焊接自動化發(fā)展歷史

焊接自動化古代技術

焊接技術是隨著金屬的應用而出現(xiàn)的，古代的焊接方法主要是中國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)國時期曾侯乙墓中的建鼓銅座上有許多盤龍，是分段釬焊連接而成的。經分析，所用的與現(xiàn)代軟釬料成分相近。

戰(zhàn)國時期制造的刀劍，刀刃為鋼，刀背為熟鐵，一般是經過加熱鍛焊而成的。據(jù)明朝宋應星所著《天工開物》一書記載：中國古代將銅和鐵一起入爐加熱，經鍛打制造刀、斧；用黃泥或篩細的陳久壁土撒在接口上，分段煅焊大型船錨。中世紀，在敘利亞大馬士革也曾用鍛焊制造兵器。

古代焊接技術長期停留在鑄焊、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，無法用于大截面、長焊縫工件的焊接，只能用以制作裝飾品、簡單的工具和武器。

焊接自動化近代技術

19世紀初，英國的戴維斯發(fā)現(xiàn)電弧和氧乙炔焰兩種能局部熔化金屬的高溫熱源；1885～1887年,俄國的別納爾多斯發(fā)明碳極電弧焊鉗；1900年又出現(xiàn)了鋁熱焊。

20世紀初，碳極電弧焊和氣焊得到應用，同時還出現(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，焊接質量得到提高，使手工電弧焊進入實用階段，電弧焊從20年代起成為一種重要的焊接方法。

在此期間，美國的諾布爾利用電弧電壓控制焊條送給速度，制成自動電弧焊機，從而成為焊接機械化、自動化的開端。1930年美國的羅賓諾夫發(fā)明使用焊絲和焊劑的埋弧焊，焊接機械化得到進一步發(fā)展。40年代，為適應鋁、鎂合金和合金鋼焊接的需要，鎢極和熔化極惰性氣體保護焊相繼問世。

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)明二氧化碳氣體保護焊，促進了氣體保護電弧焊的應用和發(fā)展，如出現(xiàn)了混合氣體保護焊、藥芯焊絲氣渣聯(lián)合保護焊和自保護電弧焊等。

1957年美國的蓋奇發(fā)明等離子弧焊；40年代德國和法國發(fā)明的電子束焊，也在50年代得到實用和進一步發(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構得以焊接。

其他的焊接技術還有1887年，美國的湯普森發(fā)明電阻焊，并用于薄板的點焊和縫焊；縫焊是壓焊中最早的半機械化焊接方法，隨著縫焊過程的進行，工件被兩滾輪推送前進；二十世紀世紀20年代開始使用閃光對焊方法焊接棒材和鏈條。至此電阻焊進入實用階段。1956年，美國的瓊斯發(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)又制成真空擴散焊設備。

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》對接接頭的焊前準備工作簡單，裝配方便，焊接變形和殘余應力較小，因而在工地安裝接頭和不重要的結構上時常采用。一般來說，對接接頭不適于在交變載荷、腐蝕介質、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構上的需要。丁字接頭上未焊透的角焊縫工作特點與搭接接頭的角焊縫相似。當焊縫與外力方向垂直時便成為正面角焊縫，這時焊縫表面形狀會引起不同程度的應力集中；焊透的角焊縫受力情況與對接接頭相似。

角接頭承載能力低，一般不單獨使用，只有在焊透時，或在內外均有角焊縫時才有所改善，多用于封閉形結構的拐角處。

金屬焊接方法有40種以上，按照焊接過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。

焊接自動化熔焊

是在焊接過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，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，冷卻后形成連續(xù)焊縫而將兩工件連接成為一體。

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

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

焊接自動化壓焊

是在加壓條件下，使兩工件在固態(tài)下實現(xiàn)原子間結合，又稱固態(tài)焊接。常用的壓焊工藝是電阻對焊，當電流通過兩工件的連接端時，該處因電阻很大而溫度上升，當加熱至塑性狀態(tài)時，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是在焊接過程中施加壓力而不加填充材料。多數(shù)壓焊方法如擴散焊、高頻焊、冷壓焊等都沒有熔化過程，因而沒有象熔焊那樣的有益合金元素燒損，和有害元素侵入焊縫的問題，從而簡化了焊接過程，也改善了焊接安全衛(wèi)生條件。同時由于加熱溫度比熔焊低、加熱時間短，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度的優(yōu)質接頭。

焊接自動化釬焊

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

焊接時形成的連接兩個被連接體的接縫稱為焊縫。焊縫的兩側在焊接時會受到焊接熱作用，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)可能產生過熱、脆化、淬硬或軟化現(xiàn)象，也使焊件性能下降，惡化焊接性。這就需要調整焊接條件，焊前對焊件接口處預熱、焊時保溫和焊后熱處理可以改善焊件的焊接質量。

另外，焊接是一個局部的迅速加熱和冷卻過程，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生焊接應力和變形。重要產品焊后都需要消除焊接應力，矯正焊接變形。

現(xiàn)代焊接技術已能焊出無內外缺陷的、機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，接頭處的強度除受焊縫質量影響外，還與其幾何形狀、尺寸、受力情況和工作條件等有關。接頭的基本形式有對接、搭接、丁字接(正交接)和角接等。

對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，為了焊透而在接邊處開出各種形狀的坡口，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，除保證焊透外還應考慮施焊方便，填充金屬量少，焊接變形小和坡口加工費用低等因素。

厚度不同的兩塊鋼板對接時，為避免截面急劇變化引起嚴重的應力集中，常把較厚的板邊逐漸削薄，達到兩接邊處等厚。對接接頭的靜強度和疲勞強度比其他接頭高。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)先采用對接接頭的焊接。

未來的焊接工藝，一方面要研制新的焊接方法、焊接設備和焊接材料，以進一步提高焊接質量和安全可靠性，如改進現(xiàn)有電弧、等離子弧、電子束、激光等焊接能源；運用電子技術和控制技術，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械化和自動化水平，如焊機實現(xiàn)程序控制、數(shù)字控制；研制從準備工序、焊接到質量監(jiān)控全部過程自動化的專用焊機；在自動焊接生產線上，推廣、擴大數(shù)控的焊接機械手和焊接機器人，可以提高焊接生產水平，改善焊接衛(wèi)生安全條件。

焊接產品比鉚接件、鑄件和鍛件重量輕，對于交通運輸工具來說可以減輕自重，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、鑄造相結合，可以制成大型、經濟合理的鑄焊結構和鍛焊結構，經濟效益很高。采用焊接工藝能有效利用材料，焊接結構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，達到經濟、優(yōu)質。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。焊接結構的重量約占鋼材產量的45%，鋁和鋁合金焊接結構的比重也不斷增加。

焊接也有一些缺點；如產生焊接應力與變形，而焊接應力會削弱結構的承載能力，焊接變形會影響結構形狀和尺寸精度。焊縫中還會產生有毒有害的物質等。這些都是焊接過程中需要注意的問題。

（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或多個表面熔合成為一個整體的方法。

自動化采用具有自動控制，能自動調節(jié)、檢測、加工的機器設備、儀表，按規(guī)定的程序或指令自動進行作業(yè)的技術措施。其目的在于增加產量、提高質量、降低成本和勞動強度、保障生產安全等。自動化程度已成為衡量現(xiàn)代國家科學技術和經濟發(fā)展水平的重要標志之一。

現(xiàn)代自動化技術主要依靠計算機控制技術來實現(xiàn)。焊接生產自動化是焊接結構生產技術發(fā)展的方向。現(xiàn)代焊接自動化技術將在高性能的微機波控焊接電源基礎上發(fā)展智能化焊接設備，在現(xiàn)有的焊接機器人基礎上發(fā)展柔性焊接工作站和焊接生產線，最終實現(xiàn)焊接計算機集成制造系統(tǒng)CIMS。

在焊接設備中發(fā)展應用微機自動化控制技術，如數(shù)控焊接電源、智能焊機、全自動專用焊機和柔性焊接機器人工作站。微機控制系統(tǒng)在各種自動焊接與切割設備中的作用不僅是控制各項焊接參數(shù)，而且必須能夠自動協(xié)調成套焊接設備各組成部分的動作，實現(xiàn)無人操作，即實現(xiàn)焊接生產數(shù)控化、自動化與智能化。微機控制焊接電源已成為自動化專用焊機的主體和智能焊接設備的基礎。如微機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。微機控制的IGBT式逆變焊接電源，是實現(xiàn)智能化控制的理想設備

數(shù)控式的專用焊機大多為自動TIG焊機，如全自動管/管TIG焊機、全自動管/板TIG焊機、自動TIG焊接機床等。在焊接生產中經常需要根據(jù)焊件特點設計與制造自動化的焊接工藝裝備，如焊接機床、焊接中心、焊接生產線等自制的成套焊接設備，大多可采用通用的焊接電源、自動焊機頭、送絲機構、焊車等設備組合，并由一個可編程的微機控制系統(tǒng)將其統(tǒng)一協(xié)調成一個整體。

本書主要講述基于數(shù)控與智能控制的現(xiàn)代焊接自動化技術的應用與開發(fā)知識。本書的主要內容有：焊接自動化技術概述、焊接自動化設備結構組成、焊接自動化設備機械結構、焊接自動化傳感技術與控制系統(tǒng)、焊接自動化設備設計與應用實例以及焊接自動化熱點技術研究與發(fā)展前景等。書中列舉了大量實例進行分析說明，通俗易懂，具有實用性與先進性?？晒氖潞附由a的工程技術人員閱讀和參考，也可供焊接方向的大專、本科學生與研究生參考。

序

編寫說明

前言

第1章 緒論

1.1 焊接自動化的概念

1.2 焊接自動化系統(tǒng)

1.3 焊接自動化的關鍵技術

1.4 焊接自動化的發(fā)展趨勢

1.5 學習本課程的目的和要求

復習思考題

第2章 焊接自動化中的控制技術基礎

2.1 焊接自動控制的概念

2.1.1 基本概念

2.1.2 反饋控制原理

2.1.3 焊接自動控制系統(tǒng)的分類

2.1.4 自動控制系統(tǒng)的基本特性

2.2 開環(huán)控制與閉環(huán)控制

2.2.1 開環(huán)控制與開環(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 焊接自動化中常用的控制策略

2.3.1 PID控制

2.3.2 串級控制

2.3.3 自適應控制

2.3.4 變結構控制

2.3.5 模糊控制

2.3.6 神經網絡控制

2.3.7 復合控制

復習思考題

第3章 焊接自動化中的傳感技術

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 信號放大電路

3.2.2 信號運算電路

3.2.3 信號分離電路

3.2.4 信號轉換電路

3.3 位置傳感器及其在焊接自動化中的應用

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化中的應用

3.4 位移與速度傳感器及其在焊接自動化中的應用

3.4.1 差動變壓器

3.4.2 光柵尺

3.4.3 測速發(fā)電機

3.4.4 光電式轉速傳感器

3.4.5 位置傳感器檢測位移和轉速

3.5 光電編碼器及其在焊接自動化中的應用

3.5.1 絕對編碼器

3.5.2 增量編碼器

3.5.3 編碼器在焊接自動化中的應用

復習思考題

第4章 焊接自動化中的電動機控制技術

4.1 概述

4.2 繼電接觸器控制系統(tǒng)

4.2.1 三相交流電動機的直接起停控制

4.2.2 三相交流電動機的正反轉控制

4.2.3 三相交流電動機的降壓起動控制

4.2.4 三相交流電動機的制動控制

4.3 焊接自動化中的直流電動機及其控制原理

4.3.1 直流電動機及其靜態(tài)特性

4.3.2 直流伺服電動機的技術指標

4.3.3 直流電動機的速度控制原理

……

第5章 焊接自動化中的單片機控制技術

第6章 焊接自動化中的PLC控制技術

第7章 焊接機器人技術

附錄 MCS-51單片機指令系統(tǒng)速查表

參考文獻 2100433B

• 前言

• 第一章緒論

• 第二章焊接計算機控制系統(tǒng)設計基礎

• 第三章數(shù)字控制器連續(xù)化設計方法

• 第四章數(shù)字控制器離散化設計方法

• 第五章焊接智能控制算法

• 第六章焊接自動化中的傳感器與執(zhí)行元件

• 第七章焊接自動化中的DSP控制技術

• 第八章焊接自動化中的現(xiàn)場總線技術

• 第九章焊接自動化中的數(shù)據(jù)處理技術

• 第十章機器人控制技術基礎

• 參考文獻

• 附錄拉普拉斯變換及z變換簡表