现代科技引领焊接设备和技术的发展

一、概述 据焊接技术发达国家的专家们预测,到 2020 年,焊接仍将是金属加工和制造业的重要加工工艺。它是一种精确、可靠、低成本且采用高科技永久 性连接材料的方法。目前为止,还没有其他方法能够比焊接更为广泛、可靠地应用于金属连接,并对所焊的产品增加更大的附加值。据测:世界上有一半的金属制品是靠焊接来完成的。现有一个共同的标准,每亿吨钢材需 25 万台焊机。就我国而言,2004 年钢产量达 2.6 亿 t,从国外进口3300 万 t,由此可以算出将需要近 75 万台各类焊机。可见,焊机在现代工业中有着多么重要的地位。 从焊接设备的发展来看是缓慢的,可以说是水平前进的,特别是具有革命性的突破,更是没有。从焊 接能源的种类来看,目前仍停留在气体、机械、电能、光、声、等离子及太阳能等方面。新能源的 发现和划时代的新型焊机还有待全世界焊接界的努力奋斗。尽管如此,在焊接设备领域,产品的技 术水平和品种还是有了可喜的发展,如在焊接电源中由于逆变技术的应用和纳米晶材料的应用,使 焊接电源发生了巨大变化,焊接性能有了极大的提高,在节能和省材方面都有目共睹,高科技、高效率和高品质正引领着焊接设备和技术的发展。二、焊接设备的发展 1 .纳米晶材料在焊机中的应用 近年来,由于逆变焊机技术的日臻完善,工作频率越来越高,对焊机心脏的主变压器的要求就越来越 高,传统的铁芯材料硅钢由于损耗太大已不能满足要求了;铁氧体也因其热稳定性差,易饱和,工作状态不稳定也不适合高频大功率下使用。而20 世纪 80 年代末期发展的铁基超微晶材料,具有优良的综合磁性能,集硅钢、铁氧体的优点于一身,即高磁感 、高磁导率、低损耗及优异的温度稳定性,使其迅速成为逆变电源变压器铁芯的最佳选择,特别是在高频大功率变压器上的应用更出色。非晶材料是采用冷却速度为 1 × 106℃/s 的超急冷凝固技术,将熔融的钢液一次成形为厚度30 μ m 的合金薄带。由于超急冷凝固,金属来不及结晶,合金中没有晶柱和晶界,因此被称为非晶合金。这 种材料除上述优点外,还有高强度、高硬度、耐磨性、良好的韧性和耐蚀性、高电阻率。由于它的应用,使逆变焊机的发展有了很大的飞跃,可靠性有了保证。2.　逆变焊机的快速发展 逆变焊机在 90 年代初,我国一些厂家由于对逆变焊机的认识不足,盲目上马,结果故障率高,市场毁誉,厂家受损之后纷纷退出。90 年代后期,认识有了进步,再加电力电子技术、控制技术、元器件及磁性元件的长足进步,可靠性问 题基本解决,得到市场的认可,近几年有了惊人的发展。过去被称为“明天的电源”已迅速成为“今天的焊机”。(1)器件质量提高是可靠性的保证　　　功率开关器件内晶闸管 GTR、MOS 发展到 IGBT 管具有电压型控制和饱和压降低的极大优越性;另一原因是变压器心脏,磁心材料由铁氧体发展到超微晶材料(纳米材料),使其具有饱和磁感应强度高、温度稳定性好和居里点高等特点。 (2)设计成熟是可靠性的根本　　　采用谐振技术、软开关技术和无损耗吸收网络设计等,降低了 功率器件的开关损耗。焊机的电磁兼容设计,为抑制谐波,采用绿色设计,如有源滤波和有源功率因数校正技术,为抑制射频干扰,而采用软开关逆变技术(电磁干扰滤波)。(3)大功率逆变技术的应用使焊机输出电流迅速增大　　　　　在以前,由于功率元件的限制,逆变焊机的输出电 近年来,国际上焊机数字化已成为热门,知名厂家流一般都在 300A 以下。近年来,随着大功率逆变技术的 纷纷投入人力、财力,研制或在原焊机基础上采用这一应用,现已有几家公司展出了1000A、1250A 和 1500A 技术,出现了以 DSP 为代表的数字控制焊机(数据微机的 IGBT 逆变弧焊机,负载持续为 100%,主要用于单丝、 处理)。这种焊机利用 DSP 功能,对给定信号流、参数反双丝埋弧焊。其中硬开关型的效率可达 8 0 %;而软开关 馈信号流和网压信号流作综合处理与运算,实现参数输型可达 92%。在手弧焊机和空气等离子切割机上,已有 出的高精度控制,达到焊接电流的数字化、信息化和柔630A 级的手工弧焊机和 250A 级的切割机。 性化控制。 (4)逆变技术在各类焊机上的应用　　　　逆变技术最早 目前,国内数字化焊机仍处在研发阶段,也有少数用于手工弧焊,晶闸管逆变焊机的问世最早。近年来,逆 厂家开始展出,进入市场,如唐山松下、北京时代、珠变技术成熟地应用于气保焊、氩弧焊、埋弧焊、电阻焊 海雅各臣及上海通德机电公司等。和空气等离子切割机,现已扩大到等离子弧焊、喷涂、激 4 .变极性焊接电源光、机器人、多丝高速焊和大功率焊,可以说几乎涵盖 变极性焊接电源是近 10 年发展起来的一种代替正弦了所有的焊机。 波交流和方波交流焊机来焊接铝合金的新型焊机,是一 (5)逆变式高速焊机已进入市场　　　　据悉,国际上奥 种电流频率、正负半波电流值和时间比可以分别独立调地利、德国、法国已有小批量逆变式双丝、三丝高速焊 节的方波交流电源。其输出为交流矩形波,电流过零极设备进入市场。国内这类双丝自动焊(双丝同一导电阻) 快,因此,电弧稳定性得到大大改善。在保证阴极清理设备技术开发已得到初步成功,开始进入市场,双丝 作用的前提下,可以最大限度地减少钨极烧损。由于它MIG 脉冲焊设备正进入实质性研发阶段,并已有阶段性 也是一种脉冲型电源,其脉冲电弧对熔池有很强的搅拌成果。 作用,因而可减少和抑制气孔的产生。其主要优点如下: 3 .数字化和全数字化焊机的兴起 (1)正负极性半波电流值和通电时间均可独立调节, 近年来,在国内电焊机行业中有一个常被人们提到 可按不同材料、不同焊件形状选择最佳规范。的热点,即数字化焊机,现越来越多地出现在焊接类的 (2)　电流调节范围大,可以从 0.1￣200A,也可方便相关技术刊物上,也引起了人们的关注与讨论。从技术 组成 400A、600A 的焊接电源。角度来看,数字化焊机包括实现焊接参数设置的“数字 (3)　直接输出精确稳定,波峰脉动率< 0.5%,电流化焊接参数控制器”技术和实现对电源主回路功率器件 设定值漂移< 1 % 。进行直接控制的“数字化电源功率变换控制器”技术。前 (4)　在正极性方波上可再叠加附加脉冲,进一步压者是对焊接参数的数字化设定;后者是对电源外特性的 缩电弧并搅拌熔池,细化焊缝晶粒。控制。而全数字化则是同时采用以上两种数字化控制技 (5)　控制回路信号频率>10kHz,能快速响应电流术的焊机。成功的数字化焊机应是数字技术与焊接技术 指令。方波上升和下降时间<1 μ s,上升至峰值时无超的完美结合,在此类焊机中数字化脉冲 MIG 焊机最能体 量或不足。现其优点,也最受市场认可。　但数字化 MIG/CO 、TIG 焊 (6)　计算机控制,起弧用脉冲,能有效阻止信号线 2机的市场反映却不大。 上的电磁波干扰。目前,这类焊机主要用于 TIG 焊、等 数字化焊机就是利用数字信号处理器和微机具有的 离子焊、铝及铝合金。国外更多用于等离子焊,如果用数值计算、数值分析和实时控制的三个基本功能,来解 在航空、航天领域,一次性焊接厚度可达 1 6 m m ,焊接决焊接电源设备的自身问题,提升其功能与性能,以满 质量非常好。足先进制造技术的需求。 目前国内的变极性焊机还处在研究、开发和推广阶 在国外,20 世纪 90 年代,奥地利 Fronins 公司推出 段,已有少数厂家推出产品,如上海金通公司 LHME —了全数字化焊机。近年来,德国 E W M 、芬兰肯比公司、 315 型 IGBT 双重逆变式变极性等离子弧焊机,据称是我日本松下及OTC 公司都相继推出了相应的产品,在国外 国第一代国产此类电源。目前,该焊机经试用、改进,已焊接展览会上,已有大量这类焊机出现在展台上。 基本成熟。 三、高效焊接设备成为研究重点 的一种新型固相连接方法,同年 12 月在世界范围内申请 高效化焊接是与焊接设备的机械化和自动化水平相 了专利保护。这项发明引起世界焊接界的广泛关注,现关的,在 20 世纪 80 年代我国主要以手工焊为主,故当 已广泛应用在航天航空、船舶、铁路及汽车等工业。可时的高效焊主要体现在重力焊、铁粉焊条和双焊条;90 焊接材料为:铜、铜合金、铅、锌、钛及合金、镁合金年代初,由于自动化与机械化水平有所提高,故开始出 及低碳钢等。现和采用双丝埋弧焊、窄间隙焊。90 年代中后期随着汽 焊接设备的结构是机械装置加一个特殊而简单的搅拌车、造船、集装箱以及大型结构件制造业的发展,使焊 头构成。因为搅拌摩擦焊产生的热量使被焊金属仅仅达到机的自动化水平日益提高,因此提高焊机速度,实现高 塑性状态,而未达到熔点,故属于固相连接技术。它可以效化焊接就成为今天人们研究的又一重点。 焊一些传统焊接方法不易焊的金

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