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關(guān)鍵詞：焊接 焊接材料 無鉛焊料 高能束流焊接 數(shù)值模擬 焊接自動化

21世紀(jì)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料發(fā)展中，鋼鐵仍然是占主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)材料。焊接技術(shù)作為現(xiàn)代制造業(yè)最重要的加工與成形技術(shù)之一，隨著焊接能源的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，其焊接方式與焊接工藝也實現(xiàn)了較快的發(fā)展與提高，如廣泛采用的熱、光、電、機械、化學(xué)、聲等能源，借助于熱力學(xué)、力學(xué)、以及冶金學(xué)的相互作用，逐步衍生出獨具特色的焊接物理、焊接冶金學(xué)等學(xué)科，并推動了焊接制造技術(shù)、焊接材料、以及焊接結(jié)構(gòu)工程的快速發(fā)展。

一、我國當(dāng)前焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著鋼鐵材料性能的不斷提升，焊接用鋼向高純度、輕質(zhì)化、高強化、微合金化的方向發(fā)展，與之對應(yīng)的焊接材料卻難以滿足焊接冶金理論的發(fā)展，傳統(tǒng)的焊接評價方式已經(jīng)落后，尤其是在電子電氣產(chǎn)品的生產(chǎn)中，WEEE、RoHS指令的生效，對無鉛替代釬料的技術(shù)挑戰(zhàn)，迫切需要我國加大對無鉛元器件制造、無鉛產(chǎn)品裝備及制造工藝等方面的研究。同時，對鋁、鎂、鈦等輕質(zhì)材料的不斷應(yīng)用，擴散焊、高頻焊及摩擦焊等非熔性焊接技術(shù)、釬焊、高能束流焊接技術(shù)也獲得了快速發(fā)展。焊接技術(shù)的自動化水平已經(jīng)成為提高焊接效率和提升焊接質(zhì)量的重要途徑，特別是在航天航空業(yè)、重機制造業(yè)、核電工程業(yè)等領(lǐng)域，焊接機器人以其成熟的自動化控制技術(shù)，實現(xiàn)了對焊接過程中綜合利用電弧焊、壓焊、釬焊等技術(shù)的檢測和控制，從而能夠敏銳地在捕捉焊接特征信號的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)直接焊接操作。為了實現(xiàn)對焊接過程中復(fù)雜物理化學(xué)焊接過程的模擬和仿真，利用計算機技術(shù)和仿真技術(shù)，來實現(xiàn)對焊接熱過程、焊接冶金過程中的應(yīng)力變形進行分析，從而科學(xué)預(yù)測焊縫組織與焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力及變形參數(shù)，從而推動焊接理論的發(fā)展。

二、當(dāng)前我國焊接學(xué)科研究成就及進展

1.高品質(zhì)焊接材料的生產(chǎn)與應(yīng)用

鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)，特別是精煉煉鋼技術(shù)與控壓控冷軋技術(shù)的發(fā)展，使得鋼鐵材料的性能得到了廣泛提升，而與之相對的焊接金屬，由于其自身的非平衡性結(jié)晶組織，其沖擊韌度普遍低于母材，因此，發(fā)展高品質(zhì)的焊接材料已經(jīng)成為當(dāng)前焊縫金屬亟待解決的重要難題。結(jié)合焊接潔凈度的要求，在焊接材料的選擇上，要嚴(yán)格控制其鐵合金、礦物質(zhì)等含量，如高純度鋼帶或焊絲盤圓。同時利用鋼鐵精煉技術(shù)，有效減少P、S、O、N等雜質(zhì)，近些年來對復(fù)合合金材料的應(yīng)用，也在提高冶金凈化工藝上發(fā)展了焊接冶金理念。藥芯焊絲技術(shù)是焊接材料生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，與美國、日本、德國等國家的生產(chǎn)技術(shù)相比，我國藥芯焊絲制造技術(shù)還有一定的差距，隨著對新進設(shè)備和技術(shù)的消化吸收，由我國研制的國產(chǎn)藥芯焊絲制造設(shè)備，也相繼通過了歐洲機電（CE認(rèn)證）認(rèn)證，其自動化技術(shù)與檢測技術(shù)也達到了歐洲技術(shù)要求。

2.對無鉛連接材料及無鉛可靠性技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的突破

隨著2006年WEEE和RoHS指令對電子電氣產(chǎn)品中鉛含量等有毒有害物質(zhì)的限制與禁止，我國電子工業(yè)面臨著開發(fā)無鉛連接材料的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在多年來各相關(guān)研究機構(gòu)與高校的通力配合下，在無鉛合金釬料與可靠性方面取得了較大進展。作為當(dāng)前重要的無鉛合金釬料SnCu（SC）和SnAgCu（SAC），不僅改善了無鉛合金材料的整體性能，也通過添加微量元素，改善了釬料物理性能，也提高了連接接頭的可靠性，如稀土Re的應(yīng)用，可以有效改善釬料的潤濕、蠕變抗疲勞性能。廣東省作為率先頒布無鉛技術(shù)的產(chǎn)業(yè)區(qū)域，在無鉛焊接材料、無鉛片式元器件，以及無鉛電子制造設(shè)備等方面成立了研究聯(lián)盟，推動了我國綠色電子產(chǎn)品制造技術(shù)的發(fā)展。如格力、華為、格蘭仕、美的等電子制造企業(yè)對新型無鉛連接材料的應(yīng)用，提高了我國產(chǎn)品無鉛化制造水平。

3.高能束流焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

激光技術(shù)在焊接產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，特別是激光束與電弧的復(fù)合，推動了高能束流焊接技術(shù)的迅速發(fā)展。借助于新型激光器的應(yīng)用，如激光與鎢極惰性氣體的復(fù)合、與熔化極惰性氣體的復(fù)合等，從而取得較好的激光-電弧聯(lián)合焊的焊接效果。如百瓦級激光能量與電弧復(fù)合技術(shù)，對于薄板焊接具有較好的效果，千瓦級激光能量與電弧復(fù)合技術(shù)，能夠充分發(fā)揮激光與電弧的性能優(yōu)勢，對于鎂合金、鋁合金、高強鋼等材料具有較好的焊接效果；對于萬瓦級激光能量與電弧復(fù)合技術(shù)，比較適宜對大深度焊縫的焊接，如船板等厚板的焊接要求。在工業(yè)生產(chǎn)中，采用12kWCO2激光或10kWCO2光纖激光與熔化極電弧復(fù)合技術(shù)，來實現(xiàn)對鋼板或筋板的焊接需要。

4.對焊接熱過程中的數(shù)值模擬與仿真技術(shù)的研究

對于焊接熱過程中的數(shù)值進行模擬與仿真，利用計算機技術(shù)來獲得焊接過程中的各類復(fù)雜邊界條件、殘余應(yīng)力與變形特征、熱源分布、以及焊接冶金理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如通過對焊接熱過程中的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)值的模擬與計算，實現(xiàn)了對焊縫尺寸、熱循環(huán)參數(shù)，以及熱影響區(qū)域的準(zhǔn)確預(yù)測，從而改進復(fù)合焊技術(shù)。由上海交通大學(xué)與西安交通大學(xué)聯(lián)合開展的焊接熱彈塑性理論研究工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)力與變形分布進行預(yù)測，如在大型艦艇制造中，對船體框架結(jié)構(gòu)進行焊接變形分析，從而改進焊接工藝和方法，提升焊接器件的穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。

5.對焊接技術(shù)自動化與智能化的應(yīng)用與發(fā)展

焊接技術(shù)的自動化與智能化已經(jīng)成為未來焊接產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，特別是視覺傳感與跟蹤技術(shù)的發(fā)展，對焊接過程中的熔滴過渡控制技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對機械、電弧、光等物理信息的準(zhǔn)確檢測與控制，從而對待焊接過程智能化的發(fā)展。如常見的焊接跟蹤系統(tǒng)多以激光為光源，結(jié)合不同的應(yīng)用領(lǐng)域，以點式光或條紋式光來完成焊接過程。

三、我國焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢

從我國當(dāng)前焊接材料的產(chǎn)量來看，雖然從總量上位居世界首位，但產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與高品質(zhì)焊接材料的生產(chǎn)卻與世界先進國家差距較大，主要表現(xiàn)有：一是在對焊接材料預(yù)處理上缺少專門的技術(shù)與體系，如對原材料的篩分與檢驗，對混合均勻度的控制與預(yù)燒結(jié)處理等；二是在改善焊條藥皮密實度上，我國的油壓式壓涂機的性能還不夠完善，對水玻璃的加入量需求加大，降低了藥皮的整體性能；三是在生產(chǎn)車間環(huán)境治理上，國外多以密閉方式來進行熔煉焊劑，而我國多以敞開式進行生產(chǎn)；四是焊劑生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平上，在焊劑的成形與顆粒度等方面還有很大差距；五是在無鉛連接材料與連接技術(shù)的應(yīng)用上，與國際領(lǐng)先技術(shù)相比，釬焊理論與應(yīng)用水平只在部分領(lǐng)域獲得成功，在總體技術(shù)水平，以及高端焊接產(chǎn)品、特種助焊劑方面還有待提升。

為此，發(fā)展焊接技術(shù)，提升焊接設(shè)備及焊接材料的研究水平，加大對新型焊接工藝與焊接裝備的研究投入，主要從以下幾個方面來著手：一是從焊接材料的鋼芯制造上，與鋼材企業(yè)深入合作，提高鋼芯的純凈度與高韌性；二是加大對無鉛產(chǎn)品及工藝的研究，特別是對釬焊工藝與焊點缺陷的檢測與評價，建立無鉛連接材料可靠性與壽命預(yù)測模型，鼓勵行業(yè)內(nèi)的優(yōu)秀企業(yè)強強聯(lián)合，共同推進釬焊材料的研制進度；三是加大對激光焊接技術(shù)的應(yīng)用研究，如對大功率激光器的研究，擴大其在焊接、切割等領(lǐng)域，對大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施的加工能力。借助于微觀機制法語宏觀熱效應(yīng)法，來實現(xiàn)對焊接熱過程的數(shù)值建模與仿真，通過分析與計算焊接熱過程中的動力學(xué)狀態(tài)數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確表征焊接過程，綜合評估焊接過程中各類因素的優(yōu)缺點，進而推動焊接加工工藝水平的逐步提高。

參考文獻