浅谈我国的焊接技术现状及其发展

摘 要：焊接技术是现代制造业最常用的材料成形和加工技术，对于我国焊接制造技术的发展现状进行研究，特别是加快对焊接热过程、焊接冶金学、焊接残余应力与变形等方面的数值模拟研究，以深入分析焊接过程中复杂的物理及化学现象，从而提高焊接生产效率。为此，本文对焊接技术现状及取得的最新科技进展进行分析及总结，并浅谈未来我国焊接技术的发展趋势。

关键词：焊接 焊接材料 无铅焊料 高能束流焊接 数值模拟 焊接自动化

21世纪在基础结构材料发展中，钢铁仍然是占主导地位的基础材料。焊接技术作为现代制造业最重要的加工与成形技术之一，随着焊接能源的不断创新与发展，其焊接方式与焊接工艺也实现了较快的发展与提高，如广泛采用的热、光、电、机械、化学、声等能源，借助于热力学、力学、以及冶金学的相互作用，逐步衍生出独具特色的焊接物理、焊接冶金学等学科，并推动了焊接制造技术、焊接材料、以及焊接结构工程的快速发展。

一、我国当前焊接技术的发展现状

随着钢铁材料性能的不断提升，焊接用钢向高纯度、轻质化、高强化、微合金化的方向发展，与之对应的焊接材料却难以满足焊接冶金理论的发展，传统的焊接评价方式已经落后，尤其是在电子电气产品的生产中，WEEE、RoHS指令的生效，对无铅替代钎料的技术挑战，迫切需要我国加大对无铅元器件制造、无铅产品装备及制造工艺等方面的研究。同时，对铝、镁、钛等轻质材料的不断应用，扩散焊、高频焊及摩擦焊等非熔性焊接技术、钎焊、高能束流焊接技术也获得了快速发展。焊接技术的自动化水平已经成为提高焊接效率和提升焊接质量的重要途径，特别是在航天航空业、重机制造业、核电工程业等领域，焊接机器人以其成熟的自动化控制技术，实现了对焊接过程中综合利用电弧焊、压焊、钎焊等技术的检测和控制，从而能够敏锐地在捕捉焊接特征信号的基础上，实现直接焊接操作。为了实现对焊接过程中复杂物理化学焊接过程的模拟和仿真，利用计算机技术和仿真技术，来实现对焊接热过程、焊接冶金过程中的应力变形进行分析，从而科学预测焊缝组织与焊接结构的残余应力及变形参数，从而推动焊接理论的发展。

二、当前我国焊接学科研究成就及进展

1.高品质焊接材料的生产与应用

钢铁生产技术，特别是精炼炼钢技术与控压控冷轧技术的发展，使得钢铁材料的性能得到了广泛提升，而与之相对的焊接金属，由于其自身的非平衡性结晶组织，其冲击韧度普遍低于母材，因此，发展高品质的焊接材料已经成为当前焊缝金属亟待解决的重要难题。结合焊接洁净度的要求，在焊接材料的选择上，要严格控制其铁合金、矿物质等含量，如高纯度钢带或焊丝盘圆。同时利用钢铁精炼技术，有效减少P、S、O、N等杂质，近些年来对复合合金材料的应用，也在提高冶金净化工艺上发展了焊接冶金理念。药芯焊丝技术是焊接材料生产中的关键技术，与美国、日本、德国等国家的生产技术相比，我国药芯焊丝制造技术还有一定的差距，随着对新进设备和技术的消化吸收，由我国研制的国产药芯焊丝制造设备，也相继通过了欧洲机电（CE认证）认证，其自动化技术与检测技术也达到了欧洲技术要求。

2.对无铅连接材料及无铅可靠性技术与标准的突破

随着2006年WEEE和RoHS指令对电子电气产品中铅含量等有毒有害物质的限制与禁止，我国电子工业面临着开发无铅连接材料的严峻挑战。在多年来各相关研究机构与高校的通力配合下，在无铅合金钎料与可靠性方面取得了较大进展。作为当前重要的无铅合金钎料SnCu（SC）和SnAgCu（SAC），不仅改善了无铅合金材料的整体性能，也通过添加微量元素，改善了钎料物理性能，也提高了连接接头的可靠性，如稀土Re的应用，可以有效改善钎料的润湿、蠕变抗疲劳性能。广东省作为率先颁布无铅技术的产业区域，在无铅焊接材料、无铅片式元器件，以及无铅电子制造设备等方面成立了研究联盟，推动了我国绿色电子产品制造技术的发展。如格力、华为、格兰仕、美的等电子制造企业对新型无铅连接材料的应用，提高了我国产品无铅化制造水平。

3.高能束流焊接技术的应用与发展

激光技术在焊接产业中的应用，特别是激光束与电弧的复合，推动了高能束流焊接技术的迅速发展。借助于新型激光器的应用，如激光与钨极惰性气体的复合、与熔化极惰性气体的复合等，从而取得较好的激光-电弧联合焊的焊接效果。如百瓦级激光能量与电弧复合技术，对于薄板焊接具有较好的效果，千瓦级激光能量与电弧复合技术，能够充分发挥激光与电弧的性能优势，对于镁合金、铝合金、高强钢等材料具有较好的焊接效果；对于万瓦级激光能量与电弧复合技术，比较适宜对大深度焊缝的焊接，如船板等厚板的焊接要求。在工业生产中，采用12kWCO2激光或10kWCO2光纤激光与熔化极电弧复合技术，来实现对钢板或筋板的焊接需要。

4.对焊接热过程中的数值模拟与仿真技术的研究

对于焊接热过程中的数值进行模拟与仿真，利用计算机技术来获得焊接过程中的各类复杂边界条件、残余应力与变形特征、热源分布、以及焊接冶金理论基础数据，如通过对焊接热过程中的准稳态和瞬态数值的模拟与计算，实现了对焊缝尺寸、热循环参数，以及热影响区域的准确预测，从而改进复合焊技术。由上海交通大学与西安交通大学联合开展的焊接热弹塑性理论研究工作，能够实现对大型复杂结构焊接中的应力与变形分布进行预测，如在大型舰艇制造中，对船体框架结构进行焊接变形分析，从而改进焊接工艺和方法，提升焊接器件的稳定性具有重要的指导意义。

5.对焊接技术自动化与智能化的应用与发展

焊接技术的自动化与智能化已经成为未来焊接产业发展的方向，特别是视觉传感与跟踪技术的发展，对焊接过程中的熔滴过渡控制技术的应用，可以实现对机械、电弧、光等物理信息的准确检测与控制，从而对待焊接过程智能化的发展。如常见的焊接跟踪系统多以激光为光源，结合不同的应用领域，以点式光或条纹式光来完成焊接过程。

三、我国焊接技术的发展趋势

从我国当前焊接材料的产量来看，虽然从总量上位居世界首位，但产品的结构与高品质焊接材料的生产却与世界先进国家差距较大，主要表现有：一是在对焊接材料预处理上缺少专门的技术与体系，如对原材料的筛分与检验，对混合均匀度的控制与预烧结处理等；二是在改善焊条药皮密实度上，我国的油压式压涂机的性能还不够完善，对水玻璃的加入量需求加大，降低了药皮的整体性能；三是在生产车间环境治理上，国外多以密闭方式来进行熔炼焊剂，而我国多以敞开式进行生产；四是焊剂生产设备的自动化水平上，在焊剂的成形与颗粒度等方面还有很大差距；五是在无铅连接材料与连接技术的应用上，与国际领先技术相比，钎焊理论与应用水平只在部分领域获得成功，在总体技术水平，以及高端焊接产品、特种助焊剂方面还有待提升。

为此，发展焊接技术，提升焊接设备及焊接材料的研究水平，加大对新型焊接工艺与焊接装备的研究投入，主要从以下几个方面来着手：一是从焊接材料的钢芯制造上，与钢材企业深入合作，提高钢芯的纯净度与高韧性；二是加大对无铅产品及工艺的研究，特别是对钎焊工艺与焊点缺陷的检测与评价，建立无铅连接材料可靠性与寿命预测模型，鼓励行业内的优秀企业强强联合，共同推进钎焊材料的研制进度；三是加大对激光焊接技术的应用研究，如对大功率激光器的研究，扩大其在焊接、切割等领域，对大型钢结构设施的加工能力。借助于微观机制法语宏观热效应法，来实现对焊接热过程的数值建模与仿真，通过分析与计算焊接热过程中的动力学状态数据，为准确表征焊接过程，综合评估焊接过程中各类因素的优缺点，进而推动焊接加工工艺水平的逐步提高。

参考文献

[1] 温鹏，王威，谭向虎，单际国，王旭友，林尚扬. 激光能量和辅助气体对切割能力影响的数值模拟[J]. 焊接学报. 2013（04） .

[2] 张兵志，徐龙堂，李超，张明，朱胜.焊丝药芯成分中FeSi45和FeS的添加量对焊缝金属润湿铺展性的影响[J]. 兵工学报. 2013（05）.