当前焊接技术新发展的若干方面 及我国船舶焊接技术现状与展望

1、当前焊接技术新发展的若干方面及我国船舶焊接技术现状与展望上海船舶工艺研究所 陈家本 研究员一、前言二、当前焊接技术新发展的若干方面2.1、提高焊接生产率是推动焊接技术发展的重要驱动力2.2、提高准备车间的机械化、自动化水平是当前世界先进工业国家重点发展方向2.3、焊接过程自动化、智能化是提高焊接质量稳定性，解决恶劣劳动条件的重要方向2.4、新兴工业的发展不断推动焊接技术前进2.5、热源的研究开发是推动焊接工艺发展的根本动力2.6、节能技术是焊接领域中普遍关切的问题2.7、弧焊机器人是焊接技术的新动向三、我国造船焊接技术现状与展望四、结束语一、前言金属焊接是指通过适当的手段，使两个分离的金属物体

2、（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连接成一体的连接方法。焊接也是一门既古老又新颖的技术，在各种产品制造工业中，焊接是一种十分重要的加工工艺。据工业发达国家统计，每年仅需要进行焊接加工之后使用的钢材就占钢总产量的50%左右。随着我国改革开放政策的实施，焊接结构的应用也有较大增长，到上世纪末我国焊接结构产量已达钢产量的35%以上。焊接技术已广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、机车车辆、石油化工、航天、航空技术、原子能发电、电子技术及钢结构建筑等部门。随着现代科学的蓬勃发展，焊接技术也随之不断进步，仅以新型焊接方法而言，到目前为止已达几十种之多，按其分类也有三种分类法（族系法、

3、一元座表法、二元座表法）。焊接方法的选用合理能保证焊接产品的质量优良可靠、生产效率高、成本费用低、能获得较好的经济效益。本文主要想简要介绍当前焊接技术新发展的若干方面以供关心焊接领域的技术人员、管理人员、焊接专业的学生和焊接产业的企业领导及市场策划者们参考。有不正之处，不胜指正。一、 当前焊接技术新发展的若干方面2.1、提高焊接生产率是推动焊接技术发展的重要驱动力；提高焊接生产率的途径有二条，一条是提高焊接熔敷率，如手工焊中的铁粉焊条、重力焊条、躺焊条、埋弧焊中的多丝焊、热丝焊等均属此类，其效果显著。例如三丝埋弧焊其工艺参数分别为2200A×33V、1400A×40V、11

4、00A×45V, 背面用衬垫可焊接30-50毫米钢板一次焊透成型，焊速达到0.4米/分以上其熔敷效率与手工焊相比在几10倍以上。第二条途径是减少坡口断面及熔敷金属量，近十年来最突出的成就是窄间隙焊接，无论接头厚度如何，均可采用对接形式，例如钢板厚度由50-300毫米间隙均可设计为13毫米左右，因而所需熔敷金属量成数倍或数十倍地降低，从而大大提高了焊接生产率。窄间隙焊接的主要关键是如何保证两侧熔透和保证电弧中心自动跟踪，处于坡口中心线上。为解决这二个问题世界各国开发出多种不同方案，因而出现了种类多样的窄间隙焊接法(如日立MIG 窄间隙法、窄间隙D 法、窄间隙K 法、窄间隙埋弧焊法、窄间

5、隙电渣焊法等 。电子束焊、等离子焊及激光焊时可采用对接接头且不用开坡口，因此是更理想的窄间隙焊接法，尤其是激光焊接在国际上美、日、英、德、前苏联等国进行了大量的研究，已成功地应用于航空、航天、电子、仪表、电器、机械和造船等工业领域，在航空航天工业中，有很多零件用激光焊接取代电子束焊接。激光焊接有如下特点：（1） 焊接时熔化迅速，结晶速度比一般熔焊快10-100倍，因此其热影响区极小。（2） 激光可聚焦到直径1以下的光斑，因此可以对微型器件进行焊接，焊点极小。（3） 由于激光能量密度达10W 9/cm2以上，使焊点金属熔化并有一部分气化，由于杂质吸收光能的效率高，所以首先气化后逸出，从而使焊缝中

6、的杂质含量减少，纯化焊缝金属，据测定焊缝的冲击韧性系数比母材高46%，这在质量上是一个突破。（4） 激光焊点组织细小其抗裂性能好，抗疲劳性能极好。（5） 激光焊接不仅可代替电弧焊和电阻焊而且还可代替电子束焊。激光焊接没有电子束焊那样会产生X 射线的危险易于控制便于实现自动化焊接。激光焊接在我国已有近20年的应用历史其主要应用在微电机定子的激光焊接相对于铆接旧工艺可提高生产效率4-5倍，还有心脏起搏器、锂电池、人工喉管、打印机的打印头、高精密齿轮传动部件的激光焊接、航空膜合的激光焊接，华中理工大学曾研制成功罐头听盒激光焊接流水线，解决了以前用锡焊（含铅）罐头不能外销的难题，投产后每年可为国家赚取

7、外汇几百万美元。另外众所周知CO 2气体保护焊这一焊接工艺，我们比较熟悉气体保护焊中的短路过渡，颗粒过渡及喷射过渡的熔滴过渡形式，而且在生产中也广泛应用，而近年来国外在比射流过渡更大的电流，更快的送丝速度下出现的旋转过渡进行大量的研究。目前正在欧洲研究盛行所谓“TIME”气体保护焊方法，就是采用He 、Ar 、Co 2、O 2、四种气体合成，例如LINDE 公司开发的一种叫CORGON He30气体其成分如表1所示。表1、 气体种类 CO 2 O 2CORGON He3030 60 10这种气体比普通的Ae+ CO2混合气仅贵30-50%但焊接的效率可增加50-100%，而且这种气体氧化性低，

8、焊缝金属的含氧量低，冲击韧性有明显提高，目前欧洲有几十家工厂在使用CORGON He30气体作高速焊接，送丝48米/分，焊接电流达600A 。日本神户制钢与日本钢管（NKK ）公司合作研制了旋转电弧过渡焊机器人焊接。我国也有部分高等院校及科研单位对旋转电弧过渡进行了研究，但由于气体制造技术及送丝系统质量制约，在这方面研究没有大的进展。2、提高制造车间的机械化、自动化水平是当前世界先进工业制造重点发展方向； 为了提高焊接结构生产效率和质量，仅仅从焊接工艺着手有一定局限性。因此世界各国都特别重视制造车间的技术改造，主要工序包括以下几个流程。 材料运输材料表面去锈、喷砂、涂装底漆钢板划线、切割、开坡

9、口部件组装及点固、焊接产品。以上五道工序在现代化的工厂中均全部实现机械化、自动化。其优点不仅在于提高生产效率，更重要的是提高产品质量，80年代中期以来在美国又掀起了精良生产（Lean Production）和敏捷制造（Agile Manufacturing）的热潮，美国人认为：日本丰田公司首创的精良生产方式将会真正改变世界的生产和经济形势。对人类社会产生深远的影响；敏捷制造将使美国重新恢复其在制造业中的领导地位。精良生产的含义和由来是在上世纪50年代日本丰田汽车公司根据当时日本的实际情况和需要所创造的一种新的生产方式。它既不同于欧洲的单件生产方式，也不同于美国的大批量生产方式，而是综合了二者的

10、优点，使工厂的工人、设备设置、厂房以及开发新产品的时间等一切投入都大为减少，而生产出的产品品种和质量却更好、更多。丰田公司得益于这种生产方式被认为世界上效率最高、品质最佳的汽车制造企业。精良生产有人也称之谓无故障生产，适用于现代制造企业的组织管理方法，它有三大特点；A、 强调人的作用和以“人“为中心； 工人是企业的主人，在精良生产中，生产线上的每一个工人在生产出现故障时都有权拉铃，让这个工区的生产停下了，并立即与小组人员一起查找故障原因，做出决策、消除故障，从这一点可以看出生产工人是企业的主人，在生产中享有充分的自主权。 企业把雇员看作比机器更为重要的固定资产，所有工作人员都是企业的终身雇员，

11、不能随意淘汰。 职工是多面手，其创造性得到充分发挥，在精良生产中通过培训等多种方式创造条件，使职工学会作业组的所有工作，从产品加工、设备保养维修、直到材料订购。职工在这种条件和情况下工作必然会充分发挥作用。B、 以“简化“为手段排除生产中的一切不产生价值的工作 简化组织机构和产品开发过程，精良的产品开发是精良生产的先决条件，所以在产品开发中采用并行开发方法。减少了开发所需要时间和力量投入，同时工人以生产小组的形式参加全部生产活动也简化了组织机构。 简化与协作厂的关系，总装厂协作厂之间不再是以价格谈判为基础的委托和被委托关系，而是总装厂和协作厂采用一个确定成本、价格和利润的合理框架，通过共同的成

12、本分析，研究如何共同得益。 简化生产过程减少非生产性费用，在精良生产中凡不直接为产品增值的环节和工作岗位都被看成是浪费，因此，精良生产企业采用了准时制生产方式，没有中间库，不停地流动着无阻力地生产流程。 简化产品检验环节，强调一体化的质量保证。生产小组是质量保证的基础小组成员对故障的快速和直接处理是生产原则，不仅简化了产品检验，保证了产品的高质量，而且节省了费用。C 、 不断改进“以尽善尽美”为最终目标精良生产把“尽善尽美”作为不懈追求的目标，即持续不断地改进生产，不断降低成本，力争无废品、零库存和产品品种多样化。当然，这样的理想境界实际是可望不可及的，但对目标永无止尽的追求和不断改进的结果会

13、使企业发生惊人的变化。从以上三大特点不难看出，精良生产不仅是一种生产方式，而更主要的是一种适用于现代化制造企业的组织管理方法。它有极强的生命力，受到制造企业的青睐。衡量21世纪竞争优势的准则在于企业对市场反应的速度和满足用户要求的能力。然而要提高这种速度和能力，仍采用静态不变的组织结构是万万不行的。敏捷制造，其含义有四个方面：、 是改变传统的大批量生产的一种方法；、 是利用人的智能和信息技术来改进生产过程；、 是将同一公司不同部门以及不同公司的生产过程，迅速集成为一个系统的组织方式来实现生产过程的改造。、 是迅速改变消费者或市场需求的快速反应。敏捷制造的由来：1991年美国提出要为重振其制造业

14、的竞争力，提高美国在世界事务中的威望，以及强大的国防态势，于是美国的里海大学亚科研究所研制出一种新的制造模式，这就是敏捷制造。它得到美国国会政府、国防部以及工业界和学术团体的支持，国防部出资500万美元支持组建敏捷制造企业论坛，投资1500万美元支持敏捷制造实验项目。敏捷制造的特点： 、 敏捷制造企业不仅能迅速设计，试制全新的产品，而且还能不断改造老产品；它是采用先进制造技术和高柔性可重组的工艺设备。、 敏捷制造企业能在整个产品寿命周期中满足用户要求：a 、 快速响应用户要求，开发生产符合用户要求的产品；b 、 产品出售前逐件检查，用户可获得可靠性最高的产品；c 、 不断改进老产品、延长产品寿

15、命、降低产品成本；d、 使用户在产品整个寿命周期内都对所购买的产品充满信心。 敏捷制造企业的生产成本与生产批量无关，其战略着眼点在于长期获取经济效益。敏捷制造企业采用多变的动态组织结构，形成一个单一的经营实体即虚拟公司，这种虚拟公司实质就是高度灵活的组织。它既可以是企业和供货商，用户组成的专业项目组，也可以是互相竞争公司组成的某一产品项目的临时组织机构，一旦所承接或项目完成，这种动态的组织形式可以改变过去金字塔式的等级管理。 敏捷制造企业把最大限度地调动，发挥人的作用作为强有力的竞争战略武器。极为注意充分发挥人的主动性和创造性积极鼓励员工自己定向，自己组织和管理项目而不命令他们做这、做那并且还

16、通过对员工的不断教育来提高员工的素质和创造能力，从而赢得竞争。3、焊接过程自动化智能化是提高焊接质量稳定性，解决恶劣劳动条件的重要方向；由于焊接质量要求严格，而劳动条件往往较差，因而自动化智能化受到特别重视。机器人的出现迅速得到焊接工业界热烈响应。目前全世界机器人有50%以上用在焊接技术上。在刚开始时多用于汽车工业中的点焊流水线上，近几年来已拓展到弧焊领域。焊接机器人虽然是一个高度自动化的装备，但从自动控制的角度来看，它仍是一个程序控制的开环控制系统。因而它不可能根据焊接时具体情况而进行适时调节。为此智能焊接成为当前焊接界重视的中心。智能焊接的第一发展重点在视觉系统。目前已开发出的视觉系统可使

17、机器人根据焊接中具体情况自动修改焊炬运动轨迹，有的还能根据坡口尺寸适时地调节工艺。然而总的来说，智能化仅仅处在初级阶段，这方面的发展将是一个长期的任务。美国林肯公司在1994年在北京埃森国际焊接展览会上推出一种全新的气电焊电源被称为STT 电源，在展台上不提供样本和说明书仅进行示范表演。它是一种“表面张力过渡电源”通过波形控制即使采用纯CO 2气体焊接也几乎无飞溅的完美焊接过程。这一电源是从研究焊接电弧物理过程着手开发出来的人工智能化产品。它有CC 型和CV 型二种模式。其原理的通俗解释是把焊接过程中电弧开始燃烧到熔滴滴入熔池的全过程分成7个阶段，在这七个阶段中，焊接电源是根据瞬时电弧的要求以

18、微秒级速度变化。例如电弧开始燃烧时的电流（通称瞬时基准电流）为220A ，到熔滴开始与熔池接触时的瞬时电流已降到仅10A ，在过渡过程中，熔滴始终维持着“湿润”具有表面张力，然后安全平稳地进入熔池，不出现熔滴爆炸现象。按此制成的STT 电源对焊接速度和焊丝伸出长度等无严格要求因此特别适用于半自动焊接。由于它可克服CO 2焊接时出现的许多不利因素，如焊丝过热、飞溅、热辐射大、大量金属蒸汽和烟雾，焊接咬边和堆高等缺点，因此十分适用于在弧焊机器人上适用。至于在焊接过程中如何进行数据采样及如何处理，可能是通过新一代的模糊控制技术和神经网络系统等新人工智能技术来解决。4、新兴工业的发展不断推动焊接技术前

19、进焊接技术自发明至今已有百余年历史，它几乎可解决当前工业中一切重要产品生产制造的需要，如航空、航天及核工业中的重要产品等，但是新兴工业的发展仍然迫使焊接技术不断前进，以满足其需要。例如，微电子工业的发展促进了微型连接工艺和设备的发展，又如陶瓷材料和复合材料的发展促进了真空钎焊、真空扩散焊、喷涂以及粘结工艺的发展，使它们获得更大的生命力走上一个新台阶。5、热源的研究与开发是推动焊接工艺发展的根本动力；焊接工艺几乎运用了世界上一切可以利用的热源，其中包括：火焰、电弧、电阻、超声、摩擦、等离子、电子束、激光束、微波等等。历史上每一种焊接热源的出现都伴随着新的焊接工艺出现，但是，至今焊接热源的研究与开

20、发并未终止。新的发展可概括为两方面，一方面是对现有热源的改善，使之更为有效、方便、经济、适用。在这方面电子束特别是激光束焊接的发展比较显著。另一方面则是开发更好更有效的热源。例如近来的不少研究工作者采用二种热源叠加，以求获得更强的能量密度，如在等离子束中加激光，在电弧中加激光等热源的研究与开发。6、节能技术是焊接领域中普遍关切的问题；节能技术在焊接工业中也是重要方面之一，众所周知焊接能源消耗甚大，以手工焊为例，每台约20KV A 、埋弧焊机每台约60KV A 电阻焊机则可高达上千KV A. 不少新技术的出现就是为了这一节能目标。在电阻焊中，利用电子技术的发展，将交流点焊改为次级整流点焊，可以大

21、大提高焊机的功率因素，减少焊机容量，1000KV A 的点焊机可降低至200KV A 而仍能达到同样的焊接效果。近几年来逆变焊机的出现是另一个成功的例子。当然，逆变焊机不仅可以节约电能，提高功率因素，更重要的是它能大幅度减少焊机体积及重量。见表2所示弧焊逆变器与传统式弧焊电源的主要技术指标比较。表2、 弧焊逆变器与传统式弧焊电源主要技术指标比较 弧焊电源类型 电源电压（V ） 空载电压（V ） 输出电流（A ）负载持续率 %50 效率 % 功率 因素 重量 Kg 尺 寸 （mm ） 弧焊发电机弧焊整流器ZXG7-300-1晶闸管弧焊逆变器CAAYWELD-350晶体管弧焊逆变器US220AT场

22、效应管弧焊逆变器LUA400 195×600×992410×600×790570×265×410220 220 3×380 空载3 负载55 250×550×365 7、弧焊机器人是焊接技术改造的新方向：在工业生产中采用焊接机器人已经成为当前焊接技术改造的一个新特征。但就我国的综合情况，我们发展焊接机器人系统的工业应用可能与外国所走过的道路不尽相同。当前，全世界共有53万台各类机器人（91年底统计数据），其中日本约占61%、美国8.5%、德国6.5%、意大利3%、法国2%、英国1.5%。西方工业发达国家都

23、是从应用简单的点焊机器人开始，随后逐步开始采用技术比较复杂的连续轨迹控制的弧焊机器人。而我国在发展焊接机器人应用技术预计会出现弧焊机器人与点焊机器人“并驾齐驱”的局面，甚至可能很快出现弧焊机器人以稍为领先的势态发展。焊接机器人是一种先进的自动化焊接装备，必须要有配套的“外围设备”才能使机器人发挥最大的效能。我国天津自行车二厂由于应用了国内自行设计的CO 2焊接机器人平均每90秒完成一个车架，每台焊接机器人每年可焊接约10万辆车架，而且焊缝外观大为改善、质量稳定、返修率低，而且节省了劳动力及材料，全部投资约2.5年内就可回收，因此这是一个很成功的应用实例，是属于低成本自动化的范畴。另外山东推土机

24、总厂应用了由哈尔滨焊接研究所设计的推土机台车架弧焊机器人，它已应用于实际生产。我国焊接机器人的研究起步较晚，1985年哈尔滨工业大学研制成功了我国第一台弧焊机器人和点焊机器人，目前我国现有的焊接机器人基本上是进口的，主要用于汽车制造业。而著名的瑞典伊萨公司在70年代中期就开发了机器人焊接及自动切割系统，并和早期发展的自动埋弧焊接及其他自动焊接设备同步进行。包括从小批量生产用焊接机械手以至要求更高、更复杂的弧焊机器人，焊接电脑程式设计等发展更是非常迅速。其生产的IRB6型焊接机器人是世界上各厂用户争相应用的机器。日本大阪变压器株式会社生产的多关接焊接机器人也在各工业领域中广泛应用。总之，通过以上

25、若干方面的介绍可见焊接技术仍在不断生气勃勃地发展之中，在此仅供参考使大家略微了解一些当前五花八门的焊接新工艺、新材料、新设备。三、我国造船焊接技术现状与展望2010年是中国船舶工业实现“十一五”规划目标的收官之年，也是应对国际金融危机，谋划“十二五”发展的关键之年。在这一年中我国船舶工业在国家一些列政策及船舶工业调整与振兴规划的指导下，直面危机、坚定信心、振奋精神、抓住机遇、攻坚克难，继续保持健康快速发展态势。呈现出各项经济指标平稳增长，国际市场份额继续扩大，造船完工量再创历史新高，2010年全国造船完工量达6560万载重吨，同比增长54。6%，手持定单起稳回升，船舶撤单基本控制等较好局面。总

26、之船舶工业发展速度前所未有，站到了新的更高的历史起点上。船舶工业高效焊接技术指导组在上级集团公司的正确领导下20多年来坚决贯彻执行统筹规划、分类指导、整体推进的方针，大力推广高效、节能、环保的焊接新工艺、新设备、新材料。近年来在各船厂企业的共同努力下涌现了一大批新的可喜成果。（1）、例如：具有自主知识创新技术的项目有船用高强钢厚板焊接专用抗裂药芯焊丝的研发、鉴定及批量生产，填补了国产高强钢厚板焊接专用焊接材料的空白；有全面推广与应用单丝、双丝等船用气电垂直焊机，该机已在国内船厂的占有率达100%，成为船厂一项拳头的知名焊接技术及装备；有国产大型平面分段装焊流水线的投入应用，实现了大型自动化焊接

27、技术国产化的新局面；有数字化逆变焊机在船舶制造中逐步成为船舶焊接技术数字化的重要装备；又有一些高附加值及海洋工程的焊接技术得到了掌握。在这中间中船龙穴造船有限公司的高效、环保焊接方面表现尤为突出。为了提升焊接技术水平中船龙穴造船有限公司秉承高效、高质、节能、环保的焊接作业为宗旨，结合新产品的开发，研究应用焊接新工艺、新技术、新材料，努力提高焊接作业机械化、自动化水平，该厂的主打产品为30.8万吨超大型油船、23万吨超大型矿砂船及8.2万吨散货船，这些都属于大型或超大型船舶，所用钢板的厚度大多集中在16-36mm ，又鉴于目前我国船厂焊接施工人员的流动性大，整体技能水平不高的情况下龙穴造船有限公

28、司开展了大力推广焊接机械化、自动化，同时这也是提高焊接质量的最好有效手段。该厂大量采用二氧化碳半自动焊接技术的基础上又推进了三丝埋弧焊设备，对厚度为15-36mm 的钢板能一次焊接成型. 质量好,效率高. 实现了拼板装焊流水线, 船台大合拢采用垂直气电单丝或双丝自动焊. 目前龙穴造船有限公司的焊接自动化率已达25%以上. 在此基础上龙穴造船有限公司还不断通过跨行业合作, 产学研合作等方式, 对焊接新工艺、新设备进行研发, 尤其是在节能减排方面逐步淘汰高能耗的焊接设备, 该公司已实现全部用逆变手工焊机替代了晶闸管手工焊机, 同时又研制了绿色、环保的等离子气刨机来替代碳弧气刨作业, 达到了控制碳粉的产生和有害气体的排放, 实现了低成本、绿色环保的目的。该公司还研制成功了双丝二氧化碳横向自动焊接工艺及装备、双丝摆动垂直气电自动焊等技术。目前又在中国船舶工业高效焊接技术指导组的倡导下成立攻关组正在试验研究采用无镀铜的实心焊丝来替代药芯焊丝的新焊接工艺与设备的配套与推广应用，如果这项技术一旦成功，这将对我国造船焊接技术开创了新的局面，预计其经济效益和社