊。严格来讲气体保护焊属于电弧焊的一种，是利用电弧原理实现对焊丝及金属的加热，其与普通电弧焊的区别在于利用二氧化碳、氩气等作为焊接过程中的保护气体，实现在焊丝与被焊接零件接触放电和金属熔化、融合的过程中降低空气中氧气、氮气等不利因素的影响，从而有效提高焊接质量与可靠性，且不易影响金属材料的理化性质。

3)手工可燃气体焊。主要是利用可燃气体(如乙炔)等燃烧过程产生的高温将焊接材料或被焊接零件升温融化，实现材料之间的结合。

2.2.2 自动化焊接技术

传统的人工焊接技术是自动化焊接发展的基础，自动化焊接技术主要是应工业生产的需求而生的，一方面，生产过程对于焊接效率、焊接精确性的要求越来越高，另一方面，很多新型的焊接技术如等离子焊接、激光焊接等，不适合于热工操作，加之电气技术、自动化技术，以及计算机技术的飞速发展，都促进了自动化焊接技术的形成，其常见焊接设备及技术如下。

1)传统焊接技术的自动化升级。传统的电弧焊、可燃气体焊在技术层面上具有较强的实用性，能够满足大部分工业生产对焊接作业的需求，在现代化生产中，常利用机电控制技术、机器人技术替代传统的人工焊接，由自动化程度很高的电控机械设备完成焊接过程。通过在机械臂、焊接平台上安装氩弧焊、保护焊、可燃气体枪、焊丝供应等设备，能够实现传统焊接技术的现代化实施。数控下的焊接能更好地保证焊缝的均匀性，提高焊接效率，且能有效降低用工成本，利用自动化设备完成传统的焊接工作，已成为焊接技术及相关设备发展的必然趋势。

2)等离子数控焊接。考虑到传统的焊接热量会不可避免地对金属零件产生较大范围的理化性能影响，为降低焊接过程的不利因素，等离子焊接能实现在基材最小加工量的前提下进行焊接作业，在数控技术的辅助下，等离子焊接能够在均匀稳定的电弧下实现热量集中的焊接，既能通过热熔实现金属连接，还具有热影响不利因素低、热影响范围小、零件变形小等优点，能完成极小间隙的金属材料焊接。既适用于常规金属材料，还能完成钨、镍、钼、钛等热敏合金的焊接。随着等离子数控焊接设备的发展，所应用的技术也由过去简单的离子弧焊接发展为脉冲等离子弧焊接、微束等离子弧焊接等，焊接质量和工艺得到了全面提升。

3)激光数控焊接。除等离子焊接技术外，利用能量集中的高密度激光束进行焊接也成为了21世纪兴起的一项高效焊接技术，我国的激光焊接技术及设备在国际上具有很强的影响力。激光焊接是利用激光束的持续作用将激光照射点的金属熔化，熔化深度与激光能量和照射时间直接相关，通常情况下，焊接用激光束的功率在104～107 W·cm-2范围，能够适应不同材料、不同厚度的金属焊接需求。

激光焊接的流程为激光辐射→热传导→表面热熔→深层热熔→激光束延焊缝移动→焊接完成冷却。现阶段应用的激光数控焊接技术包括均匀热传导焊接、脉冲式热传导焊接、深溶焊接等，激光焊接具有效率高，焊缝均匀且强度高，激光焊接过程多配套惰性气体保护，能更好地保证焊接质量和金属零件性能。激光数控焊机工作状态如图1(a)所示，焊缝状态如图1(b)所示。

图1 激光数控焊机及焊缝效果

4)电阻焊接机床。电阻焊是利用大电流流经焊接件，在焊缝接触位置因接触电阻产生高温而使金属熔化，当焊缝位置接触面的金属融化到适当程度后，对其施加一定压力，使两零件实现结合。电阻焊在工业制造业、汽车制造业应用广泛，能够实现点焊、缝焊、对接焊等多种加工要求，且电阻升温效率快，能有效提高生产效率，尤其应用于点焊时，具有高效优质的特点。对于对接焊，由于电阻发热可能存在不均匀，通常用于对接焊要求不高的场合。

5)液压摩擦焊机床。液压摩擦焊与对接电阻焊的焊接过程类似，不同的是摩擦焊是将一个零件高速旋转后向另一个零件靠近，焊接面接触后由于摩擦力的作用迅速产生高温，使焊接表面的金属热熔后，通过液压系统加压，使两零件结合，多用于轴类零件的加工。与传统焊接技术相比，摩擦焊对于轴类零件的焊接质量更高，尤其是接缝处结合良好，可达到与基体材料一致的强度，焊接质量稳定，精度高，环境污染小，且可用于不同材料的焊接。液压摩擦焊机床如图2(a)所示，焊缝效果如图2(b)所示。

图2 液压摩擦焊机床及焊缝效果

3 现代焊接技术的应用与发展

现代焊接技术除在焊接工艺上进行革新与提升外，必须具备良好的自动化和智能化程度，随着焊接技术向无损化、无耗材、低污染发展的同时，焊接的质量、精确性受到焊接设备自动化程度的影响很大。从现阶段我国工业生产中使用的自动焊接设备来看，大部分采用简单的数字化控制技术，主要通过在指定的生产工位上预设焊接手臂或平台的工作步骤和工作位置，由系统按照预设程序控制机器人一步步完成焊接操作，易受到环境变化、累积误差、零件加工误差的影响而降低焊接质量。因此，未来要进一步提升焊接的自动化程度和智能化程度，还应对更先进的自动焊接技术加强应用，如应用电弧传感器、计算机视觉传感器或修正焊缝位置，不同焊接形式的实用性对比如表1所示。

表1 不同焊接形式的实用性对比

4 结语

综上所述，我国现阶段工业生产过程中应用的焊接技术种类繁多，焊接设备也逐渐向自动化、数控化的方向转型，但随着信息时代、网络化时代的到来，焊接自动化也应在单一功能的编程数控焊基础上向智能化程度更高的诊断、检测、人工智能方向发展，并采用多种焊接技术的组合应用，以提高焊接质量与焊接效率。