读懂国内外焊接技术的发展趋势

huahua

随着世界制造业的快速发展，焊接技术应用越来越广泛，焊接技术水平也越来越高。新的焊接工艺方法不断涌现，专业焊接设备日新月异。与此同时，国内外焊接设备生产企业也纷纷通过各种方式展示自身的实力。



通过行业展会对国内外焊接技术的发展趋势以及焊接生产发展的新需求和新动向印象较深的是：核心技术的作用得以显现，数控和电源方面有发展，激光焊接技术成为一大亮点，机器人应用普及化。可以认为，世界焊接技术又跨上了一个新台阶，在高效、自动化、环境友好方面有了新的进步；焊接材料的种类更加丰富，焊接自动化、高效化、清洁化更加突出；焊接技术的综合成本更低，焊接对工业的服务更加广泛。同时，焊接中存在的手工、粗糙、脏乱、低速已基本消除，取而代之的是自动、精密、清洁、高效。



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  逆变焊接技术发展趋势


逆变焊机继续向纵深发展的几个方面：普及性提高、功率制造能力增强、小型化。



普及性提高：逆变式焊机的参展率愈来愈高，参展面愈来愈广。前两年的展会上，几乎所有的大公司，都以较大的阵势展示了各种逆变式焊机及新技术、新产品，只是各自的品种、功率、性能、功能和制造水平不同而已。此外，逆变焊机的品种、性能、功能和焊接方法和应用范围也有一定的提高、增加和扩大。



功率制造能力增强：过去人们认为，逆变焊机以其小巧、移动方便、省电节材的优势主要适用在中小功率的场合。近年的展会上，不少公司均展出了千安级的技术产品。



小型化：通过提高频率和采用高性能磁体、优化结构等，尽可能把小功率的逆变焊机做小。如用于焊接位置变动频繁的装配和维修工作中薄板焊接的小焊机只有3.4kg。



在展会上，逆变焊机几乎出现在所有电焊机展商的展台上，这表明逆变焊机现已成为电焊机行业的主流趋势。目前，逆变焊机在基础技术层面上已经趋于成熟，当前的技术竞争主要体现在逆变焊机相关电源技术的外延和逆变焊机相关焊接工艺技术的深化两个方面。



1.1 软开关技术

国外逆变焊机中的软开关电源技术并不十分普遍，特别是20kHz的逆变焊机多数仍以硬开关为主，但其所用开关器件的容量余度比国内焊机大很多，从而保证了逆变电源的高可靠性。这是由于不同的人力成本所决定的，因为软开关电路所需附加的电磁元件的制造和组装成本，在人力成本较高的地方会超过增加开关器件容量的材料成本。国外的软开关电源技术主要是针对工作在60～120kHz的高频大功率的焊机，主要是为了提高电源的响应速度，便于更精密的波形控制过程。



1.2 变压器材质及其结构

逆变变压器是逆变焊机中的关键器件。在这方面，国内的大功率焊机采用非晶铁芯的比例很大，而国外多数还采用铁氧体磁芯。目前，使用最多的20kHz的逆变频率，非晶铁芯应该说比铁氧体更有材料成本优势，但由于材料的特性所决定，目前非晶铁芯只能以环形方式供货，不便于线圈的自动化绕制。国外企业大多使用铁氧体磁芯而不愿意改用非晶铁芯，而国内的企业出于对材料成本的考虑，广泛使用非晶铁芯。



1.3数字化控制推动焊接技术的升级和发展

五年前，数字化控制的焊机还只是少数几个国际知名公司的“尖端科技”。从近年的展会上看，在国际上数字化控制已属平常，数字化控制焊机甚至已经不再是销售的卖点。在芬兰KEMPPI和奥地利Fronius的推动下，数字化焊机已进入产品规模化生产阶段。



逆变电源的高响应速度为焊接控制技术提供了一个理想的功率平台，数字化技术在焊接电源中的应用进一步提高了电源控制技术的水平和可操作性。逆变焊机的数字化控制无疑会有强势的发展，因为它在控制方面极大地简化了电路结构，提高了焊机控制系统的稳定性，方便了应用。目前，国内的数字化焊机与国外数字化焊机的最大差距在于焊接工艺性能。可以说，数字化焊机的最大卖点不是数字化技术本身，而是先进的焊接工艺技术。同时，数字化的最大优势还在于与逆变焊机相结合后可以承载先进的焊接工艺技术。



1.4 逆变焊机与焊接工艺之间的关系

逆变焊机对于电焊机行业的影响无疑是一场电源技术的革命，但是对于整个焊接领域来说，与其说是电源技术的革命，不如说是焊接工艺技术的革命。可以说，逆变焊机促进了焊接工艺技术的深化。



特别是数字化技术搭载在逆变焊机的技术平台上进一步改变了电焊机行业的技术状态。通过展会可以看到：从单纯的电源技术向与先进焊接工艺技术结合已成为一种趋势，研究焊接电弧行为将成为今后电焊机行业技术发展的一个重要方面。



1.5 对送丝机数字化控制的依赖

数字化控制的逆变焊机的最大优势体现在GMAW（熔化极气体保护焊）过程中，因此除了电源问题之外，送丝机的控制也非常重要。如果没有稳定送丝速度，很多先进的控制方法都无法实现，如脉冲MIG的核心问题就是电流波形与送丝速度之间的合理搭配。目前，国内脉冲MIG焊机的主要差距不是在电源方面，而是在送丝机方面。国外同类产品都是采用具有速度反馈控制的送丝机，而国内大多还在使用电压反馈控制的送丝机。随着焊接工艺要求的提高，对于送丝机要求不仅仅是速度稳定，对于响应速度的要求也越来越高。例如CMT技术的核心就是焊丝的反抽控制，这点同样在引弧技术中起到关键作用。数字化控制的交流伺服电机已经替代传统的直流电机在送丝机在高档焊机中使用，由此可见逆变焊机的数字化控制从电源部分扩展到送丝机也是一种发展趋势。



1.6 数字化技术实现高性能和多功能

众所周知，数字化技术可以提高控制系统的干扰性、控制精度，从而提高焊机的焊接精度、可靠性和稳定性等的整机性能。同时，还可通过变换外特性曲线、输出电流波形、动态特性参数等，实现多种焊接方法、多种焊材、多功能、多焊接参数的调节及其最佳匹配的控制，在把焊机做成“精品”的同时，把焊接工艺、焊件也做成“精品”。福尼斯公司的CMT（冷金属过渡）焊接系统在此方面作了很好的诠释。CMT熔滴过渡的方式新颖，与传统焊接工艺比较，过渡熔滴温度相对较低，可以实现异种金属连接，可以把焊丝的熔化和过渡分别成为两个相对独立的过程，对于焊接线能量的控制更加灵活。通过精确的弧长控制，CMT过程结合脉冲电弧，实践了无飞溅焊接，大大降低了焊接的热输入。通过控制脉冲电弧影响热输入量，实现无电流状态下的熔滴过渡；母材熔化时间极短，起弧速度提高了两倍，热输入低，焊接变形小，搭桥能力显着提高，焊接性能优异；焊缝成形美观。



据了解，国内不少高校都在积极开展冷金属过渡焊接系统的研究。



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  实现高速高效的气体保护焊接


除焊接机器人自动化的高效化以外，随处可见的就是熔化极焊接的大量展出和广泛应用。熔化极焊接除个别特殊情况外，几乎全是MIG/MAG焊机，适应集装箱等行业需要的薄板高速高效焊接的需求。珠海代理的德国克鲁斯公司展示的TANDEM 焊接系统，焊接2～3mm薄板的焊接速度可达6m/min，焊接8mm以上厚板的熔敷效率可达24kg/h。在焊接一些要求控制线能量的低合金高强度钢等材料时，气体保护焊是替代埋弧焊工艺的最新选择。



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  CO2焊接设备发展动向


3.1 逆变化、数字化、智能化、自动化

为实现高效化焊接，过去仅仅限于改变焊接参数和保护气体等方法。今天，逆变焊机表现出了极大的生命力，因为其工作频率高而使焊机具有体积小、重量轻、节能、省材、降耗和动态响应快、效率高、焊接性能好等特点，正在逐步成为弧焊电源的主流。正是在逆变式焊接电源的平台上，借助计算机技术，用现代科学手段来不断解决气体保护焊接提出的更高的技术要求。



目前，北工大、成焊所等国内的焊接技术研究机构和各国厂家都在积极探索“如何应用新的方法提高焊接质量，实现‘少飞溅和无飞溅’、‘少气孔和无气孔’”、“如何应用新的方法降低焊接成本，用最小的能量输入实现最快的焊接速度”。因此，积极推动开展数字化逆变气体保护焊机的研究与开发工作，用数字控制代替模拟控制是气体保护焊机发展的科学之路。



3.2 全新的交流短路过渡焊接法

为适应低热输入和低飞溅的CO2/MAG焊接要求，日本OTC公司和松下公司分别推出了交流CBT方法和采用BB技术的低飞溅全数字CO2/MAG焊机。德国克鲁斯公司的GLC353CP焊机和日本OTC公司生产的DL350数字逆变式MIG/MAG焊机，采用全新的交流短路过渡焊接法，这是焊接电源在正极（EP）和负极（EN）的输出极性之间相互切换进行焊接的方法。据介绍，与传统的逆变气体保护焊接方法相比，飞溅附着量明显降低。据OTC公司介绍，采用φ1.2焊丝250A CO2气体保护焊接，传统的逆变CO2气体保护焊飞溅产生量是2.4g/min，而采用交流CBT方法的CO2气体保护焊飞溅产生量仅仅是1.2g/min，飞溅量降低了一倍。



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   精确控制下的短路过渡技术


美国米勒公司的RMD焊接是一种精确控制下的短路过渡技术，通过检测短路电流发生的时间及时控制焊接电流和焊接电压，可以精确控制熔池，是一种动态控制技术。采用RMD技术的根焊焊缝不仅熔合好，而且大小间隙均可实现填充。此外，对焊接飞溅、热影响区以及平稳过渡的优化都明显强于传统的纤维素焊条根焊，焊接性能优异，可以实现管道焊接的所有工艺，十分适合野外环境下的施工作业。



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   多丝焊接技术处处可见


近年来，双丝、三丝以及四丝、五丝等多丝埋弧焊频频出现，应用于诸多行业。



展会上，LINCOLN展出的多丝埋弧焊接技术，采用1000A级的AC/DC逆变式弧焊电源供电和数字化协同控制技术。第一根焊丝由2个1000A级的AC/DC逆变式弧焊电源并联供电，其余焊丝均由1000A级AC/DC电源供电，主要用于厚壁管道的高速焊接。据介绍，双丝焊比单丝焊提高焊速30%，增加输入热能23%；四丝焊比三丝焊提高焊速和生产量均达到35%，将焊速从1.7m/min提高到2.3m/min。



ESAB的四丝和六丝埋弧焊接技术，所用的电源均为1200A级的可控硅直流弧焊电源，而且均采用一头（一个焊炬/嘴）双丝、两头四丝和三头六丝进行多丝埋弧焊接，每一头双丝由一个1200A级的电源供电，其生产效率较高。据介绍，四丝（2*2*￠2.5）与单丝（1*￠4）焊比较，熔敷金属量从12kg/h提高到38kg/h。



一拖二至一拖四，快捷更换焊接方法，提高生产率。



提高生产效率的另一种技术是采用一个多功能的弧焊电源，备有2-4个送丝系统及其控制驱动单元。根据焊接材料、焊接方法的不同需求选用其中相应的一个送丝系统和控制单元，很快进入所需的焊接状态，大幅度减少辅助时间。

德国克鲁斯公司的双丝气体保护焊接系统在国内也很受欢迎。

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06
  焊机焊接工艺性成为电焊机行业新的技术竞争焦点


从展会上可看出，逆变焊机的高端产品方面，仍是国外产品的一统天下。任何一个重要的新技术、新方法（如STT、CMT、Cold Arc等），无不与焊接工艺相关。这说明逆变焊机产品的技术竞争焦点已经开始从电源技术、控制技术转移到焊接工艺性能方面。



对于国内电焊机行业来说，能否实现这个转移是一个新的、更严峻的挑战，因为要在焊接工艺方面实现技术突破绝不会比突破逆变焊机电源技术瓶颈的过程容易。这是我们要面对的一个新挑战。或许，它将决定一个企业在新一轮竞争中的成败。



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   自动化焊接系统的运用大幅提高


焊接自动化就是要通过先进的焊接工艺、材料、设备、自动化控制系统和焊接胎夹具、装卡定位及其运动系统的有机集成，实现对待焊工件的高效率、高品质、低成本的批量化规模生产，以保证高品质产品的稳定、一致化批量的产出。焊接自动化主要包括焊接自动化专机和焊接机器人。



展会上的展品有近一半属于专机，其中大部分都配用了机器人。从展会上看出，在焊接领域，自动化程度最高的就是工业机器人。欧美等国家工业机器人的运用已经非常广泛，大规模应用工业机器人使成套装备满足自动化、柔性化、多功能化是今后的发展趋势。



国内展示的焊接专机大部分属于焊接辅机与焊接电源、送丝机的组合。



展会在焊接自动化技术和设备方面展现最突出的有：激光及其复合焊接机器人；弧焊机器人；点焊机器人专用伺服点焊枪；自动焊接、智能化焊接必需的各种焊缝跟踪技术。



7.1 激光焊接机器人保证焊接柔性化

与传统焊接方法相比，激光焊接具有能量集中、焊接变形小、焊接速度高、可达性好等优点。可以说，机器人与激光焊接相结合是如虎添翼，实现高效化和高柔性化的完美结合。



7.2 电伺服点焊钳的应用前景良好

目前，点焊工业领域所用的焊枪绝大部分是气动焊枪。气动焊枪的技术特性与电阻点焊的技术要求决定了其电极力在焊接过程中固定、不可调，响应时间长。因此，气动焊枪很难在短时间内通过改变电极力实现对焊点质量控制。然而，电动伺服点焊枪通过交流伺服电机带动电极进给来施加焊接压力，各参数都可以精确地进行控制。同时，伺服焊枪应用于点焊工业后，由于改变电极压力、响应时间短，因此能够满足电阻点焊中瞬间锻压力的响应要求。于是，针对目前的汽车行业应用的镀锌钢板、铝合金和超高强钢的需求量日益增多，运用伺服焊钳的电极力可控特性，并结合其它的技术特性，优化焊接参数为实现对这类难焊材料的焊接与质量控制开辟了良好的应用前景。



展会上，点焊机器人数量有明显增加，德国的尼玛克（NIMAK）等机器人厂家均展出了配置了电伺服点焊钳的机器人。



7.3 焊接自动化专机向标准化模块化发展

专用自动焊接设备就是为用户专门定制的焊接设备。其制造难点是由于是针对用户个性化的设计、制造、调试、服务，导致产品交货周期长、风险大、技术服务成本高。但近年来，随着我国现代制造业的快速发展和技术水平的不断提高，交货周期长与用户的急需已经成为自动化焊接设备开发的突出矛盾。通过展会可见，焊研科技等不少焊接自动化厂家逐步认识到模块化设计的重要性，积极进行自动化焊接设备的模块化设计和生产管理，取得了长足的进步。这表明，模块化是自动化专用焊机的发展方向。



从历年的展会看，焊接自动化装备展品的比例在逐年增加，其制造工艺水平和电子控制系统的水平大幅度提高。



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自动焊接小车、送丝机、焊枪等基础件研究得到重视


长期以来，CO2 /MIG送丝机、自动焊接小车被焊接人士认同为电焊机的辅机具，未受到焊接界的高度关注。其实，这类产品是焊接电源不可或缺的重要部件，代表着CO2 /MIG焊接、埋弧焊机的应用深度及自动化水平。一个良好的焊接电源所提供的是焊接能量与驱动程序，而焊机追求的焊缝质量、焊接效果及焊接效率，这又都是通过送丝机或自动小车连接焊枪合成后，与焊接电源组成完整的焊接系统才能体现出来。因此，这些辅机具质量的差异性、可靠性直接制约了主电源焊接效能的发挥。随着焊接自动化的普及和提高，以及对焊接效率的关注与追求，送丝机及自动焊接小车的位置和作用越来越突显、越来越被业内人士倍加重视。



09
合理的产业结构和技术创新正在逐步形成


从展会看，国外很多成熟的技术在国内才刚起步，国内与国外焊接技术相比存在着较大的差距，其先进技术的发展历程对国内焊接技术的发展方向可以起到充分的借鉴作用。



但不管怎样，中国品牌焊机在埃森展会上的集体出现，无疑向世界表明，中国焊机已作好向欧洲市场进军的准备了。业不在于大小，关键在于活力，实现新的发展，提升企业技术研发实力。上海沪工、南通三九、深圳瑞凌、佳士科技等多家通用产品生产企业充分发挥了老企业的技术和品牌优势，在国际市场上打出了一片天地；昆山华恒积极向机器人研发进军；唐山开元机器人系统有限公司从唐山开元自动焊接装备有限公司分立组建后的强势发展；山大奥太、南通振康、成都熊谷、北京时代等专注于通用产品的研发；北京中电华强、焊研威达、焊研科技、广州松兴、无锡威华等在专用和成套设备的开发上加大投入，产品不断创新；上海通用、上海东升、成都华远、上海华威的规模化和精细化管理；阳通集团和华联集团的规模化发展；杭州凯尔达不仅注重技术投入，而且还大力发展数控切割机业务等等，一个个具有鲜明特点的企业，勾勒出焊接设备行业调整产品结构、研发新产品新技术，为企业更上一层楼的发展宏图。



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   规划、观念、意识


无一例外，世界着名焊接设备生产厂商都既有专业的长远规划，也非常专注于执行，如ESAB几十年如一日地致力于埋弧焊方面的研究；KEMPPI从1946年生产电源起，至今仍专注于逆变电源研究，已创造出了多个世界第一。



通过与国内外电焊机厂商的广泛接触，印象非常深刻的是：国外知名企业都拥有自身的核心技术及其专有技术名词（如我们熟知的STT、CMT、Power Wave等），还有很多新的或我们以前不曾关注的技术名词（如Force Arc等），并都具有R标识。由此可见，国外企业对核心技术及其知识产权保护的强烈意识。



总之，在记者参加的几大展会中，来自世界各地企业的形象鲜明，异彩纷呈的新产品、新技术、新工艺使参观者眼界大开，同时也折射出行业未来的发展趋势。特别是欧美等发达国家的企业对焊接技术的研究非常深入、非常系统，从成套设备到焊接单机、从焊接材料到焊接辅助机具……不仅产品外观精美、色彩协调、性能稳定、可靠性好，而且技术特点非常鲜明，这些都值得我国企业学习与借鉴。



可以说，以上展会为国内外焊接设备与技术提供了展示的舞台，也把国内外焊接设备与技术进步推向一个崭新的阶段，更为我国焊接设备与技术的发展指明了方向。我们相信，我国焊接技术将会遵循客观规律、实事求是稳步地向前发展，不久的将来定会融入世界领先行列。

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