第三节 焊接生产发展趋势
一、焊接结构的发展
焊接作为材料成形加工的主要手段之一正在向各个领域渗透，现代焊接结构向着大型化和高参数方向发展，焊接结构的工作条件越来越苛刻，要求也越来越严格。如图1-3、图1-4所示的核压力容器及6100m深海探测器就是典型的现代焊接结构；全焊接油轮（50万t级）：长382m，宽168m，高27m，采用低碳钢和低合金结构钢制造，最大钢板厚度达140mm；现代高层建筑的焊接钢结构，所用材料强度级别达490MPa以上，厚度达100～150mm；核电站用的单机功率高达1.2GW的电站汽轮机及其配套的锅炉（工作压力为32.4MPa，蒸汽温度为650℃）和高压容器；容积5080m3的钢铁工业大型高炉；直径达33m、容积为100000m3的贮罐等，都是在复杂苛刻的工作条件下运行的焊接结构。
图1-3 原子能电站核容器
图1-4 6100m深海探测器（DSSV）示意图
1—倾斜罩；2—液压系统；3—压力舱；4—声呐；5、12—螺旋桨系统；6、11—支承和摄影装置；7—操纵器；8—多普勒声呐；9—压水舱；10—燃料舱
二、先进材料及其应用
传统的焊接结构通常采用强度低、韧性良好的低碳钢或低合金结构钢制造。近年来，随着焊接技术的不断完善，高强度、高韧性金属材料在现代焊接结构中获得了广泛的应用。如图1-5所示。为日本统计的大型焊接结构所用钢材强度等级与采用的板厚规格。抗拉强度784MPa的高强钢（HT80）已用于桥梁、高压水管、重型电机、海洋结构等，超高强度钢在航天、航海及机器制造业中应用也很广泛。用来制造固体燃料火箭发动机壳的4340钢，经过合适的淬火-回火处理后，其强度极限可达1765.3MPa。不含碳的马氏体时效钢，如18Ni钢，是另一种常用的超高强度钢。这种钢在淬火状态下具有高韧性，便于热处理，也有良好的焊接性能。焊后经过时效处理，可获得1373～2059.5MPa的高强度，同时，这种钢还具有很高的抗脆性断裂及抗应力腐蚀的能力，可用来制造如飞机零件、大直径固体燃料火箭外壳，以及冷冻机及船体结构等。
图1-5 大型结构所用钢材强度级别及板厚的范围
管线钢是采用控轧技术生产的新一代钢铁材料，具有良好的焊接性，如X70管线钢已成功地应用于我国的“西气东输”工程中。整个工程管线全长4200km，管径1118mm，由新疆塔里木至上海和长江三角洲地区，途经沙漠戈壁、高山峻岭、深陷性黄土、大江大河、江南水网等复杂的地质地貌，需适应高热、高寒气候以及复杂的地质环境。
随着焊接技术的不断进步，各种抗腐蚀、抗高温以及抗低温脆断的合金钢，如含镍量w（Ni）9%、5.5%和3.5%的镍基低温钢，铬镍不锈钢，耐热钢，双相不锈钢等，铝及铝合金，钛及钛合金都已广泛用于焊接结构的制造。
三、焊接技术对焊接结构生产的影响
焊接工序在焊接结构生产过程中起着主导作用。不同的焊接工艺，对焊接前后的生产工序有不同的要求和影响，并且在很大程度上决定了焊接结构生产的工艺过程。例如，焊条电弧焊是最早出现至今仍在应用的一种焊接方法，因其焊接时的热输入、熔深和单位时间金属熔敷量较小，焊接生产效率低下。埋弧焊质量比较稳定，焊接生产率也高，但是仅适用于较长的焊缝，对焊缝间隙、焊接位置等均有严格的要求，需要钢板边缘加工及精确的装配，并要求有较宽敞的操作空间和有利的焊接位置，这就限制了埋弧焊的使用。气体保护电弧焊在一定程度上取代焊条电弧焊和埋弧焊，并可以在各种位置进行焊接，但它不宜在有风的环境中进行施焊。厚板的对接焊缝和角焊缝可以考虑采用电渣焊，只需要焊接一次就可以完成所需截面的焊缝，对坡口的加工要求较低，但是焊缝必需处于垂直或接近垂直位置，而且电渣焊的热输入较大，热影响区晶粒粗大，焊后需要进行正火处理，增加了附加的工序和费用。薄板焊接也可以考虑采用电阻点焊和缝焊，生产率高，焊后变形小，但需要有较大功率的输电线路以供应足够的电能。为适应这种工艺方法，产品的构造形式也应有较大的改变。
为了防止焊接裂纹，高强度钢多采用预热焊接工艺，但预热焊对高强度钢焊接热影响区组织性能有不利影响（如软化、脆化等）。若能在不预热条件下进行焊接，对简化焊接工艺、提高焊接接头性能和改善劳动条件有着重要的意义。
总之，由于焊接工艺不同，对焊接生产的组织、工艺过程、劳动生产率及产品成本都有很大影响。因此，在进行产品工艺分析及制订工艺文件时，必须根据产品结构形式、批量、工厂及所在环境、工人及技术人员水平等具体条件，对各种焊接工艺方法的选择进行充分的分析和论证。
四、焊接自动化技术
数十年来，焊接技术和其他科学技术一样以迅猛的速度发展，诸如激光、电子束、等离子及气体保护焊等焊接方法的出现以及高质量、高性能焊接材料的不断发展和完善，使得几乎所有的工程材料都能实现焊接。而且焊接自动化迅速发展，自动化的生产方式在很多的工业部门代替了手工焊生产方式。在各种焊接技术及系统中，以电子技术、信息技术及计算机技术综合应用为标志的焊接机械化、自动化、智能化及焊接柔性制造系统，是信息时代焊接技术的重要特点。实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。焊接机器人由于具有通用性强、工作可靠的优点，受到人们越来越多的重视。在焊接生产中采用机器人技术，可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、实现小批量产品的焊接自动化。
焊接柔性制造系统（单元）是信息时代焊接技术的典型代表，一般情况下，它由焊接机器人、先进焊接电源、离线编程CAD系统、工装机械系统等组成，如图1-6所示。
焊接机器人具有比其他机器人更高超的能力，除能进行正常的行走及搬运外，还能自动跟踪焊接电弧轨迹，防止电弧及烟尘的干扰。
在焊接机械化、自动化系统中，采用的焊接电源均具有良好的动特性，大多采用以先进电子元器件及电子技术开发生产的焊接设备，如IGBT逆变式焊接电源等。焊接方法大多采用焊接质量高、生产率高的方法，如自动或半自动MIG／MAG焊、TIG焊及埋弧焊等。
图1-6 焊接柔性制造系统
离线编程CAD系统使得焊接过程的编程自主地进行，并能对整个焊接过程的大部分动作进行模拟试验而不依赖于在整个柔性系统。焊接是一个多变量的复杂过程，同时在焊接过程中也会产生热变形等其他变量，因此，很多目的在于预测这类变量情况的焊接工程软件应运而生，用来分析计算焊接过程的众多变量。这类软件在离线编程CAD系统中得到了广泛的应用。工装机械系统主要是实现焊接产品的装配、变位和焊接等功能，包括诸如焊接变位器、焊接操作机展轮支架、回转台及翻转机等，也包括实现焊接产品自动运输的辅助工装设备等。