联盟动态

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五湖四海焊接界 百家争鸣聚南昌

发布日期:2014-08-07

五湖四海焊接界  百家争鸣聚南昌

——略记第十八次全国焊接会议

2013年10月25-27日,第十八次全国焊接学术会议在南昌召开。在姚君山副总工程师的带领下,联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂8位专业技术人员参加了此次焊接盛会,其中,姚君山、沈浩然、张聃、夏佩云、张成聪等5位同志分别在压力焊专场、计算机在焊接中的应用专场、高能束及特种焊接专场等作了学术交流报告(图1)。姚君山博士在压力焊专场所作的《关键结构搅拌摩擦焊工艺与装备技术》的特邀报告在现场引起了强烈反响,彰显了联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂焊接技术的发展水平与专业实力,在场参会人员对报告内容表现出了浓厚的兴趣。

  

图1 联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂专业技术人员参会交流

本次大会共有大会报告8篇,包括中国机械工程学会宋天虎研究员的《用智慧推动焊接制造的进步》、丁培璠研究员的《中外焊接技术研究进展概述-中德篇》、北京工业大学李晓延教授的《第66界世界IIW年会报告》、北京航空制造工程研究所巩水利教授的《高能束流与特种焊接技术研究与应用》和《增量制造技术的发展》、山东大学武传松教授的《“材料基因组研究计划GMI”背景下的焊接模拟仿真》、哈尔滨工业大学刘会杰教授的《搅拌摩擦焊技术的创新发展-提高接头性能的思路与方法》、上海交通大学陈善本教授的《海洋重工装备焊接智能制造车间构建关键技术》以及哈尔滨焊接研究所张善保教授的《油气输送管焊接现状及数字化控制焊管线与预焊工艺研究》。大会报告内容篇篇精彩,涉及专业面广,在未来焊接技术的发展趋势及发展方向上给了我们较大的启发。除大会报告外,此次会议还包含了7个分会场的学术交流报告126个,征集论文共计233篇。

参加会议归来,联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂专业技术人员感慨颇深、收获良多,在此对参会的心得和体会加以总结、提炼,拟为联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂焊接专业技术的发展提供思路与参考,为联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂焊接工艺装备的开发提供市场需求指引与导向。

一、焊接专业技术发展

焊接至今仍是当前工程制造中应用*广泛、*重要的实现材料永久连接的方法,国家每一项重大工程和装备制造业的发展都不断地推动了焊接科学与技术的进步。当今焊接技术正向着以“优质、**、节能、降耗”为基本特征的自动化、智能化焊接模式以及“高精度控形”、“低损伤控性”的先进制造模式转变。

从大会报告及论文来看,高能束流及特种焊接技术在现代焊接技术的发展中占据了主导地位;增材制造技术在新兴技术领域独领**;此外,在传统的熔焊领域,还涌现出了一批新型的焊接技术。

    1. 高亮激光焊接技术

欧盟第七框架计划、欧盟蓝天联合技术创新计划、欧盟DockLaser计划、美国IHPTET计划、美国VAATE计划等,均将激光制造技术列为航天、航空工业尖端发展技术之一。

欧盟第七研发框架计划(FP7)提供部分资助,由德国弗劳恩霍夫 (Fraunhofer)协会进行总协调,欧盟多个成员国科研机构和工业企业参与的欧洲POLYBRIGHT研发团队,成功开发出一款创新型的高亮度激光束源和光束整形技术,可优质快捷地进行复杂几何形状组件的焊接,具有非常广阔的应用前景。

 

图2 高亮激光填丝焊接技术

高亮激光具有束流品质高、功率密度高等特点,有望解决大型带筋壁板类构件、大厚度承力整体构件以及复杂型面型腔功能构件等结构件的焊接,焊接厚度能力达100mm以上(见图2)。鉴于高亮激光焊接本身的优点,国外在该技术领域进行了广泛的研究,基础研究工作扎实,在制造过程能量和质量传输、金属凝固理论、组织演化规律、缺陷形成和控制机理、应力应变控制方法、运行安全和服役全寿命评估以及结构性能一体化设计等方面取得了显著的成果。

而在我国,有关高亮激光焊接技术的研究与应用则刚起步,相关重大关键技术问题都没有解决。基于联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂的现状,对于高亮激光焊的原理及工艺尚不清楚,在该领域尚存在技术空白,因此开展高亮激光焊接技术及工艺装备研究,对于航天典型型号产品的研制(带筋壁板类构件、大厚度承力整体构件以及复杂型面型腔功能构件等),对保持联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂焊接技术在国内的**优势、提高焊接制造水平具有重要意义。

2. 双光束激光焊接技术

20 世纪90 年代起,经过近10 年的研究,空客公司成功将双光束激光焊接技术应用于铝合金机身壁板结构,替代了传统的铆接结构,使飞机机身的结构概念从组装结构过渡到整体结构。该技术针对机身壁板的蒙皮-长桁结构,利用两台完全相同的CO2 激光器在长桁两侧进行双侧同步焊接,该技术避免了传统的单面焊双面成形工艺对蒙皮完整性的破坏,具有极大的优越性。

双光束激光焊接技术*早是由德国的Bias(不莱梅射线研究所)、Gkss(亥姆霍兹联合会)、Fraunhofer(福朗霍夫材料与射线研究所)、LZH(汉诺威激光研究所)、亚琛工大等众多科研院所一起参与完成的。同时,相关焊接设备由Schuler-held、M.torres、Rofin 等公司提供。除了已经研制成功的激光焊接蒙皮- 长桁结构以外,其他的激光焊接应用也正处于研发阶段。这些应用包括利用机器人焊接角片、焊接Al-Mg-Sc 材料的着陆襟翼结构以及激光焊接铝- 钛异种材料航空座椅滑轨等。

 

图3 采用双光束激光焊接的A380机头下壁板

 

图4 空客公司使用的双光束激光焊接设备

考虑到航天结构与航空结构的相似性,在航天器壁板-桁架结构的连接中,考虑到减重效果,同样可以采用双束激光焊接的方法替代现在的铆接工艺,大大改善作业环境,提高结构件的完整性。因此,基于联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂壁板、桁架结构连接的工艺技术现状,开展双束激光焊接技术及工艺装备研究,一方面可以提高联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂焊接工艺技术水平,紧跟焊接技术发展潮流,另一方面可以提高型号产品结构件连接质量,同时达到减轻自身重量、提高有效载荷的目的。图5为双束激光焊接接头微观结构图。

 

图5 双光束激光焊接

3. 高能束流熔丝增材制造技术

增材制造技术是采用把材料逐层累加的方法制造实体零件的技术(做加法),相对于传统的把材料去除/切削加工技术(做减法)来说,该方法是一种“自下而上”的快速制造方法。在航天航空等诸多领域的多品种、小批量、复杂结构的制造过程中,结构设计方案总是在不断修改完善,增材制造技术的优势在于能顺应这种变化,并做出快速反应,以无需模具而实现新结构方案的低成本短周期快速制造。

目前,增材制造已经成为了制造业**于世界的战略手段,美国NASA在该技术方面进行了大量的投入,制定了从基础研究-制定标准-行业应用-产业发展的清晰思路,同时针对电子束熔丝快速成形制定了清晰的发展规划(图8)。从2000年至今,面向太空超大型复杂金属结构制造和空间环境下的金属零件制造,开展了十多年的研究,为未来宇宙空间探索进行技术积累。

 

图6 NASA制定的电子束熔丝快速成形研究规划

 

图7 欧洲第一架3D制造无人机试飞成功(机身、油箱、发动机架为3D打印)

2015年投入使用

以前,在高能束流增材制造领域,选用的材料多为粉末,随着该技术的飞速发展,出现了以丝材作为增材制造原材料的趋势。送丝增材制造的优势在于和粉末相比,材料利用率大大提高,几乎可以达到100%。因此,从成本与经济的角度考虑,熔丝增材制造技术将是高能束流增材制造技术的发展方向。

 

图8 激光熔丝增材制造技术

 

 

图9 电子束熔丝增材制造飞机承力结构(成形毛坯总重400kg, 2100×450×300mm;沉积速率 :5-10kg/h双丝同步送进)

目前,国内625所在高能束流熔丝增材制造技术研究方面做了大量的工作,走在了国内前列。联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂的增材制造技术研究刚刚起步,应瞄准该技术的**发展方向,加快步伐,追赶国内、国际先进水平,确立联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂的这一技术领域的优势。

4. 铝合金激光窄间隙焊接技术

窄间隙焊接技术(Narrow Gap Welding, NGW)是将常规的焊接工艺与窄间隙坡口相结合,通过专门的装置和控制技术而集成的一种新型焊接技术。在厚板焊接技术领域,窄间隙焊接的技术优势逐渐凸显,本次会议中多个报告都涉及到了窄间隙焊接技术的研究与发展。

在常规激光焊中,受限于激光功率,焊接厚度比较有限。随着激光窄间隙焊接技术的出现,解决了低功率激光器焊接大厚度板材的难题,即使采用低功率光纤激光(<5KW),通过精确聚焦即可以实现窄间隙焊接。

 

图10 高亮激光填丝超窄间隙焊接

 

图11 铝合金窄间隙焊接接头截面图

厚板铝合金的激光-多层-(超)窄间隙焊接,可以有效减少焊接变形、消除焊道热裂纹等。与电弧相比,激光具有更高的柔性,因此在大厚度铝合金复杂结构件的窄间隙焊接中更具优势,在我国武器装备、光伏产业以及核聚变装置(神光系列靶室)中涉及的铝合金结构件,尤其是复杂的大厚度密封结构件的焊接中具有**优势,应用前景广阔。

5. 新型TIG焊接技术

在TIG焊接技术方面,研究人员基于提高电弧质量、改善焊缝成形等目的,也提出了一些新的想法,其中包括带压缩喷嘴的TIG焊新技术、超声电弧TIG复合焊接技术等。

带压缩喷嘴的TIG焊新技术(图12),由于压缩喷嘴的作用,电弧中心温度提高,电弧挺度变好(图13),可以显著提高电弧稳定性,改善焊缝成形,提高焊接质量。目前,针对联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂型号产品生产现状,TIG焊接技术仍占据主要地位,因此在现有技术的基础上,通过外加压缩喷嘴改善电弧稳定性、提高产品焊接质量具有重要意义。要实现该技术的应用,首先要对压缩喷嘴的结构设计、该新型的TIG焊接工艺进行研究,在此基础上掌握带压缩喷嘴的TIG焊新技术并实现型号应用。

 

图12 TIG焊压缩喷嘴设计

 

(a)                       (b)

图13 TIG电弧焊温度场比较(a)常规TIG (b)带压缩喷嘴TIG

超声电弧TIG复合焊接方法是一种新型**的TIG焊接方法。在焊接过程中高频超声振动通过机械耦合的方式被直接加载在电弧上(图14),通过超声波与焊接电弧耦合的方法,对焊缝熔池施加超声振动作用,利用超声电弧的空化作用和声流作用来提高熔池流动性,加快颗粒相扩散,细化晶粒,有助于熔池中气体的逸出,减少气孔数量,进一步提高焊缝的综合性能。

 

图14 超声电弧TIG焊接原理

在联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂常用铝合金的TIG焊接中,虽然现有技术能够满足使用要求,但在实际生产过程中也难免出现各种问题(如超标气孔、密集气孔等)。因此,开展超声-TIG复合焊接技术与工艺装备研究,一方面可以在现有技术水平基础上,大大改善现有型号产品的焊接质量;另一方面,可以使联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂在TIG焊接技术领域上一个台阶,达到一个新的技术水平。

二、市场开拓与需求

除专业技术发展外,通过本次会议还间接获得了市场发展对相关技术及工艺装备的需求信息。

  1. 旋转流变螺柱连接技术与工艺装备

旋转流变螺柱连接技术(Flow Drill System, FDS)是固定螺钉和连接车身结构的新型连接技术,主要用于铝板之间、钢板之间,或铝板和铁板之间的螺钉连接,在汽车车身的组装、装配发挥着重要作用。随着未来全铝车身的发展,将会使FDS技术 得到更广泛应用。从这一点考虑,FDS技术与工艺装备具有巨大的潜在市场。

FDS是利用螺钉的高速旋转,产生热量融化母材料,增加压力打穿母材并在母材上制作螺纹,使两层或者多层板固定在一起的连接过程。在某些方面应用了摩擦焊的某些技术特点,同时也借鉴了螺柱焊技术中螺钉传送方式和系统控制方式,是一种在熔点以下的固态连接方式。

FDS连接系统主要由螺栓流变拧紧系统、送钉及控制装置、机器人系统、控制系统等组成,如图15所示。

 

图15 FDS连接系统组成(a)机器人系统(b)螺栓流变拧紧系统(c)控制系统(d)送钉及控制系统

作为FDS 连接技术*为重要的螺栓流变拧紧系统,图16 给出了其结构示意图。该系统主要包括:枪头前端、小气缸杆、阀排、压力控制阀、检测装置(用于检测旋转角度和拧紧力。

 

图16 螺栓流变拧紧系统

FDS成型过程如图17所示,可分为6个阶段,顶紧钢板并开始旋转、高速旋转加热钢板、加大压力拧穿钢板、制作螺纹初期、制作螺纹中期和螺纹制作完毕拧紧。

 

 

 

 

 

图17 FDS连接成型过程

FDS连接技术在汽车车身的组装中具有广泛的应用前景,因此该技术及工艺装备的研发具有较大的潜在市场,在该技术和装备领域人力物力的投入将为企业带来巨大的经济效益。图18所示为FDS连接技术在车身组装中的应用。

 

图18 FDS连接应用实例

  1. 高精度、高可控自动冲铆工艺装备

目前,在国外汽车车身组装领域大量应用高精度、高可控的自动冲铆技术,该技术具有效率高、成本低、连接质量可靠等优势。国内主要汽车生产制造厂家如一汽大众、上海大众和通用等也对该技术的应用提出了迫切需求。目前,自动冲铆设备只能依靠进口,价格昂贵。

基于上述现状,自主开发高精度、高可控的自动冲铆工艺装备,能够满足汽车制造行业的迫切需求,具有广阔的市场前景,可以为联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂创造新的利益增长点。

3.管材螺旋线搅拌摩擦焊接工艺装备

哈尔滨焊接研究所周军提出管材螺旋线搅拌摩擦焊技术需求,包括工艺及装备解决方案,以实现大长度管材的螺旋线搅拌摩擦焊接连接。

4. 精密控制电阻焊工艺装备

电阻焊广泛地应用于航空、航天、汽车、轻工、家电等领域,特别是近几年来随着汽车工业等大批量生产企业的增加,电阻焊方法在整个焊接领域中的比例也在增加,其应用领域也在不断扩大。开发具有良好的工艺性能与动态响应,焊接输出精密可控,焊点质量高的电阻焊工艺与装备,以设备保证接头的可靠性和一致性,满足新材料、特别材料、特殊结构的焊接要求,达到节能降耗、改善电磁干扰、抑制飞溅的绿色制造目标成为了一种发展趋势。图19所示为电阻焊设备。

要实现上述要求,所开发的设备要能保证:

(1)参数准确稳定:包括 电流/电压/功率、压力、时间等;

(2)波形适应接头形成规律:预热、加热、变形(凸焊)、熔核扩展、结晶与冷却过程;

(3)接头质量实时控制:各种干扰的实时反馈补偿 ;

(4)智能化专家系统、自适应、功能丰富且方便更新。

 

图19 电阻焊设备

会议期间,曾到南昌航空大学焊接实验室参观,其中该实验室自主开发的电阻焊设备(图20),已卖出16台,在航空航天、汽车行业等领域应用良好。该设备自带专家系统,可通过控制程序确保焊接质量。

 

图20 南昌航空大学自主研发的电阻焊设备

三、小结

正所谓五湖四海焊接界,百家争鸣聚南昌,第十八次全国焊接学术会议为我们搭建了一个良好的交流学习平台。

了解技术发展动态,洞悉市场发展需求,保持企业技术优势,**装备研发方向。此次焊接会议,联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂专业技术人员不虚此行,在做好宣传的基础上,同时为联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂后续焊接技术的发展带来了新的思路,更重要的是为联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂装备的自主研发带来了市场需求信息。

希望联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂专业技术人员多参加此类会议,并善加总结、提炼,在提升自己的同时,为联盟责任主体单位上海航天设备制造总厂技术发展注入新的活力。