1 我國焊接生產(chǎn)的現狀

焊接是一種將材料永久連接，成為具有給定功能的結構的制造技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從幾十萬(wàn)載重噸的巨輪到不足 1 克的微電子元件，在生產(chǎn)中都不同程度地依賴(lài)焊接技術(shù)。焊接已經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和壽命，以及生產(chǎn)的成本、效率和市場(chǎng)反應速度。我國 2004 年的鋼產(chǎn)量達到 2.6 億多噸， 如果再加上進(jìn)口的鋼材， 國內市場(chǎng)流通的鋼材總量接近 2.8 億噸，成為世界最大的鋼材生產(chǎn)國和消費國。目前，鋼材是我國最主要的結構材料， 在今后 20 年內，鋼材仍將占有重要的地位。然而，鋼材必須經(jīng)過(guò)加工才能成為有給定功能的產(chǎn)品。 由于焊接結構具有重量輕、成本低、質(zhì)量穩定、生產(chǎn)周期短、效率高、市場(chǎng)反應速度快等優(yōu)點(diǎn)，焊接結構的應用將日益增多。 2004年我國用焊接方法加工的鋼材總量已經(jīng)突破 1 億噸，成為世界上最大的焊接大國。焊接在國民經(jīng)濟建設和社會(huì )發(fā)展中發(fā)揮著(zhù)無(wú)可替代的重要作用，因此，發(fā)展我國制造業(yè)， 尤其是裝備制造業(yè)和造船業(yè)，必須高度重視焊接技術(shù)的同步提高。

為了完成諸多重要產(chǎn)品的焊接任務(wù)，在近 25年來(lái)我國已經(jīng)先后自行研制、開(kāi)發(fā)和引進(jìn)了一些先進(jìn)的焊接設備、技術(shù)和材料。目前國外在生產(chǎn)中已經(jīng)采用的成熟焊接方法、材料與裝備在我國也都有應用，只是應用規模和廣度不同。我國的制造企業(yè)已經(jīng)在采用諸如電子束焊接、 激光焊接、 激光釬焊、激光切割、激光與電弧復合熱源焊接、 水射流切割、雙絲或單絲窄間隙埋弧焊、 4 絲高速埋弧焊、雙絲脈沖氣體保護焊、等離子焊接、精細等離子切割、數控切割系統、 機器人焊接系統、 焊接柔性生產(chǎn)線(xiàn)、STT 焊接電源、變極性焊接電源和全數字化焊接電源等等技術(shù)或設備。甚至目前在國際上比較熱門(mén)的攪拌摩擦焊技術(shù)，也正準備應用到產(chǎn)品的生產(chǎn)。我國的焊接工作者一直在積極努力追趕國際先進(jìn)水平，但是要趕上世界先進(jìn)水平還有一段很長(cháng)的路要走，需要政、產(chǎn)、學(xué)、研的合作與共同的努力。

1.1 我國焊接材料生產(chǎn)與應用現狀

一個(gè)國家焊接消耗材料的生產(chǎn)情況可以反映該國焊接技術(shù)的總體水平。從圖 1 可以清楚地看出我國焊材的生產(chǎn)，總體上是與鋼材同步增長(cháng)的。近 8年來(lái)產(chǎn)量增加了兩倍多。僅統計焊條與焊絲， 1996年的產(chǎn)量為 62.96 萬(wàn)噸，發(fā)展到 2003 年已達 192.9萬(wàn)噸，如果加上進(jìn)口的焊材， 總耗量超過(guò) 200 萬(wàn)噸，成為世界最大的焊材生產(chǎn)與消費國家。但是，從不同焊材的產(chǎn)量構成看，當前存在的問(wèn)題也就明顯地顯現出來(lái)了。表 1 為近 8 年焊材產(chǎn)量的統計結果。在我國生產(chǎn)的焊材中，手工焊的焊條產(chǎn)量一直占75%以上，而機械化、自動(dòng)化焊接需要的各種焊絲的總量不足 25%。按熔敷金屬計算，我國焊接機械化、自動(dòng)化率僅能達到 35%左右，而世界工業(yè)發(fā)達國家一般都在 60%以上?？梢?jiàn)我國焊接生產(chǎn)的總體自動(dòng)化率仍比較低。這足以說(shuō)明我國只是一個(gè)焊接的大國，還遠不是一個(gè)焊接的強國。

從統計數據還可以看出，近幾年來(lái)我國焊絲產(chǎn)量正在迅猛發(fā)展。例如氣體保護焊（ MAG ）用的實(shí)心焊絲從 1996 年到 2003 年增加近 5 倍，質(zhì)量也有明顯提高，目前已經(jīng)能夠滿(mǎn)足 90%以上的國內需求。而先進(jìn)的藥芯焊絲，由于具有獨特的工藝性能， 8年來(lái)產(chǎn)量增長(cháng)了近 62 倍，成為我國發(fā)展最快的焊材。從過(guò)去主要依靠進(jìn)口，到現在國內應用的藥芯焊絲 50%以上是自己生產(chǎn)的，并且有少量出口。

埋弧焊多在船舶、壓力容器、管道和鋼結構件的制造中使用。我國埋弧焊絲的產(chǎn)量近年來(lái)也有較大增長(cháng)，但是只占焊材總量的 5%左右。而工業(yè)發(fā)達國家埋弧焊絲的比例一般在 8%～10%。我國焊材生產(chǎn)中手工焊條的比重居高不下，使得我國焊材生產(chǎn)總量與鋼產(chǎn)量之比偏高。以 2002年為例，焊材生產(chǎn)總量（僅計算焊條和焊絲） 為 144.9萬(wàn)噸，而鋼產(chǎn)量為 18500 萬(wàn)噸，兩者之比為 0.78%，而 2003 年為 0.77%。工業(yè)發(fā)達國家的比例一般在0.3%～0.5%，而發(fā)展中國家在 0.5%～0.8%。由于工業(yè)發(fā)達國家的手工焊條比重低，平均每 1 億噸鋼需要不到 40 萬(wàn)噸焊材，而我國由于手工焊條比重過(guò)高，每?jì)|噸鋼需 77 萬(wàn)噸焊材， 比工業(yè)發(fā)達國家高出近一倍。

按照節約資源和可持續發(fā)展的要求，我國必須盡快增加各種焊絲的產(chǎn)量和用量，逐步減少手工焊條產(chǎn)量，使焊材與鋼產(chǎn)量比例降到 0.5%以下。根據最近的全國調查結果，主要企業(yè)中交流焊機、直流焊機和 CO 2 焊機的比例分別為 26%、36%和 38%。非常巧合，主要造船廠(chǎng)的比例也大致相同。這些數字表明，近年來(lái)企業(yè)開(kāi)始重視用機械化的CO 2 焊取代焊條手工焊，以提高生產(chǎn)效率，但這種取代的進(jìn)度還應再加快。企業(yè)所用的直流焊機和CO 2 焊機大多數仍是晶閘管（可控硅）型的整流電源，逆變式焊機較少，全數字式焊機更少。因此，從改善焊接工藝性，提高質(zhì)量與生產(chǎn)效率，以及減少飛濺的角度出發(fā)，企業(yè)的電焊機有進(jìn)一步升級的必要。從企業(yè)消耗氣體保護焊焊絲（實(shí)心與藥芯焊絲）和手工焊條的情況看，以汽車(chē)零部件、集裝箱和工程機械等制造行業(yè)為最好，焊絲的用量占 90%以上，而造船業(yè)為 60%左右，鍋爐行業(yè)則低于 50%。這兩個(gè)行業(yè)埋弧焊的用量比較大，然而，氣體保護焊取代焊條手工焊的發(fā)展空間還較大。

1.2 我國焊接機器人的應用情況

我國制造業(yè)中焊接機器人的應用主要是在 20世紀 90 年代以后（個(gè)別企業(yè)在 80 年代中期），經(jīng)歷了一段摸索階段，近 8 年來(lái)焊接機器人的數量增加很快，特別是在汽車(chē)制造業(yè)。根據 2001 年的統計，全國共有各類(lèi)焊接機器人 1040 臺，其中弧焊機器人多于點(diǎn)焊機器人，如圖 2 所示。汽車(chē)制造和汽車(chē)零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%，是我國焊接機器人最主要的用戶(hù)。汽車(chē)制造廠(chǎng)的點(diǎn)焊機器人（圖中帶陰影部分）多，弧焊機器人較少；而汽車(chē)零部件廠(chǎng)的弧焊機器人多，點(diǎn)焊機器人較少（陰影部分）。整個(gè)行業(yè)中點(diǎn)焊與弧焊機器人的比例約為 3:2。其他行業(yè)大都以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械（ 10%）、摩托車(chē)（ 6%）、鐵路車(chē)輛（ 4%）、鍋爐（ 1%）等行業(yè)。近年來(lái)在金屬家具行業(yè)中采用焊接機器人的數量明顯增多。焊接機器人已經(jīng)分布在全國各個(gè)大經(jīng)濟區，但主要集中在東部沿海和東北地區。東部的上海和東北的長(cháng)春兩個(gè)汽車(chē)城是我國擁有焊接機器人最多的城市。

我國造船業(yè)應用焊接機器人基本上還是空白，機器人數量最多的日本目前也不足 2%。由于造船可以認為是單件生產(chǎn)，或者是多品種少批量生產(chǎn)，加上工件尺寸大，難以達到很高的裝配精度，這點(diǎn)和汽車(chē)工業(yè)完全不同，使得推廣應用難度較大。所以，造船用的焊接機器人系統除了必要的外圍設備外，還必須配備離線(xiàn)編程軟件、 視覺(jué)跟蹤傳感裝置、自適應控制系統，以及高效率的焊接方法等。在當前國際競爭非常激烈的情況下，為了提高造船質(zhì)量和效率，降低生產(chǎn)周期和成本，各國都在加緊研究在造船中使用高度自動(dòng)化的焊接機器人系統的最佳途徑。我國也必須重視這個(gè)發(fā)展動(dòng)向，當前就應集中力量進(jìn)行必要的準備和開(kāi)展預研工作， 避免落后。由于造船的焊接機器人系統涉及的技術(shù)多，也比較復雜，應該采取以企業(yè)為主導的廣泛政產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)的方式，從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，全面解決造船焊接機器人系統的合理、正確應用問(wèn)題。

1.3 企業(yè)焊接技術(shù)人員和焊接工人概況

人是企業(yè)最具活力的生產(chǎn)力，企業(yè)是高新技術(shù)的載體。企業(yè)的競爭說(shuō)到底是人才的競爭，包括技術(shù)人員的創(chuàng )新能力和工人的素質(zhì)。因此我們曾對企業(yè)技術(shù)人員和焊接工人的情況進(jìn)行抽樣調查。從115 家不同行業(yè)的中型到特大型企業(yè)提供的數據進(jìn)行分析，共有 2,012 名焊接工程技術(shù)人員和 21,965名焊接工人（包括技師） 。他們的職稱(chēng)比例如圖 3所示。企業(yè)焊接技術(shù)人員隊伍中 66%由工程師和助工組成，而具有研究員級高工職稱(chēng)的人數僅占 1%。

這些焊接工程技術(shù)人員的學(xué)歷如下：

博士學(xué)位（僅有 1 人）— 0.05%

碩士學(xué)位— 1.7%

大學(xué)本科— 52.6%

大專(zhuān)— 22.9%

中專(zhuān)— 12.4%

電大/職大— 8.3%

其它— 2.05%

可見(jiàn)，目前企業(yè)中高學(xué)歷和高職稱(chēng)的焊接技術(shù)人員太少。在 2,012 名焊接技術(shù)人員中僅有 1 名具有博士學(xué)位，而具有碩士學(xué)位的也不足 2%。我國每年培養的焊接專(zhuān)業(yè)博士近百名，碩士數百名。但是我國大多數企業(yè)缺少高學(xué)歷的、熟悉生產(chǎn)的焊接工程師和有經(jīng)驗的焊接結構設計工程師，這已是一個(gè)不容忽視的嚴峻問(wèn)題?，F在已經(jīng)到了要大聲疾呼讓全社會(huì )重視引導高學(xué)歷、高素質(zhì)的優(yōu)秀人才到生產(chǎn)第一線(xiàn)去鍛煉、去工作的時(shí)候了。另外，中專(zhuān)畢業(yè)生在工廠(chǎng)的焊接技術(shù)人員中所占的比例也偏少（ 12.4%），其實(shí)，工廠(chǎng)有一些工作完全可以由中專(zhuān)學(xué)歷的技術(shù)人員來(lái)完成，不一定都讓大學(xué)畢業(yè)的技術(shù)人員去做。 實(shí)際上，這也是一種人力資源的浪費，是一種不正常的社會(huì )現象。

應該注意到， 我國從 1998年開(kāi)始，高等院校取消各單獨的熱加工專(zhuān)業(yè)，合并成材料加工工程，實(shí)行了通才教育。然而，對企業(yè)來(lái)說(shuō)需要的是能盡快獨立工作的人才。能夠盡快從“通才”過(guò)渡到“專(zhuān)才”，要求我國的教育培訓體系有一個(gè)合理的總體安排。其中，高等教育應能適應不同層次的社會(huì )需求，特別是廣大基層企業(yè)對技術(shù)人才的需求。工科的高等教育應特別注意，并重點(diǎn)培養能適合在現代企業(yè)工作的工程師。這是人數最多，對發(fā)展我國制造業(yè)有深遠影響的群體。在四年的工科教育中不僅要使學(xué)生掌握基本的科學(xué)知識，更重要的是能真正了解現代企業(yè)的生產(chǎn)和管理特點(diǎn)， 樹(shù)立良好的職業(yè)道德，培養牢固的敬業(yè)精神和認真負責的工作態(tài)度，確立深入生產(chǎn)一線(xiàn)的思想。只要有一支強大的、高素質(zhì)的工程師隊伍為后盾，我國的工業(yè)基礎才能牢固，科技成果才能有眾多的承接主體，制造業(yè)才能有所創(chuàng )新和持續發(fā)展。

從調查的 21,965 名焊工來(lái)看， 90%以上都取得焊工證書(shū)， 85%的焊工年齡在 45 歲以下， 說(shuō)明我國的焊工是一支比較年輕的、技術(shù)合格的隊伍。目前焊工的主要來(lái)源有如下幾個(gè)方面：

技校 — 58%

企業(yè)培訓 — 30%

臨時(shí)工 — 8%

其它 — 4%

可見(jiàn)，技校畢業(yè)的學(xué)生是我國焊工的主要來(lái)源。然而，不同行業(yè)焊工的來(lái)源也不盡相同，如圖 4 所示。一些企業(yè)集團公司和大型企業(yè)都有自己的技校，為本企業(yè)培養焊工的后備人員。但是，當前還有相當一部分企業(yè)興辦的技校由于經(jīng)費困難和不能招收到足夠數量愿意學(xué)習焊接的學(xué)生，已經(jīng)難以為繼。如果這個(gè)問(wèn)題不能得到解決，技校不能輸送足夠的焊工后備軍，企業(yè)自行培訓焊工的比例將繼續升高，企業(yè)的負擔也將加重。 這樣，企業(yè)不僅要將 “通才”的大學(xué)畢業(yè)生培養成焊接的專(zhuān)才，還要把“新手”培養成熟練焊工，這會(huì )拖累企業(yè)發(fā)展的步伐，也是不盡合理的社會(huì )分工。政府有關(guān)部門(mén)應重視并盡快解決這個(gè)工人預備隊的來(lái)源問(wèn)題。

當前一些造船廠(chǎng)和金屬結構廠(chǎng)采用較多的焊接外包施工隊或協(xié)力工，解決焊接工作量不均勻的問(wèn)題。這是一種新的形式，需要規范化管理，加強考核與培訓力度，才能保證施工質(zhì)量。

焊接技師是具有熟練技能和專(zhuān)門(mén)知識與經(jīng)驗的高級焊工，但是目前企業(yè)中焊接技師與焊工的比例僅為 4%。這說(shuō)明企業(yè)過(guò)去對培養高水平焊工的力度不夠，應引起企業(yè)和全社會(huì )對高技能人才的培養和晉升的重視。

我國的焊接生產(chǎn)技術(shù)在改革開(kāi)放以來(lái)，取得了巨大的進(jìn)步，成功地焊接了許多具有標志性意義的重大產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮了重要的作用。我國已經(jīng)成為世界最大的焊接大國，但還遠不是焊接強國。今后 10 年內應重視解決如下三方面的戰略性問(wèn)題：

— 全面提高我國的總體焊接生產(chǎn)技術(shù)水平， 與國際接軌；

— 培養與吸引一批優(yōu)秀的焊接專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，提高自主創(chuàng )新能力；

— 在一些國際焊接相關(guān)尖端前沿科技領(lǐng)域占有一席之地。

這需要制定長(cháng)遠和近期的發(fā)展規劃， 需要政府、企業(yè)、高校、研究院所的通力合作，需要有一批優(yōu)秀的管理、設計、制造、組織人才，需要充分依靠科技，在吸收國外先進(jìn)科學(xué)、 技術(shù)和經(jīng)驗的基礎上，強化自主創(chuàng )新的能力， 爭取在 15 年內使我國成為世界焊接強國。

2 造船行業(yè)焊接技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)問(wèn)題

我國造船產(chǎn)量 2004 年已經(jīng)突破 850 萬(wàn)載重噸，超過(guò)歐洲造船總量，穩穩坐牢世界第三造船大國的位置。預計今年產(chǎn)量將達到 1000 萬(wàn)噸，逐步向韓國和日本看齊。中國造船業(yè)的迅速崛起，引起了國際的高度重視，正在掀起新一輪的造船科技發(fā)展大競賽。競賽的焦點(diǎn)還是優(yōu)質(zhì)、高效、低成本。國際焊接學(xué)會(huì )（International Institute of Welding, IIW ）應歐洲造船界的要求，于 1997 年成立“造船工作組”（WGShipbuilding），目的是綜合各國焊接界的智慧，采用先進(jìn)制造技術(shù)和質(zhì)量管理模式，提高造船業(yè)的競爭能力。 2004 年討論研究的主要問(wèn)題有：

— 造船的質(zhì)量管理體系

— 造船中應用機器人進(jìn)行焊接與切割的現狀與經(jīng)驗

— 造船中應用激光技術(shù)的現狀與經(jīng)驗

— 焊接鋁結構船體的現狀與經(jīng)驗

— 焊工的戰略資源問(wèn)題

美、歐、日、韓等國家的主要船廠(chǎng)和有關(guān)組織都派人參加該工作組的活動(dòng)。歐洲的船廠(chǎng)希望通過(guò)該組織的活動(dòng)，有助于振興歐洲的造船業(yè)，因此曾經(jīng)組織多次歐洲船廠(chǎng)之間的經(jīng)驗交流。而日、韓則希望繼續保持領(lǐng)先地位。我國應關(guān)注這個(gè)組織的動(dòng)向，在可能的情況下應爭取派人參加，更好地吸收外國的經(jīng)驗，加快我國造船焊接技術(shù)的發(fā)展。

從工作組 2004 年的討論內容，可以看出他們當前所關(guān)注的重點(diǎn)，即 21 世紀造船的質(zhì)量管理新模式、焊接自動(dòng)化和高效率化、 大型鋁合金船的制造、高技能焊工資源緊缺等問(wèn)題。眾所用知，焊接是造船中工作量最大的工序，圖 5 為超級油輪（ VLCC ）制造的工時(shí)分配情況。提高焊接過(guò)程的自動(dòng)化率，不僅能改善焊接質(zhì)量和降低勞動(dòng)強度，而且能減輕歐洲高技能焊工資源緊缺的壓力。焊接過(guò)程自動(dòng)化的主要發(fā)展方向是如何正確應用焊接機器人系統和需要發(fā)展什么樣的機器人系統。造船中長(cháng)期使用埋弧自動(dòng)焊和氣體保護半自動(dòng)焊方法，當前如何利用最新的技術(shù)，進(jìn)一步提高焊接效率與質(zhì)量，成為新一輪競爭的重點(diǎn)。從節省能源和環(huán)保角度出發(fā)，減輕船體重量，提高載重量和航行速度，是主要發(fā)展方向，這使造船材料發(fā)生新的變化，高強度鋼和鋁合金的用量將會(huì )迅速增加，給焊接帶來(lái)新的問(wèn)題。這些新的發(fā)展動(dòng)向所提出的問(wèn)題，將在下面進(jìn)行簡(jiǎn)要的討論。

2.1 造船焊接機器人系統的發(fā)展與應用

造船中的平面分段和曲面分段組件尺寸都很大，而一般的工業(yè)機器人的活動(dòng)半徑只有 1.5m 左右，因此機器人必須有輔助移動(dòng)裝置，而焊件多擺放在平臺上，不需要附加工件變換位置的變位機。

目前大致有三種不同形式的輔助移動(dòng)裝置：龍門(mén)架式、小車(chē)-軌道式和遙控小車(chē)式。 龍門(mén)架式是把焊接機器人固定在龍門(mén)架的臂上，一般可較大范圍地增加機器人在 X、 Y、Z 三個(gè)方向的移動(dòng)距離，并與機器人實(shí)現協(xié)調運動(dòng)，形成一個(gè) 9 軸以上的復雜機器人系統，使機器人能從大型工件的上方進(jìn)入焊接位置，多用于有空間焊縫的箱型隔框結構 （ Egg Box）或曲面組件的焊接，如圖 6 所示。龍門(mén)架式機器人系統在造船中已有較長(cháng)的使用歷史。 小車(chē) -軌道式是把機器人固定在一個(gè)可沿軌道移動(dòng)的小車(chē)上，因此只能增加機器人一個(gè)方向的移動(dòng)距離， 如圖 7 所示，用于從下面進(jìn)入箱型隔框結構，進(jìn)行立縫與橫縫的焊接。這種方式成本較低，可方便轉換位置，比較靈活。近期提出的遙控小車(chē)方案，是將機器人固定在一輛帶有多種傳感器的小車(chē)上，具有自己行走與搜索、自行定位和自動(dòng)任務(wù)規劃等功能的高度自動(dòng)化焊接機器人系統。這是今后的一個(gè)發(fā)展方向，正處于試驗階段，技術(shù)難度較大。

一般平板拼板的對接焊和筋板角縫的焊接，都采用機械化的焊接系統，而有復雜焊縫的組件難以用機械化焊接方法，手工焊效率又太低，目前開(kāi)始選用焊接機器人系統。然而，船廠(chǎng)要選用焊接機器人系統焊接復雜的結構，首先應開(kāi)發(fā)針對本廠(chǎng)特點(diǎn)的焊接機器人系統離線(xiàn)編程軟件。目前還沒(méi)有通用的離線(xiàn)編程軟件版本，需要解決和船體設計軟件以及所選用的機器人的制造廠(chǎng)商提供的機器人離線(xiàn)編程軟件的接口問(wèn)題，以便能直接從數字化的設計圖紙提取焊接相關(guān)的信息，并能為機器人離線(xiàn)編程系統所接受。同時(shí)，還需要針對本廠(chǎng)所造船型的結構特點(diǎn)，例如開(kāi)孔補強的形式，編制各種不同的焊接子程序庫，以便隨時(shí)調用。造船機器人的離線(xiàn)編程軟件的開(kāi)發(fā)，不是機器人制造廠(chǎng)商或軟件開(kāi)發(fā)商單獨所能完成的，必須由船廠(chǎng)的設計人員和焊接人員和他們共同完成，而且應早于設備的安裝，有一定的提前量，以免影響投產(chǎn)的進(jìn)度。

此外，由于船體的組件尺寸很大，可達 20m×20m，被焊件的位置和接縫的間隙很難精確控制，因此，機器人需要帶有視覺(jué)傳感器，目前比較成熟的有激光視覺(jué)傳感器，它不但能夠自動(dòng)跟蹤直線(xiàn)和曲線(xiàn)的接縫，而且還能對不同的間隙和坡口寬度進(jìn)行檢測和自適應控制，自動(dòng)調節焊接參數，以保證焊縫尺寸的均勻一致和焊接質(zhì)量的穩定。

2.2 新型焊接電源和焊接方法的發(fā)展與應用

近年來(lái)，隨著(zhù)微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，焊接電源也有明顯的進(jìn)步。焊接電源已經(jīng)從旋轉直流焊機發(fā)展到晶閘管整流焊機，到逆變焊機，到最近的全數字化焊機，經(jīng)歷了好幾代的發(fā)展階段。數字電源是相對于模擬電源而言。全數字化電源是最新的一代，它的結構框圖如圖 8 所示。全數字化是指焊接參數數字信號處理器、主控系統、顯示系統和送絲系統全部都是數字式。所以電壓和電流的反饋模擬信號必須經(jīng)過(guò) A/D 轉換，與主控系統輸出的要求值進(jìn)行對比，然后控制逆變電源的輸出。這種焊接電源的最大特點(diǎn)是焊接參數穩定，受網(wǎng)路電壓波動(dòng)、溫升、元器件老化等因素的影響很小，具有很高的重復性，焊接質(zhì)量穩定、成型良好。同時(shí)，由于 DSP 的響應速度很快， 可以根據主控制系統的指令（給定值）精確控制逆變電源的輸出，使之具有輸出多種電流波形和弧壓高速穩定調節的功能，適應多種焊接方法對電源的要求。一臺電焊機可以頂多種電焊機用，只需要改變或輸入相應的控制程序。全數字化電源和非全數字化電源的主要區別就在于有沒(méi)有焊接參數 DSP 和數字化送絲控制器。 必須指出，全數字化電源應該配用數字化的送絲機，才能獲得最佳的效果，不僅能穩定送絲速度，而且能在焊接過(guò)程精確控制和調節送絲速度的變化，如快-慢脈動(dòng)、送 -停脈動(dòng)、送 -抽脈動(dòng)等。下面簡(jiǎn)要介紹幾種利用全數字化電源的新焊接方法。

2.2.1 雙脈沖焊接方法

雙脈沖焊接方法是全數字化電源的一種應用范例，雙脈沖是指送絲速度的快 -慢脈沖和焊接電流的高-低脈沖。 雙脈沖焊和一般的脈沖焊不同， 脈沖焊的送絲速度不變，而焊接電流在峰值與基值電流之間作較大幅度的變動(dòng)；雙脈沖焊的送絲速度是在平均速度基礎上作小幅度的變動(dòng)， 如±（1~2）m/min，而焊接電流也在平均電流下作一定幅值的同步變動(dòng)，脈沖頻率一般在 1Hz~5Hz 之間。 雙脈沖焊接方法有效地控制熱輸入量，很適合薄鋁板的焊接。而且，由于雙脈沖對熔池的振動(dòng)攪拌作用，有利于氣體的逸出，可減少氣孔的產(chǎn)生；焊縫的成型均勻美觀(guān)，類(lèi)似于 TIG 焊的焊縫。

2.2.2 CMT 焊接方法

CMT 是 Cold Metal Transfer 的縮寫(xiě)，是一種精確控制熱輸入的短路過(guò)渡焊接方法，很適合于薄鋁板、鋼板和異種材料的焊接或釬接。它的焊接過(guò)程是引弧時(shí)焊絲送進(jìn)并與鋼板接觸，電源輸出一個(gè)很小的基值電流，焊絲回抽，電源逐漸增大電流并引弧。這種的引弧方法基本上沒(méi)有飛濺，被認為是無(wú)飛濺引弧。引弧后，在達到規定的弧長(cháng)時(shí)，開(kāi)始向前送絲，電源輸出一個(gè)確定寬度和幅值的脈沖電流，使焊絲端頭形成一定體積的熔滴金屬，電流回到基值，等待熔滴與熔池的短路。一旦短路，焊絲開(kāi)始回抽，重新引弧。由于整個(gè)短路過(guò)程從開(kāi)始到斷開(kāi)都處于低電流階段， 飛濺極少。 CMT 焊接的特點(diǎn)是每一個(gè)周期的能量輸入是一定的，不僅能較準確控制每個(gè)熔滴的尺寸，而且能調節對母材的熱輸入。焊接過(guò)程送絲作送 -抽脈動(dòng)，而焊接電流作峰值 -基值脈動(dòng)，脈沖頻率可達 70Hz。這種方法可以焊接薄鋁板或薄鋼板，也可以用 CuSi 焊絲對鋼板進(jìn)行電弧釺焊。更有特色的是，這種方法可以連接鋼板和鋁板。鋁和鋼是不能直接進(jìn)行熔化焊的，因為會(huì )形成很脆的金屬間化合物。 CMT 焊接方法能夠精確控制熱輸入，使鍍鋅鋼板側不熔化， 與 AlSi 焊絲形成釬接縫，而與鋁側形成熔化焊縫。

2.2.3 雙絲氣體保護焊

雙絲氣體保護焊是一種高效率的氣體保護焊方法。這種方法是一把焊槍在同一個(gè)大噴嘴里，同時(shí)送出兩根焊絲，而兩根焊絲之間是相互電絕緣的，由兩臺送絲機送絲和兩臺焊接電源分別供電。由于兩根焊絲的距離比較近，約 8mm，為了避免兩電弧間的相互干擾，采用輪流脈沖的方式，即前絲處于峰值電流時(shí)，后絲處于基值電流；后絲峰值，前絲基值。一般每小時(shí)最高約能熔化直徑 1.2mm 的焊絲10kg，而雙絲氣保護焊則可熔化 25kg。如果要焊接一條焊腳為 6mm 的角焊縫，一般 MAG 焊的焊接速度 為 300mm/min ， 而 雙 絲 氣 體 保 護 焊 可 達1000mm/min 。這種方法不僅能焊接厚鋼板也可以焊接薄鋼板，也可以用于鋁合金板的焊接，提高焊接效率。

全數字化焊接電源的出現，為新型焊接方法提供一個(gè)很好的平臺，我們要關(guān)注這種電源的發(fā)展，并在條件允許時(shí)，在生產(chǎn)中采用，以提高我們的焊接水平。

2.3 激光焊接技術(shù)的發(fā)展與應用

由于激光焊接能量密度高，可精確控制，穿透能力強，焊縫的深寬比大，熱輸入量低，焊接變形小，可在大氣中焊接等優(yōu)點(diǎn)， 被認為是 21 世紀的焊接新熱源。但是由于激光聚焦后的光斑直徑小，約0.2mm~0.6mm，對被焊工件的裝配間隙要求很?chē)?。?據 不 同 板 厚 ， 對 接 的 最 大 允 許 間 隙 一 般 在0.25mm~0.4mm 之間，這對較大型的工件，如船體結構，很難達到。另外，激光焊大多是不填絲的，由于光斑小填絲比較困難，還會(huì )影響效率。然而，不填絲的激光焊，對于某些材料，如鋁合金，不能改變焊縫金屬的成份，不利于消除裂縫、氣孔和改善接頭性能。 為了解決這個(gè)問(wèn)題， 近年來(lái)興起激光 -電弧復合熱源焊接。電弧焊是一種便宜的能源，可以填充金屬，搭橋能力好，對間隙不敏感等優(yōu)點(diǎn)，剛好和激光焊互補。發(fā)展激光 -電弧復合熱源焊接，可以充分發(fā)揮激光和電弧的優(yōu)點(diǎn)，相互彌補對方的不足，使 1+1 大于 2。圖 9 為不同焊接方法在相同焊接速度和相同熔深條件下，焊接參數和焊縫成型的對比。哈爾濱焊接研究所對激光 -電弧復合熱源焊接進(jìn)行了研究， 采用 2000W CW 的 Nd:YAG 激光器和全數字化的直流脈沖焊接電源，對 8mm 的 LF6鋁合金進(jìn)行熔深對比試驗。 發(fā)現單獨 MIG 焊的熔深小于相同速度的 2kW 激光焊的熔深，在這些較小焊接電流范圍內，電弧與激光復合進(jìn)行焊接，無(wú)論電弧功率的大小， 復合焊的熔深都大于單獨 MIG 焊的熔深，而且焊接速度都比 MIG 快。在這范圍內（ 2000W 激光電弧電流小于 180A）激光對熔深起主導作用，如圖 10 所示。例如 2000W 的激光與 80A的電弧復合，其熔深和 160A 的 MIG 焊相當，而焊接速度快，線(xiàn)能量低；當復合焊的電弧電流與 MIG焊相同， 如均為 120A，在熔深相同條件下， 復合焊的速度為 MIG 焊的 3 倍多，線(xiàn)能量只有 MIG 焊的49%，變形小。當單獨 MIG 焊的熔深大于同等速度的激光焊縫的熔深，在這些電流范圍內，激光與電弧復合焊，其電弧的電流必須與單獨 MIG 焊的電流相等或更大， 才能使熔深大于單獨 MIG 焊，但是焊接速度要比單獨 MIG 焊快得多，焊接線(xiàn)能量低很多，可明顯降低焊接變形量。在這范圍內（ 2000W激光電弧電流大于 180A）電弧對熔深起主導作用，但是激光能量的加入可提高焊接速度、 降低線(xiàn)能量，如圖 11 所示?？梢?jiàn) ,當兩個(gè)電弧都是 240A 時(shí)，復合焊與 MIG 焊的熔深一樣，但復合焊的焊接速度為MIG 焊的 3 倍，而線(xiàn)能量減少 50%以上。還必須指出，在這個(gè)范圍內，由于激光對熔深并不起主導作用，激光光斑的直徑大小對熔深沒(méi)有決定性的影響，只是加入相應的熱量，因此可以選用體積小的半導體激光器，如圖 12 所示。這種激光器的光斑直徑較大，一般在 2mm 左右，但是設備的體積小，有利于和電弧的復合， 方便與焊接機械化 /自動(dòng)化設備的連接。

科技在進(jìn)步，焊接技術(shù)在發(fā)展，將不斷促進(jìn)制造能力和水平的提高。 我國造船業(yè)要在 10 年內趕超韓國和日本，必須充分依靠科技，必須有一批優(yōu)秀的管理人員、焊接技術(shù)人員和技術(shù)工人，必須發(fā)揮企業(yè)的主導作用，實(shí)行廣泛的政產(chǎn)學(xué)研的大結合，必須迅速提高自主創(chuàng )新能力。希望焊接技術(shù)的發(fā)展對我國成為世界第一造船大國發(fā)揮更加積極的作用。