焊接自動(dòng)化

焊接自動(dòng)化古代技術(shù)

焊接技術(shù)是隨著金屬的應(yīng)用而出現(xiàn)的，古代的焊接方法主要是中國(guó)商朝制造的鐵刃銅鉞，就是鐵與銅的鑄焊件，其表面銅與鐵的熔合線蜿蜒曲折，接合良好。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期曾侯乙墓中的建鼓銅座上有許多盤(pán)龍，是分段釬焊連接而成的。經(jīng)分析，所用的與現(xiàn)代軟釬料成分相近。

戰(zhàn)國(guó)時(shí)期制造的刀劍，刀刃為鋼，刀背為熟鐵，一般是經(jīng)過(guò)加熱鍛焊而成的。據(jù)明朝宋應(yīng)星所著《天工開(kāi)物》一書(shū)記載：中國(guó)古代將銅和鐵一起入爐加熱，經(jīng)鍛打制造刀、斧；用黃泥或篩細(xì)的陳久壁土撒在接口上，分段煅焊大型船錨。中世紀(jì)，在敘利亞大馬士革也曾用鍛焊制造兵器。

古代焊接技術(shù)長(zhǎng)期停留在鑄焊、鍛焊和釬焊的水平上，使用的熱源都是爐火，溫度低、能量不集中，無(wú)法用于大截面、長(zhǎng)焊縫工件的焊接，只能用以制作裝飾品、簡(jiǎn)單的工具和武器。

焊接自動(dòng)化近代技術(shù)

19世紀(jì)初，英國(guó)的戴維斯發(fā)現(xiàn)電弧和氧乙炔焰兩種能局部熔化金屬的高溫?zé)嵩矗?885～1887年,俄國(guó)的別納爾多斯發(fā)明碳極電弧焊鉗；1900年又出現(xiàn)了鋁熱焊。

20世紀(jì)初，碳極電弧焊和氣焊得到應(yīng)用，同時(shí)還出現(xiàn)了薄藥皮焊條電弧焊，電弧比較穩(wěn)定，焊接熔池受到熔渣保護(hù)，焊接質(zhì)量得到提高，使手工電弧焊進(jìn)入實(shí)用階段，電弧焊從20年代起成為一種重要的焊接方法。

在此期間，美國(guó)的諾布爾利用電弧電壓控制焊條送給速度，制成自動(dòng)電弧焊機(jī)，從而成為焊接機(jī)械化、自動(dòng)化的開(kāi)端。1930年美國(guó)的羅賓諾夫發(fā)明使用焊絲和焊劑的埋弧焊，焊接機(jī)械化得到進(jìn)一步發(fā)展。40年代，為適應(yīng)鋁、鎂合金和合金鋼焊接的需要，鎢極和熔化極惰性氣體保護(hù)焊相繼問(wèn)世。

1951年蘇聯(lián)的巴頓電焊研究所創(chuàng)造電渣焊，成為大厚度工件的高效焊接法。1953年，蘇聯(lián)的柳巴夫斯基等人發(fā)明二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，促進(jìn)了氣體保護(hù)電弧焊的應(yīng)用和發(fā)展，如出現(xiàn)了混合氣體保護(hù)焊、藥芯焊絲氣渣聯(lián)合保護(hù)焊和自保護(hù)電弧焊等。

1957年美國(guó)的蓋奇發(fā)明等離子弧焊；40年代德國(guó)和法國(guó)發(fā)明的電子束焊，也在50年代得到實(shí)用和進(jìn)一步發(fā)展；60年代又出現(xiàn)激光焊等離子、電子束和激光焊接方法的出現(xiàn)，標(biāo)志著高能量密度熔焊的新發(fā)展，大大改善了材料的焊接性，使許多難以用其他方法焊接的材料和結(jié)構(gòu)得以焊接。

其他的焊接技術(shù)還有1887年，美國(guó)的湯普森發(fā)明電阻焊，并用于薄板的點(diǎn)焊和縫焊；縫焊是壓焊中最早的半機(jī)械化焊接方法，隨著縫焊過(guò)程的進(jìn)行，工件被兩滾輪推送前進(jìn)；二十世紀(jì)世紀(jì)20年代開(kāi)始使用閃光對(duì)焊方法焊接棒材和鏈條。至此電阻焊進(jìn)入實(shí)用階段。1956年，美國(guó)的瓊斯發(fā)明超聲波焊；蘇聯(lián)的丘季科夫發(fā)明摩擦焊；1959年，美國(guó)斯坦福研究所研究成功爆炸焊；50年代末蘇聯(lián)又制成真空擴(kuò)散焊設(shè)備。

金屬焊接方法有40種以上，按照焊接過(guò)程中金屬所處的狀態(tài)不同，可以把焊接方法分為熔焊、壓焊和釬焊三大類。

焊接自動(dòng)化熔焊

是在焊接過(guò)程中將工件接口加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。熔焊時(shí)，熱源將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池。熔池隨熱源向前移動(dòng)，冷卻后形成連續(xù)焊縫而將兩工件連接成為一體。

在熔焊過(guò)程中，如果大氣與高溫的熔池直接接觸，大氣中的氧就會(huì)氧化金屬和各種合金元素。大氣中的氮、水蒸汽等進(jìn)入熔池，還會(huì)在隨后冷卻過(guò)程中在焊縫中形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，惡化焊縫的質(zhì)量和性能。

為了提高焊接質(zhì)量，人們研究出了各種保護(hù)方法。例如，氣體保護(hù)電弧焊就是用氬、二氧化碳等氣體隔絕大氣，以保護(hù)焊接時(shí)的電弧和熔池率；又如鋼材焊接時(shí)，在焊條藥皮中加入對(duì)氧親和力大的鈦鐵粉進(jìn)行脫氧，就可以保護(hù)焊條中有益元素錳、硅等免于氧化而進(jìn)入熔池，冷卻后獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。

焊接自動(dòng)化壓焊

是在加壓條件下，使兩工件在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合，又稱固態(tài)焊接。常用的壓焊工藝是電阻對(duì)焊，當(dāng)電流通過(guò)兩工件的連接端時(shí)，該處因電阻很大而溫度上升，當(dāng)加熱至塑性狀態(tài)時(shí)，在軸向壓力作用下連接成為一體。

各種壓焊方法的共同特點(diǎn)是在焊接過(guò)程中施加壓力而不加填充材料。多數(shù)壓焊方法如擴(kuò)散焊、高頻焊、冷壓焊等都沒(méi)有熔化過(guò)程，因而沒(méi)有象熔焊那樣的有益合金元素?zé)龘p，和有害元素侵入焊縫的問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化了焊接過(guò)程，也改善了焊接安全衛(wèi)生條件。同時(shí)由于加熱溫度比熔焊低、加熱時(shí)間短，因而熱影響區(qū)小。許多難以用熔化焊焊接的材料，往往可以用壓焊焊成與母材同等強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)接頭。

焊接自動(dòng)化釬焊

是使用比工件熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于工件熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕工件，填充接口間隙并與工件實(shí)現(xiàn)原子間的相互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)焊接的方法。

焊接時(shí)形成的連接兩個(gè)被連接體的接縫稱為焊縫。焊縫的兩側(cè)在焊接時(shí)會(huì)受到焊接熱作用，而發(fā)生組織和性能變化，這一區(qū)域被稱為熱影響區(qū)。焊接時(shí)因工件材料焊接材料、焊接電流等不同，焊后在焊縫和熱影響區(qū)可能產(chǎn)生過(guò)熱、脆化、淬硬或軟化現(xiàn)象，也使焊件性能下降，惡化焊接性。這就需要調(diào)整焊接條件，焊前對(duì)焊件接口處預(yù)熱、焊時(shí)保溫和焊后熱處理可以改善焊件的焊接質(zhì)量。

另外，焊接是一個(gè)局部的迅速加熱和冷卻過(guò)程，焊接區(qū)由于受到四周工件本體的拘束而不能自由膨脹和收縮，冷卻后在焊件中便產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。重要產(chǎn)品焊后都需要消除焊接應(yīng)力，矯正焊接變形。

現(xiàn)代焊接技術(shù)已能焊出無(wú)內(nèi)外缺陷的、機(jī)械性能等于甚至高于被連接體的焊縫。被焊接體在空間的相互位置稱為焊接接頭，接頭處的強(qiáng)度除受焊縫質(zhì)量影響外，還與其幾何形狀、尺寸、受力情況和工作條件等有關(guān)。接頭的基本形式有對(duì)接、搭接、丁字接(正交接)和角接等。

對(duì)接接頭焊縫的橫截面形狀，決定于被焊接體在焊接前的厚度和兩接邊的坡口形式。焊接較厚的鋼板時(shí)，為了焊透而在接邊處開(kāi)出各種形狀的坡口，以便較容易地送入焊條或焊絲。坡口形式有單面施焊的坡口和兩面施焊的坡口。選擇坡口形式時(shí)，除保證焊透外還應(yīng)考慮施焊方便，填充金屬量少，焊接變形小和坡口加工費(fèi)用低等因素。

厚度不同的兩塊鋼板對(duì)接時(shí)，為避免截面急劇變化引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，常把較厚的板邊逐漸削薄，達(dá)到兩接邊處等厚。對(duì)接接頭的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度比其他接頭高。在交變、沖擊載荷下或在低溫高壓容器中工作的聯(lián)接，常優(yōu)先采用對(duì)接接頭的焊接。

（塑料）焊接 采用加熱和加壓或其他方法使熱塑性塑料制品的兩個(gè)或多個(gè)表面熔合成為一個(gè)整體的方法。

自動(dòng)化采用具有自動(dòng)控制，能自動(dòng)調(diào)節(jié)、檢測(cè)、加工的機(jī)器設(shè)備、儀表，按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)進(jìn)行作業(yè)的技術(shù)措施。其目的在于增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本和勞動(dòng)強(qiáng)度、保障生產(chǎn)安全等。自動(dòng)化程度已成為衡量現(xiàn)代國(guó)家科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。

現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)主要依靠計(jì)算機(jī)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。焊接生產(chǎn)自動(dòng)化是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的方向?，F(xiàn)代焊接自動(dòng)化技術(shù)將在高性能的微機(jī)波控焊接電源基礎(chǔ)上發(fā)展智能化焊接設(shè)備，在現(xiàn)有的焊接機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展柔性焊接工作站和焊接生產(chǎn)線，最終實(shí)現(xiàn)焊接計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS。

在焊接設(shè)備中發(fā)展應(yīng)用微機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)，如數(shù)控焊接電源、智能焊機(jī)、全自動(dòng)專用焊機(jī)和柔性焊接機(jī)器人工作站。微機(jī)控制系統(tǒng)在各種自動(dòng)焊接與切割設(shè)備中的作用不僅是控制各項(xiàng)焊接參數(shù)，而且必須能夠自動(dòng)協(xié)調(diào)成套焊接設(shè)備各組成部分的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，即實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)數(shù)控化、自動(dòng)化與智能化。微機(jī)控制焊接電源已成為自動(dòng)化專用焊機(jī)的主體和智能焊接設(shè)備的基礎(chǔ)。如微機(jī)控制的晶閘管弧焊電源、晶體管弧焊電源、逆變弧焊電源、多功能弧焊電源、脈沖弧焊電源等。微機(jī)控制的IGBT式逆變焊接電源，是實(shí)現(xiàn)智能化控制的理想設(shè)備

數(shù)控式的專用焊機(jī)大多為自動(dòng)TIG焊機(jī)，如全自動(dòng)管/管TIG焊機(jī)、全自動(dòng)管/板TIG焊機(jī)、自動(dòng)TIG焊接機(jī)床等。在焊接生產(chǎn)中經(jīng)常需要根據(jù)焊件特點(diǎn)設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化的焊接工藝裝備，如焊接機(jī)床、焊接中心、焊接生產(chǎn)線等自制的成套焊接設(shè)備，大多可采用通用的焊接電源、自動(dòng)焊機(jī)頭、送絲機(jī)構(gòu)、焊車等設(shè)備組合，并由一個(gè)可編程的微機(jī)控制系統(tǒng)將其統(tǒng)一協(xié)調(diào)成一個(gè)整體。

焊接產(chǎn)品比鉚接件、鑄件和鍛件重量輕，對(duì)于交通運(yùn)輸工具來(lái)說(shuō)可以減輕自重，節(jié)約能量。焊接的密封性好，適于制造各類容器。發(fā)展聯(lián)合加工工藝，使焊接與鍛造、鑄造相結(jié)合，可以制成大型、經(jīng)濟(jì)合理的鑄焊結(jié)構(gòu)和鍛焊結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)效益很高。采用焊接工藝能有效利用材料，焊接結(jié)構(gòu)可以在不同部位采用不同性能的材料，充分發(fā)揮各種材料的特長(zhǎng)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)。焊接已成為現(xiàn)代工業(yè)中一種不可缺少，而且日益重要的加工工藝方法。

在近代的金屬加工中，焊接比鑄造、鍛壓工藝發(fā)展較晚，但發(fā)展速度很快。焊接結(jié)構(gòu)的重量約占鋼材產(chǎn)量的45%，鋁和鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的比重也不斷增加。

焊接也有一些缺點(diǎn)；如產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形，而焊接應(yīng)力會(huì)削弱結(jié)構(gòu)的承載能力，焊接變形會(huì)影響結(jié)構(gòu)形狀和尺寸精度。焊縫中還會(huì)產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)等。這些都是焊接過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。

用焊接方法連接的接頭稱為焊接接頭，它主要起連接和傳遞力的作用。焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分組成，如圖《焊接接頭》對(duì)接接頭的焊前準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單，裝配方便，焊接變形和殘余應(yīng)力較小，因而在工地安裝接頭和不重要的結(jié)構(gòu)上時(shí)常采用。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)接接頭不適于在交變載荷、腐蝕介質(zhì)、高溫或低溫等條件下工作。

采用丁字接頭和角接頭通常是由于結(jié)構(gòu)上的需要。丁字接頭上未焊透的角焊縫工作特點(diǎn)與搭接接頭的角焊縫相似。當(dāng)焊縫與外力方向垂直時(shí)便成為正面角焊縫，這時(shí)焊縫表面形狀會(huì)引起不同程度的應(yīng)力集中；焊透的角焊縫受力情況與對(duì)接接頭相似。

角接頭承載能力低，一般不單獨(dú)使用，只有在焊透時(shí)，或在內(nèi)外均有角焊縫時(shí)才有所改善，多用于封閉形結(jié)構(gòu)的拐角處。

未來(lái)的焊接工藝，一方面要研制新的焊接方法、焊接設(shè)備和焊接材料，以進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量和安全可靠性，如改進(jìn)現(xiàn)有電弧、等離子弧、電子束、激光等焊接能源；運(yùn)用電子技術(shù)和控制技術(shù)，改善電弧的工藝性能，研制可靠輕巧的電弧跟蹤方法。

另一方面要提高焊接機(jī)械化和自動(dòng)化水平，如焊機(jī)實(shí)現(xiàn)程序控制、數(shù)字控制；研制從準(zhǔn)備工序、焊接到質(zhì)量監(jiān)控全部過(guò)程自動(dòng)化的專用焊機(jī)；在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線上，推廣、擴(kuò)大數(shù)控的焊接機(jī)械手和焊接機(jī)器人，可以提高焊接生產(chǎn)水平，改善焊接衛(wèi)生安全條件。

本書(shū)主要講述基于數(shù)控與智能控制的現(xiàn)代焊接自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)知識(shí)。本書(shū)的主要內(nèi)容有：焊接自動(dòng)化技術(shù)概述、焊接自動(dòng)化設(shè)備結(jié)構(gòu)組成、焊接自動(dòng)化設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)、焊接自動(dòng)化傳感技術(shù)與控制系統(tǒng)、焊接自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例以及焊接自動(dòng)化熱點(diǎn)技術(shù)研究與發(fā)展前景等。書(shū)中列舉了大量實(shí)例進(jìn)行分析說(shuō)明，通俗易懂，具有實(shí)用性與先進(jìn)性?？晒氖潞附由a(chǎn)的工程技術(shù)人員閱讀和參考，也可供焊接方向的大專、本科學(xué)生與研究生參考。

序

編寫(xiě)說(shuō)明

前言

第1章 緒論

1.1 焊接自動(dòng)化的概念

1.2 焊接自動(dòng)化系統(tǒng)

1.3 焊接自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)

1.4 焊接自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)

1.5 學(xué)習(xí)本課程的目的和要求

復(fù)習(xí)思考題

第2章 焊接自動(dòng)化中的控制技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 焊接自動(dòng)控制的概念

2.1.1 基本概念

2.1.2 反饋控制原理

2.1.3 焊接自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

2.1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本特性

2.2 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制

2.2.1 開(kāi)環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

2.2.2 閉環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.2.3 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較

2.3 焊接自動(dòng)化中常用的控制策略

2.3.1 PID控制

2.3.2 串級(jí)控制

2.3.3 自適應(yīng)控制

2.3.4 變結(jié)構(gòu)控制

2.3.5 模糊控制

2.3.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

2.3.7 復(fù)合控制

復(fù)習(xí)思考題

第3章 焊接自動(dòng)化中的傳感技術(shù)

3.1 概述

3.1.1 傳感器的概念

3.1.2 傳感器的特性

3.1.3 傳感器的分類

3.2 傳感器信息處理的基本電路

3.2.1 信號(hào)放大電路

3.2.2 信號(hào)運(yùn)算電路

3.2.3 信號(hào)分離電路

3.2.4 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

3.3 位置傳感器及其在焊接自動(dòng)化中的應(yīng)用

3.3.1 接觸式位置傳感器

3.3.2 接近式位置傳感器

3.3.3 位置傳感器在焊接自動(dòng)化中的應(yīng)用

3.4 位移與速度傳感器及其在焊接自動(dòng)化中的應(yīng)用

3.4.1 差動(dòng)變壓器

3.4.2 光柵尺

3.4.3 測(cè)速發(fā)電機(jī)

3.4.4 光電式轉(zhuǎn)速傳感器

3.4.5 位置傳感器檢測(cè)位移和轉(zhuǎn)速

3.5 光電編碼器及其在焊接自動(dòng)化中的應(yīng)用

3.5.1 絕對(duì)編碼器

3.5.2 增量編碼器

3.5.3 編碼器在焊接自動(dòng)化中的應(yīng)用

復(fù)習(xí)思考題

第4章 焊接自動(dòng)化中的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)

4.1 概述

4.2 繼電接觸器控制系統(tǒng)

4.2.1 三相交流電動(dòng)機(jī)的直接起?？刂?

4.2.2 三相交流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制

4.2.3 三相交流電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)控制

4.2.4 三相交流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)控制

4.3 焊接自動(dòng)化中的直流電動(dòng)機(jī)及其控制原理

4.3.1 直流電動(dòng)機(jī)及其靜態(tài)特性

4.3.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

4.3.3 直流電動(dòng)機(jī)的速度控制原理

……

第5章 焊接自動(dòng)化中的單片機(jī)控制技術(shù)

第6章 焊接自動(dòng)化中的PLC控制技術(shù)

第7章 焊接機(jī)器人技術(shù)

附錄 MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)速查表

參考文獻(xiàn) 2100433B

• 前言

• 第一章緒論

• 第二章焊接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

• 第三章數(shù)字控制器連續(xù)化設(shè)計(jì)方法

• 第四章數(shù)字控制器離散化設(shè)計(jì)方法

• 第五章焊接智能控制算法

• 第六章焊接自動(dòng)化中的傳感器與執(zhí)行元件

• 第七章焊接自動(dòng)化中的DSP控制技術(shù)

• 第八章焊接自動(dòng)化中的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

• 第九章焊接自動(dòng)化中的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

• 第十章機(jī)器人控制技術(shù)基礎(chǔ)

• 參考文獻(xiàn)

• 附錄拉普拉斯變換及z變換簡(jiǎn)表