機器人智能制造

國外焊接技術最新進展情況

國外焊接技術最新進展情況

發布日期:2019-08-30 作者: 昆山華恒焊接股份有限公司 點擊:

國外焊接技術最新進展情況

[時間:2007-09-21]

    電阻點焊被認為是汽車車身制造中最重要的連接工藝。盡管有激光束焊接和粘結劑粘接等新技術,但點焊在汽車車身制造中仍然會保留其穩固的地位。由于許多因素都會影響點焊的加工質量,而且點焊的質量標準要求很高,因此有必要系統地檢查點焊接頭的質量。

    為此,過去的作法是采用損傷性測試方法進行隨機測試。由于這種方法存在一些缺點,例如:會毀壞測試樣件或使其變形,測試時間長,在鑿擊過程中會損壞和松動工件,當使用“鋅粘結劑”時使用鑿擊的方法會找不到粘接點,所以它已不適合現代制造技術和成本核算意識。這里提供了一種補救方法——“點線超聲測試法”,用這種方法,在焊接過程中就可進行焊點的檢查。

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    “IQR系統”是電阻點焊過程中在線質量測試和優化的一種新的控制工藝

    這種方法可以在使用U-I特性評價的基礎上補償控制中一些參數變化的干擾,如板材厚度的變化、鍍層厚度的變化、電極磨損損耗等的變化。由于操作簡單,IQR控制器保證了穩定可靠的高質量點焊,并且節省了時間和成本。

    在電阻點焊領域,人們可以清楚地看到焊接設備中使用伺服馬達驅動的明顯趨勢。在2001年的國際埃森焊接展覽會上,不少于12家制造商展示了使用伺服電機驅動技術的焊接設備(安裝在微型點焊機、手動和機器人焊槍,以及基座式點焊機上)。根據專家預測,由于焊接質量好和焊接周期較短,所以氣動焊接設備將會越來越多地被伺服驅動的焊接設備所取代。另外,一些制造商展示的焊槍采用氣冷伺服電機驅動,對電極需要施力和對焊接周期時間有要求的焊接任務有廣泛的應用前景。

    帶有焊頭壓電線性驅動的微型點焊裝置,具有理想的重新設定參數的特性,并能方便地對移動路線進行編程。由于其機械結構堅固穩定和采用了壓電驅動技術,所以使焊接前后定位所需的時間很短。因此,可以不失時機地從工作清理階段轉換到工作階段,積蓄焊接的動力。由于機構堅固和采用了動態性能極高的驅動系統,使焊槍電極頭更適用于自動焊接裝置中,焊接效率很高。

    用于沖法鉚接和點焊的普通焊槍,在運動速度和精度方面受到要求更加嚴格的高生產率的機器人的挑戰。為了能夠達到較大的工作范圍,而折彎程度最小,通過精心設計開發了新一代的機器人焊槍,制造材料采用了結構極輕的碳纖維加強塑料(CFRP)。根據研究成果,經過精心試驗優化后制造了一個焊槍樣品。最近研制的結構有一個縱向加強的非常堅固的彎曲臂和可提供強大的反作用力,竟然可以通過在線控制補償角度的偏移。這一應用促進了人們進一步開發更好的現代纖維材料制造輕型結構的潛力。

    激光技術和使用激光束加工材料

    盡管功率在12mm×mrad4kW以上的Nd:YAG固體激光器的光束質量極高,也不可能達到CO2激光器的應用廣度。正是由于CO2激光器的使用成本和維修成本較低,因此它能夠得到廣泛的應用。

    例如,3kW的層流CO2激光器可工作大約40000h,每小時的工作成本約為6馬克。這種激光用普通CO2激光器的功率的一半時,在1.5m/min的焊接速度不變時,幾乎仍能達到同樣的焊接熔透深度。當對鋼材的焊接熔透深度為4mm,激光束的功率一樣時,Nd:YAG固體激光器的焊接速度只有CO2激光器的一半。

    只有在用三維多軸鉸接臂機器人的時候,使用Nd:YAG激光器的總投資才低于使用CO2激光器的情況,原因是通過光學纖維Nd:YAG激光器的光束傳輸比較簡單。而在遠距離焊接時,CO2激光器的激光束要通過鏡頭聚焦,掃描器的光學系統可以自由地將激光束定位在工件表面。聚焦透鏡安裝在一個電動滑軌上,可以在1500mm×1500mm×400mm的空間確定加工點。選用移動式反射鏡裝置,能夠延伸到干擾邊緣后面的焊點。

    將激光束焊接與弧焊工藝相結合可以獲得一種值得注意的焊接工藝:即CO2激光束與氣體保護金屬極電弧焊工藝相結合的工藝。采用該工藝,能對不同級別的鋼材進行高效率的焊接。使用這種工藝的目的是為了確定對焊接不同厚度的鋼板時允許的最大間隙寬度amax。在鋼板厚度t=5mm時,間隙寬度為2mm;當t=8mm時,寬度為1.35mm;當t=12mm時,寬度為0.7mm。焊縫是在重力狀態下加工形成的,無需任何焊縫背后的熔液支持。在對20mm厚的鋼板進行橫向焊接時,可搭接的間隙寬度asssmax可達0.7mm,而不會產生任何技術問題。最佳工藝的其他方面還包括設定焊接和焊絲送絲的速度和選擇焊絲的直徑。

    人們對這種組合式的焊接工藝進行了試驗,并在實際的焊接工作中進行了演示。例如,在邁爾造船廠,成功地焊接了幾張7.5~12mm厚、10m長的鋼板,焊接速度達到2m/min。在上述的組合式焊接工藝中,增加電弧的組合還可以進一步提高該工藝的優點,例如將每單位長度的能量降到最小,提高焊接速度及搭接接頭間隙的能力。

    一種結構結實緊湊、易于操作的“工具”是二極管激發的Nd:YAG激光器和其高質量的激光束。熱鏡頭效應限制了光束質量的改善,進一步改進的目標是把光束的參數進一步提高,并將其輸入到100μm的玻璃纖維中,這樣獲得的光束質量就可與CO2激光器的光束媲美了。

    這里比較有發展前景的是盤式激光器和層流式激光器。在2001年的激光技術展覽會上,HASS激光技術公司首次展示了盤式激光器的樣機。展出樣機的激光器功率為1.3kW,光纖維的直徑為0.15mm。燈激發和二極管激發的棒式激光器存在激光束功率引起的熱鏡頭問題,而盤式激光器實際上不再有熱鏡頭問題。由于盤式激光器具有與CO2激光束類似的優質光束,通過光纖耦合的方法可以標定改變其功率,這比棒式激光器標定的功率要大許多倍。

    使用輸出功率大于4kW的二極管激發的固體激光器,對于鋁合金的焊接具有決定性的意義。這些系統的光束質量特別好,能夠瞬間注人直徑為0.4mm的光纖中。激光束的聚焦能力極大地依賴于光纖的截面積。這表明這種新一代的固體激光器的潛力是“點”直徑更小,功率密度更高。功率密度高使人們能夠進行以連續波的模式進行焊接。例如,首先用于對小型樣品和小零件的各種連接,如對接、T形焊接和搭接進行了研究。零件的材料是AlMgSi0.7(厚度:3mm)和AlMg3(厚度:1.6mm)鋁合金。高質量的焊道形狀只有在純粹的連續波狀態才有可能。當使用千瓦級的二極管激發的Nd:YAG激光器焊接鋁時,在很寬的參數范圍內都能獲得很高的可靠性。

    文獻中還介紹了一種影響焊縫幾何形狀和質量的新方法。這是根據熔池中電磁力的影響,使產生不同的熔池流動和熱輸入量。這樣就能有選擇地改變焊縫的形狀、穿透深度、焊道外形和減少氣孔的形成。

    當用激光束處理管道、圓筒和襯套的內表面時,即使在非常有限特定表面也能改變材料的特性。激光束可提供一個能精密控制的能源,在特定的地點和時間施加能量,通常只有極小的誤差,因此不需要或只需要少量的后期加工處理。在工業應用中,這種工具被裝上了防護設施,例如采用壓力。小室和橫向射流(Cross-Jet)來保護光學系統,用冷卻的方法消散所吸收激光輻射、等離子輻射和附帶產生的熱輻射。

    激光器包括以下組件:激光器適配器、基體和激光頭。基體可以使激光通過機械方式連接到確定的處理系統上和所需加工的介質上。在基體內,通過光學方式為激光頭提供激光輻射。如果需要,還可以裝一個與介質刷一起運動的裝置,使激光頭進行旋轉運動。激光頭內裝有中心光束形成元件(鍍膜銅鏡)及保護氣體或加工氣體噴嘴。功率為2kW的Nd:YAG激光器上還連接了一個用于長導軌的硬化處理裝置。集成反射鏡組可以在大約60mm的工作距離將光束聚焦到3mm×5mm。使用3kW功率的固體激光器可以硬化φ60mm、深600mm的高合金鋼襯套。另外,開發用于管道內部硬化的光學系統有一個旋轉激光頭,可以在固定的發動機機體上完成工作,用于硬化貨車柴油發動機的灰鑄鐵發動機機體的缸體承載表面。

    一種新開發的用于等離子弧焊的焊矩系統,采用反極性電極和選用100~200A焊接電流可以經濟有效地焊接鋁制零件,焊接質量很好。經對各種鋁鎂合金的焊接試驗表明:在焊接2~8mm的板材時,可以使用熔入和鎖孔式焊接技術。

    使用電極極性可變的鎖孔技術進行等離子弧焊,可用來焊圓周焊縫,如AlMg3管道、法蘭盤以及GK-AlSi7Mg冷鑄合金制造的形狀各異的零件,能夠進行8mm壁厚材料的無坡口對焊連接。使用新開發的特殊氣體控制系統可以無缺陷地完成圓周焊縫的收尾焊接。由于只在鑄件一側才會產生氣孔,因此要確定鑄件熔化金屬的原子氫含量。如果鑄件熔化金屬中的氫含量低于0.3mL/100g,焊縫產生的氣孔就很少。采用此方法要修復的焊縫總長度可達39m,占整個焊縫長度的27.2%。

    在研究開發最現代化的電源和控制技術條件下,采用等離子弧焊技術是一種質量最佳、經濟有效、重復性好的連接工藝。另外,通過調節電流,確保厚板等離子弧對接接頭焊接時產生鎖孔的傳感器系統、導電的熔池支撐與被焊板材絕緣,并通過帶電的車架在等離子弧穿透時測量電流,并隨之移動。

    這種新的工藝與TIG焊接相比具有如下特點:

    (1)采用等離子弧焊時的特定工藝優點,不僅主要表現在微型等離子弧焊的板材厚度范圍方面,而且涉及使用鎖孔技術。

    應用范圍包括:表面堆焊、噴涂和焊接。通過可調頻率使用低脈沖焊接電流,等離子弧焊可以更好的方式控制電弧能量的大小,能夠通過現代控制系統可靠地同步監測各種設定值的執行情況。晶體管的焊接電源,如AUTOTIG系列,可以精確地按照技術規格的規定運行。

    (2)用粉末等離子弧焊焊接薄板和管道時,具有焊接速度快、熱輸入小和變形小等優點。

    (3)等離子弧焊接時,鎖孔技術的優點還清楚地表現在板厚達10mm的材料焊接。


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