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焊接自動化

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焊接：被焊工件的材質（同種或者異種），通過加熱、加壓，或兩者並用，用或不用填充材料，使工件的材質達到原子間結合而形成永久性連接的工藝過程。焊接應用廣泛，既可用於金屬，也可用於非金屬。

基本內容

中文名：焊接自動化

應用：用於金屬，也可用於非金屬

戰國時期：加熱鍛焊

通過：加熱、加壓、兩者並用

發展歷史

古代技術

焊接技術是隨着金屬的應用而出現的，古代的焊接方法主要是中國商朝製造的鐵刃銅鉞，就是鐵與銅的鑄焊件，其表面銅與鐵的熔合線蜿蜒曲折，接合良好。春秋戰國時期曾侯乙墓中的建鼓銅座上有許多盤龍，是分段釺焊連接而成的。經分析，所用的與現代軟釺料成分相近。

戰國時期製造的刀劍，刀刃為鋼，刀背為熟鐵，一般是經過加熱鍛焊而成的。據明朝宋應星所著《天工開物》一書記載：中國古代將銅和鐵一起入爐加熱，經鍛打製造刀、斧；用黃泥或篩細的陳久壁土撒在接口上，分段煅焊大型船錨。中世紀，在敘利亞大馬士革也曾用鍛焊製造兵器。

古代焊接技術長期停留在鑄焊、鍛焊和釺焊的水平上，使用的熱源都是爐火，溫度低、能量不集中，無法用於大截面、長焊縫工件的焊接，只能用以製作裝飾品、簡單的工具和武器。

近代技術

19世紀初，英國的戴維斯發現電弧和氧乙炔焰兩種能局部熔化金屬的高溫熱源；1885～1887年,俄國的別納爾多斯發明碳極電弧焊鉗；1900年又出現了鋁熱焊。

20世紀初，碳極電弧焊和氣焊得到應用，同時還出現了薄藥皮焊條電弧焊，電弧比較穩定，焊接熔池受到熔渣保護，焊接質量得到提高，使手工電弧焊進入實用階段，電弧焊從20年代起成為一種重要的焊接方法。

在此期間，美國的諾布爾利用電弧電壓控制焊條送給速度，製成自動電弧焊機，從而成為焊接機械化、自動化的開端。1930年美國的羅賓諾夫發明使用焊絲和焊劑的埋弧焊，焊接機械化得到進一步發展。40年代，為適應鋁、鎂合金和合金鋼焊接的需要，鎢極和熔化極惰性氣體保護焊相繼問世。

1951年蘇聯的巴頓電焊研究所創造電渣焊，成為大厚度工件的高效焊接法。1953年，蘇聯的柳巴夫斯基等人發明二氧化碳氣體保護焊，促進了氣體保護電弧焊的應用和發展，如出現了混合氣體保護焊、藥芯焊絲氣渣聯合保護焊和自保護電弧焊等。

1957年美國的蓋奇發明等離子弧焊；40年代德國和法國發明的電子束焊，也在50年代得到實用和進一步發展；60年代又出現激光焊等離子、電子束和激光焊接方法的出現，標誌着高能量密度熔焊的新發展，大大改善了材料的焊接性，使許多難以用其他方法焊接的材料和結構得以焊接。

其他的焊接技術還有1887年，美國的湯普森發明電阻焊，並用於薄板的點焊和縫焊；縫焊是壓焊中最早的半機械化焊接方法，隨着縫焊過程的進行，工件被兩滾輪推送前進；二十世紀世紀20年代開始使用閃光對焊方法焊接棒材和鏈條。至此電阻焊進入實用階段。1956年，美國的瓊斯發明超聲波焊；蘇聯的丘季科夫發明摩擦焊；1959年，美國斯坦福研究所研究成功爆炸焊；50年代末蘇聯又製成真空擴散焊設備。

焊接分類

金屬焊接方法有40種以上，按照焊接過程中金屬所處的狀態不同，可以把焊接方法分為熔焊、壓焊和釺焊三大類。

熔焊

是在焊接過程中將工件接口加熱至熔化狀態，不加壓力完成焊接的方法。熔焊時，熱源將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池。熔池隨熱源向前移動，冷卻後形成連續焊縫而將兩工件連接成為一體。

在熔焊過程中，如果大氣與高溫的熔池直接接觸，大氣中的氧就會氧化金屬和各種合金元素。大氣中的氮、水蒸汽等進入熔池，還會在隨後冷卻過程中在焊縫中形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，惡化焊縫的質量和性能。

為了提高焊接質量，人們研究出了各種保護方法。例如，氣體保護電弧焊就是用氬、二氧化碳等氣體隔絕大氣，以保護焊接時的電弧和熔池率；又如鋼材焊接時，在焊條藥皮中加入對氧親和力大的鈦鐵粉進行脫氧，就可以保護焊條中有益元素錳、硅等免於氧化而進入熔池，冷卻後獲得優質焊縫。

壓焊

是在加壓條件下，使兩工件在固態下實現原子間結合，又稱固態焊接。常用的壓焊工藝是電阻對焊，當電流通過兩工件的連接端時，該處因電阻很大而溫度上升，當加熱至塑性狀態時，在軸向壓力作用下連接成為一體。

各種壓焊方法的共同特點是在焊接過程中施加壓力而不加填充材料。多數壓焊方法如擴散焊、高頻焊、冷壓焊等都沒有熔化過程，因而沒有象熔焊那樣的有益合金元素燒損，和有害元素侵入焊縫的問題，從而簡化了焊接過程，也改善了焊接安全衛生條件。同時由於加熱溫度比熔焊低、加熱時間短，因而熱影響區小。許多難以用熔化焊焊接的材料，往往可以用壓焊焊成與母材同等強度的優質接頭。

釺焊

是使用比工件熔點低的金屬材料作釺料，將工件和釺料加熱到高於釺料熔點、低於工件熔點的溫度，利用液態釺料潤濕工件，填充接口間隙並與工件實現原子間的相互擴散，從而實現焊接的方法。

焊接時形成的連接兩個被連接體的接縫稱為焊縫。焊縫的兩側在焊接時會受到焊接熱作用，而發生組織和性能變化，這一區域被稱為熱影響區。焊接時因工件材料焊接材料、焊接電流等不同，焊後在焊縫和熱影響區可能產生過熱、脆化、淬硬或軟化現象，也使焊件性能下降，惡化焊接性。這就需要調整焊接條件，焊前對焊件接口處預熱、焊時保溫和焊後熱處理可以改善焊件的焊接質量。

另外，焊接是一個局部的迅速加熱和冷卻過程，焊接區由於受到四周工件本體的拘束而不能自由膨脹和收縮，冷卻後在焊件中便產生焊接應力和變形。重要產品焊後都需要消除焊接應力，矯正焊接變形。

現代焊接技術已能焊出無內外缺陷的、機械性能等於甚至高於被連接體的焊縫。被焊接體在空間的相互位置稱為焊接接頭，接頭處的強度除受焊縫質量影響外，還與其幾何形狀、尺寸、受力情況和工作條件等有關。接頭的基本形式有對接、搭接、丁字接(正交接)和角接等。

對接接頭焊縫的橫截面形狀，決定於被焊接體在焊接前的厚度和兩接邊的坡口形式。焊接較厚的鋼板時，為了焊透而在接邊處開出各種形狀的坡口，以便較容易地送入焊條或焊絲。坡口形式有單面施焊的坡口和兩面施焊的坡口。選擇坡口形式時，除保證焊透外還應考慮施焊方便，填充金屬量少，焊接變形小和坡口加工費用低等因素。

厚度不同的兩塊鋼板對接時，為避免截面急劇變化引起嚴重的應力集中，常把較厚的板邊逐漸削薄，達到兩接邊處等厚。對接接頭的靜強度和疲勞強度比其他接頭高。在交變、衝擊載荷下或在低溫高壓容器中工作的聯接，常優先採用對接接頭的焊接。

焊接接頭

用焊接方法連接的接頭稱為焊接接頭，它主要起連接和傳遞力的作用。焊接接頭由焊縫、熔合區和熱影響區三部分組成，如右圖對接接頭的焊前準備工作簡單，裝配方便，焊接變形和殘餘應力較小，因而在工地安裝接頭和不重要的結構上時常採用。一般來說，對接接頭不適於在交變載荷、腐蝕介質、高溫或低溫等條件下工作。

採用丁字接頭和角接頭通常是由於結構上的需要。丁字接頭上未焊透的角焊縫工作特點與搭接接頭的角焊縫相似。當焊縫與外力方向垂直時便成為正面角焊縫，這時焊縫表面形狀會引起不同程度的應力集中；焊透的角焊縫受力情況與對接接頭相似。

角接頭承載能力低，一般不單獨使用，只有在焊透時，或在內外均有角焊縫時才有所改善，多用於封閉形結構的拐角處。

技術特點

焊接產品比鉚接件、鑄件和鍛件重量輕，對於交通運輸工具來說可以減輕自重，節約能量。焊接的密封性好，適於製造各類容器。發展聯合加工工藝，使焊接與鍛造、鑄造相結合，可以製成大型、經濟合理的鑄焊結構和鍛焊結構，經濟效益很高。採用焊接工藝能有效利用材料，焊接結構可以在不同部位採用不同性能的材料，充分發揮各種材料的特長，達到經濟、優質。焊接已成為現代工業中一種不可缺少，而且日益重要的加工工藝方法。

在近代的金屬加工中，焊接比鑄造、鍛壓工藝發展較晚，但發展速度很快。焊接結構的重量約占鋼材產量的45%，鋁和鋁合金焊接結構的比重也不斷增加。

焊接也有一些缺點；如產生焊接應力與變形，而焊接應力會削弱結構的承載能力，焊接變形會影響結構形狀和尺寸精度。焊縫中還會產生有毒有害的物質等。這些都是焊接過程中需要注意的問題。

展望

未來的焊接工藝，一方面要研製新的焊接方法、焊接設備和焊接材料，以進一步提高焊接質量和安全可靠性，如改進現有電弧、等離子弧、電子束、激光等焊接能源；運用電子技術和控制技術，改善電弧的工藝性能，研製可靠輕巧的電弧跟蹤方法。

另一方面要提高焊接機械化和自動化水平，如焊機實現程序控制、數字控制；研製從準備工序、焊接到質量監控全部過程自動化的專用焊機；在自動焊接生產線上，推廣、擴大數控的焊接機械手和焊接機器人，可以提高焊接生產水平，改善焊接衛生安全條件。

現狀

（塑料）焊接 採用加熱和加壓或其他方法使熱塑性塑料製品的兩個或多個表面熔合成為一個整體的方法。

自動化採用具有自動控制，能自動調節、檢測、加工的機器設備、儀表，按規定的程序或指令自動進行作業的技術措施。其目的在於增加產量、提高質量、降低成本和勞動強度、保障生產安全等。自動化程度已成為衡量現代國家科學技術和經濟發展水平的重要標誌之一。

現代自動化技術主要依靠計算機控制技術來實現。焊接生產自動化是焊接結構生產技術發展的方向。現代焊接自動化技術將在高性能的微機波控焊接電源基礎上發展智能化焊接設備，在現有的焊接機器人基礎上發展柔性焊接工作站和焊接生產線，最終實現焊接計算機集成製造系統CIMS。

在焊接設備中發展應用微機自動化控制技術，如數控焊接電源、智能焊機、全自動專用焊機和柔性焊接機器人工作站。微機控制系統在各種自動焊接與切割設備中的作用不僅是控制各項焊接參數，而且必須能夠自動協調成套焊接設備各組成部分的動作，實現無人操作，即實現焊接生產數控化、自動化與智能化。微機控制焊接電源已成為自動化專用焊機的主體和智能焊接設備的基礎。如微機控制的晶閘管弧焊電源、晶體管弧焊電源、逆變弧焊電源、多功能弧焊電源、脈衝弧焊電源等。微機控制的IGBT式逆變焊接電源，是實現智能化控制的理想設備

數控式的專用焊機大多為自動TIG焊機，如全自動管/管TIG焊機、全自動管/板TIG焊機、自動TIG焊接機床等。在焊接生產中經常需要根據焊件特點設計與製造自動化的焊接工藝裝備，如焊接機床、焊接中心、焊接生產線等自製的成套焊接設備，大多可採用通用的焊接電源、自動焊機頭、送絲機構、焊車等設備組合，並由一個可編程的微機控制系統將其統一協調成一個整體。