焊接制造面临的新挑战

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：搅拌摩擦焊是利用机械工具与被焊材料的摩擦热及锻压力实现材料的固相连接，具有高效、节能、变形小、无冶金缺陷等优点，特别对铝合金等轻金属的焊接，具有熔焊无法比拟的优越性。目前主要用于焊接厚度小于40mm的铝合金，正在开发钛合金、铜合金、结构钢及异种材料的搅拌摩擦焊技术。为了满足大厚度高强度铝合金结构焊接的需求，需要开发焊接锻压力更高的重载装备，开发5轴联动空间曲线搅拌摩擦焊设备、30kN搅

焊接结构是焊接制造的最终产品，我国每年焊接结构的制造总量达数亿吨，焊接结构可能在陆地、海洋及空间等不同复杂承载及服役环境下使用，要求焊接结构的制造成本低廉、可靠耐用，甚至在寿命末端要易于解体、可循环再利用。为此，在焊接结构的设计阶段，就要解决产品全生命周期的一系列设计和制造问题。

据统计，英国6000件记录在案的航空事故中有一半与结构失效有关，其中55%是疲劳损伤破坏，16%因腐蚀所致，而腐蚀又与疲劳失效有密切关系。近年来，虽然在材料与结构设计、制造技术上采取了很多措施，仍不能完全避免疲劳或腐蚀失效的发生，可见实际问题的复杂性。为提高焊接结构的质量和可靠性，还必须提高无损检测与无损评价能力，研究装备及结构在线状态检测与诊断能力，开发和应用新的结构完整性评价技术和寿命预估及延寿技术。

结构钢虽然仍是焊接结构的主体材料，但随着轻合金等新材料在航天航空、高速交通设备、汽车、舰艇与船舶中的广泛应用，迫切需要采用先进的焊接技术和新装备，以满足结构轻量化、高效节能和特殊性能的需求。如军机F-22上钛合金已占结构质量的41%，空客A380每架飞机钛材采购量已达65t。钛合金的重要承力构件需要电子束焊等先进的焊接技术，航空发动机高温部件采用的是单晶或粗晶材料、金属间化合物、陶瓷或金属基复合材料，焊接或连接的质量直接影响结构的可靠性与寿命。

当前我国的焊接技术虽已取得了重大发展，能满足当前制造业的需求，但仍存在很多需要迫切解决的问题，如焊接技术仍过分依赖经验和试验，需要科学的理论和方法指导。焊接操作人员的劳动条件仍相对较差，这在工业发达国家也是如此。为了提高焊接质量和生产率，改善焊工的工作条件，应大力推进焊接自动化和机器人的应用，开发灵巧、智能的焊接机械或自动化焊接设备，采用节能、高效、精密的热切割技术，加速企业的信息化改造，提高焊接自动化、智能化、信息化水平。借助互联网的发展，构建网络化焊接制造系统和云端信息互联互通技术以及跨领域信息资源集成服务平台，推进焊接数字化、网络化、智能化技术在焊接装备、焊接复合制造以及焊接制造全过程的应用，提高我国焊接技术的国际竞争力和影响力。

目前，我国焊接机械化与自动化总体水平较低，平均约为50%，欧美及日本已经达到80%。随着国家产业结构调整和自主创新能力的提高，为实现“中国制造2025”在重点领域的突破，提高高端自动化焊接装备的集成创新能力，扩大高效电弧焊、高能束焊、摩擦焊及多热源复合等先进焊接技术的应用，促进各种焊接方法、工艺和技术的融合创新。在自动化焊接装备和高端焊接材料方面，要引进消化吸收，走自主创新之路，增强核心技术竞争力。未来20年，在航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、国防军工等重点制造领域，机械化、自动化率将从目前的60%提高到80%以上。这就要求焊接行业要大力推进信息化技术在焊接装备、生产工艺和质量管理方面的应用，提高关键焊接装备的自给率，扩大高效电弧焊、激光焊、摩擦焊等先进焊接技术的应用范围。我国焊接制造在取得令人瞩目成绩的同时，也带来了能耗高、材料利用率低和巨大的资源与环境压力。在焊接制造中要坚持贯彻节能、节材的绿色制造理念，大力推进清洁生产，节能减排，将成为焊接结构制造业面临的新挑战。

到2030年，预期的焊接技术进步及对焊接结构制造的影响，主要有以下几方面：

1）电弧焊仍是当前主要的焊接技术。为了提高传统弧焊技术的生产效率，催生了以薄板高速焊、厚板高熔覆率焊和窄间隙焊等高效化弧焊技术的发展。它是在焊接物理、波形控制、数字化控制、传感技术、复合热源和参数精密控制技术的基础上实现的，如结构钢的STT短路过渡焊、TIME焊接法，铝合金的双脉冲焊和等离子弧立焊，薄板冷金属过渡焊及多丝焊等。目前，国内虽有一些研究成果，但在高端设备方面与国外仍有较大的差距。

为了提高弧焊质量和效率，需要开发基于嵌入式数字化操作系统的多电极弧-源系统稳定性控制技术，并具备与机器人等自动化设备的网络接口，实现与信息技术的深度融合。加强多能源耦合技术研究，使焊接电弧特性依焊接对象优化组合。开发窄间隙焊等近净成形气体保护焊技术。减少焊接飞溅、烟尘等的绿色弧焊技术。针对我国重大装备制造需求，研发具有自主知识产权的超精密、超大型弧焊专用装备，满足特殊材料与结构几何的焊接需求，甚至在极端条件下焊接的特殊需求。

2）扩大激光及激光电弧复合焊接技术的应用。激光焊接是以高能激光束作为能量载体，通过激光与材料的相互作用实现材料冶金结合的绿色连接方法。目前，激光焊接主要用于50mm以下结构钢及有色金属合金结构的连接，已成为重大装备制造的关键技术。以聚焦光束直写为手段的微连接技术，焊接尺度在100μm量级，空间分辨率在几十微米尺度范围。在未来20年，光纤激光器的最大功率有望超过100kW，单模光纤激光的最大功率可达到50kW，激光-电弧等复合焊接将得到广泛应用，单道焊接的熔深有望超过100mm，采用窄间隙焊接技术可实现更厚钢板的连接。同时，激光焊接的应用逐渐从传统金属材料向先进金属材料、复合材料、异种材料连接扩展。随着超短脉冲激光技术的快速发展及激光与物质相互作用新效应的不断发现和创新应用，激光焊接技术将成为微/纳制造的新突破点，甚至可在纳米尺度掌控激光能量，实现纳米量级连接，为未来精密机械、微/纳电子、生物、信息、新能源技术的发展提供强有力的支撑手段。

3）推广搅拌摩擦焊技术。搅拌摩擦焊是利用机械工具与被焊材料的摩擦热及锻压力实现材料的固相连接，具有高效、节能、变形小、无冶金缺陷等优点，特别对铝合金等轻金属的焊接，具有熔焊无法比拟的优越性。目前主要用于焊接厚度小于40mm的铝合金，正在开发钛合金、铜合金、结构钢及异种材料的搅拌摩擦焊技术。同时，针对不同的用途，还在开发满足不同需求的搅拌摩擦焊衍生技术，如搅拌摩擦点焊、搅拌摩擦角焊、静轴肩焊、双轴肩焊、塑流摩擦焊等。为了满足大厚度高强度铝合金结构焊接的需求，需要开发焊接锻压力更高的重载装备，开发5轴联动空间曲线搅拌摩擦焊设备、30kN搅拌摩擦焊机器人系统以及超高转速搅拌摩擦焊设备，在重大装备结构制造领域得到普遍应用。

4）开发高端焊接材料，推进焊接自动化。我国年产焊接材料约占世界总产量的一半。目前焊条所占的比例由2005年的80%下降到目前的49%，实心焊丝由10%上升到30%，药芯焊丝从0.3%上升到11%，使我国自动焊焊接材料的比例由2005年的6%上升到目前的11%。同时使焊接材料占钢材消耗比例由2005年的0.94%下降到0.5%左右。焊条比例的下降，说明焊接技术的进步，自动化水平在提高。近年焊接材料的品质已有较大提高，基本上能够满足国内焊接结构制造的需求，例如船用药芯焊丝已部分取代进口，产品性能与国外名牌产品相当。随着以洁净化、细晶化、低碳化、强韧化为特征新钢种的推广应用，以及核电、海洋工程结构、国防军工等高端装备制造的需求，对焊缝金属的成分控制、杂质含量及性能提出了更高的要求，对诸如高强韧钢、耐候钢、耐热钢、特种钢及新型不锈钢等焊接的高端焊接材料需求增加，但是国内对高端焊接材料制造技术缺乏积累，药粉预处理、合金剂纯化、抗潮性等技术基础薄弱，迫切需要加强对高端焊接材料制造关键技术的研发，以满足重大装备结构制造需求的配套焊接材料。掌握低尘、低污染的绿色焊接材料生产技术，并得到实际工程应用。

5）推进焊接制造的信息化与智能化。焊接信息化技术是以焊接基础理论和生产实践经验为基础，对焊接结构的设计、制造装备与工艺、产品质量及其使用寿命进行测量、分析、控制、评估、预测和管理的技术。目前，多种焊接装备与制造过程的在线测控嵌入式系统、焊接材料与工艺数据库、焊接结构CAD、焊接CAPP以及焊接应力与变形数值模拟等得到了越来越多的应用。对大量焊接生产实践经验知识库系统的构建是信息技术实施的基础，在此基础上可形成焊接参数传感与特征识别、在线评定与决策能力，网络支持的焊接装备信息通信与协调能力，焊接全过程模拟和基于结构性能仿真的优化设计能力，以机器人焊接为代表的焊接过程自适应、自规划的智能制造能力。今后将继续扩大嵌入式软件的开发和应用，提高焊接自动化水平和效率，实现焊接结构设计、工艺、产品质量与性能的精量化控制和具有人工智能的现代焊接装备，提高数值模拟的工程效率和可靠性，推广基于网络和云计算的焊接虚拟制造技术。

焊接制造面临的新挑战

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