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      焊接技術發展史

      時間:2014-07-18 查看:5548

      19世紀80年代,焊接只用于鐵匠鍛造上。工業化的發展和兩次世界大戰的爆發對現代焊接的快速發展產生了影響。基本焊接方法—電阻焊、氣焊和電弧焊都是在一戰前發明的。但20世紀早期,氣體焊接切割在制造和修理工作中占主導地位。過些年后,電焊得到了同樣的認可。  

      電阻焊  

      首例電阻焊要追溯到1856年。James Joule(Joule加熱原理發明者)成功用電阻加熱法對一捆銅絲進行了熔化焊接。  

      第1臺電阻焊機用于對接焊。1886年,英國的Elihu Thomson造出了第1個焊接變壓器并在來年為此項工藝申請了專利。該變壓器在2V空載電壓時能產生200A電流輸出。此后,Thomson又發明了點焊機、縫焊機、凸焊機以及閃光對焊機,后來點焊成為電阻焊最常用的方法,如今已廣泛應用于汽車工業和對其它許多金屬片的焊接上。  

      1964年,Unimation生產的首批用于電阻點焊的機器人在通用汽車公司使用。  

      氣焊  

      19世紀末,一種氧乙炔火焰的氣焊在法國出現了。大約在1900年,Edmund Fouche 和Charles Picard造出了第一支焊炬。實驗證明焊炬發出的火焰炙熱,大約在3100.C以上。后來焊炬成為了焊接切割鋼時的重要工具。  

      早在英國的Edmund Davy發現當碳化物在水中分解時能產生一種可燃性氣體之前就發現了乙炔氣體。當乙炔燃燒時,其亮無比,這一點成為它的主要用途。然而,在傳輸使用乙炔時經常發生爆炸。人們發現丙酮能溶解大量乙炔,尤其是壓力增加時。1896年,Le Chatelier 發明了一種安全的方法儲存乙炔。那就是在圓瓶內使用丙酮和多孔石來儲存乙炔。  

      其他許多國家利用這項法國發明儲存乙炔。但時有報道在傳輸過程中發生爆炸。瑞典人Gustaf Dahlen改變了滲透物的成分,成功做到了讓乙炔100%安全。  

      電弧焊  

      1810年,Humphrey Davy在電路的兩極造了一個穩定的電弧---電弧焊的基礎。在1881年的巴黎“首屆世界電器展”上,俄羅斯人Nikolai Benardos展示了一種電弧焊的方法。他在碳極和工件間打出一個弧。填充金屬棒或填充金屬絲可以送進這個電弧并熔化。那時他是法國Cabot實驗室的學生,和他的朋友Stanislav Olszewski一道于1885年至1887年間在幾個國家得到了專利權。該專利展示了早期電極夾,參見圖2。到19世紀末和20世紀上半葉,碳弧焊越來越流行。  

      Benardos, Nicolai Slavianoff的同胞進一步完善了這一焊接法。1890年,他用金屬棒代替碳棒作為電極并獲得專利。電極熔化,從而充當熱源和填充金屬。  

      但是,焊縫不能隔絕空氣,質量問題也接踵而來。瑞典人Oscar Kjellberg在使用該方法修理船上的蒸汽鍋爐時注意到焊接金屬上到處都是氣孔和小縫,這樣的話根本不可能讓焊縫防水。為了改善這種方法,他發明了涂層焊條,于1907年6月29日獲得專利(瑞典專利號27152)。質量改善后,電焊技術得到突破,現在也能應用于工業。這家電焊公司(ESAB,瑞典語首字母縮略)作為一家輪船修理公司于1904年9月12日成立。  

      此后,在20世紀30年代,又發明了不少新焊接法。直到那時,所有的金屬電弧焊都是通過手工焊的方法完成的。人們不斷嘗試用連續絲讓該工藝自動化。最成功的發明是埋弧焊,在這種焊接方法中,電弧埋在一層粒狀熔劑里。  

      氣體保護電弧焊早在1890年就由C. L. Coffin獲得了專利。但在二戰期間,航空業需要找到焊接鎂和焊接鋁的方法。1940年,在美國,用隋性氣體保護電弧的實驗開展得如火如荼。通過使用鎢電極,不用熔化電極也可以打出電弧。這樣的話,不管有沒有填充金屬都可以進行焊接。這種方法現在稱為TIG焊接(鎢極惰性氣體保護電弧焊)。  

      過些年以后,用連續放入金屬絲作為電極的MIG焊接工藝(熔化極惰性氣體保護電弧焊)出現了。起初,保護氣體為隋性氣體氦或氬。  

      因為CO2更容易找到(活性氣體保護電弧焊MAG),Lyubavskii 和Novoshilov成功使用了它。他們使用“浸沾轉移”法減少了由產生激烈的飛濺引起的一些問題。到那時為止,我們今天使用的大多數焊接工藝都已發明。接下來又出現了其他一些焊接法,諸如激光束焊和攪拌摩擦焊,兩者都是由英國焊接學會發明的。(見表1)。  

      焊接工藝 簡稱 發明者 年代 所屬學會 國家  

      電焊阻 Elihu Thomson 1886-1900 Thomson 電焊 美國  

      氧乙炔焊 OAW Edmund Fouche Charles Picard 1900 法國  

      釬焊 TW Goldschmidt 1900 Goldschmidt AG 德國  

      手工金屬電弧焊 MMA,SMAW Oscar Kjellberg 1907 伊薩 瑞典  

      電渣焊 ESW N.Benardos R.K.Hopkins 190819401950 Paton 焊接學會 俄羅斯美國烏克蘭  

      等離子焊接 PAW Schonner R.M.Gage 19091953 BASF 德國美國  

      鎢極惰性氣體保護電弧焊 TIG,GMAW C.L.CoffinH.m.Hobart 和.K.Devers 19201941 美國  

      藥芯焊絲 FCAW Stoody 1926 美國  

      螺柱焊 1930 紐約海軍廠 美國  

      熔化極惰性氣體保護電弧焊 MIG H.M.Hobart和P.K.Devers 19301948 航空戰爭紀念學會 美國  

      埋弧焊 SAW Robinoff 1930 國家地下鐵道公司 美國  

      活性氣體保護電弧焊 MAG,GMAW Lyubavskii和Novoshilov 1953 蘇聯  

      激光切割 Peter Houldcroft 1966 BWRA(TWI) 英國  

      激光焊接 LBW Martin Adams 1970 英國  

      攪拌摩擦焊 FSW Wayne Thomas 1991 TWI 英國  

      表1 焊接工藝的發展  

      焊接電源  

      19世紀末以前沒有出現電焊的理由之一就是缺乏合適的電源。18世紀末期,意大利人Volta 和Galvani成功發現了電流。1831年, Michael Faraday創立了變壓器和電機原理,這是對電源的重要發展。  

      首批焊接實驗的開展是通過不同類型的方法來解決焊接電源的。  

      1801年, Humphrey Davy先生在首批電弧實驗中使用電池作為電源。  

      Benardos在碳弧焊實驗中使用一臺22馬力的蒸汽機驅動直流電機,用150個電池來發電。單是電池的總重量就達到2400kg。  

      Thomson在發明電阻焊機時使用了變壓器。  

      Oscar Kjellberg使用110V直流電壓電源,他讓電流通過一個裝滿鹽水的桶,從而把電流減小到適當的水平。  

      1905年,德國AEG公司生產了焊接發電機。它由三相異步電動機驅動,其特性適合焊接,重1000kg, 電流250A。  

      直流電直到20世紀20年代才適合用于電弧焊。焊接變壓器很快變得受歡迎,因為它的價格較便宜,消耗能源相對較少。  

      20世紀50年代末,固體焊接整流器問世。最初使用的是硒整流器,接著很快出現了硅整流器。此后,硅可控整流器的出現實現了電子控制焊接電流。這些整流器現在都普遍使用,尤其是用于大型焊接電源。  

      焊接逆變器的出現是在電源上最引人注目的發展。伊薩首個逆變器模型造于1970年。但是逆變器在1977年以前沒有普遍用于工業。1984年,伊薩推出140A“Caddy” 牌逆變器,重量只有8kg。  

      先進的焊接工藝  

      等離子焊接出現時,實驗證明它是更集中、更炙熱的能源,利用它可以提高焊接速度,減少線能量。20世紀60年代出現的激光電子束焊接也與之有相似的好處。質量提高,容差減小,超過了以前可能達到的標準。對新材料和不同金屬組合都能進行焊接。電子束狹窄,要求必需使用機械化設備。  

      從1964年起,機器人就已經用于電阻焊。大約10年后出現電弧焊機器人。電動機器人可以設計得非常精確,達到熔化極惰性氣體保護電弧焊焊接的要求。最初,機器人內輸入的焊接數據和手工焊使用的焊接數據是相同的。  

      人們進行了許多嘗試來提高熔化極惰性氣體保護電弧焊工藝的生產力。加拿大人John Church使用了快速送絲速度和由4種成分組成的保護氣體來做此嘗試。工藝相似,仍然使用同樣的焊接設備,但卻有可能讓焊接速度提高一倍。  

      在同一熔池內使用兩根焊絲的焊接法——雙絲焊或雙芯焊,實驗證明更富有成效。最新高效焊接法是混合焊——這種方法結合了兩種不同的工藝。激光熔化極惰性氣體保護電弧焊混合焊是最有發展前景的。這種焊接速度極快,熔深大。  

      機械化焊接打開了投入到新應用中去的大門。窄間隙焊既節省時間,又節省耗材,減少了熱影響區焊接的變形。起初使用的是熔化極惰性氣體保護電弧焊工藝,后來也使用埋弧焊和鎢極惰性氣體保護電弧焊。1980年前后,伊薩把重型埋弧焊、窄間隙焊設備運往了前蘇聯Volgadonsk。  

      1992年,TWI獲得攪拌摩擦焊專利權。這種焊接法對鋁很適用。鋁不用熔化就能接合并形成高質量接合點。該工藝不使用耗材,能源消耗少,它的另一個好處就是對環境影響小。此工藝非常簡單有效,是20世紀最重要的焊接創新之一。  

      發展趨勢  

      焊接的有些發展趨勢是顯而易見的:不斷提高生產力;進一步機械化;繼續尋找更有效率的焊接工藝。通過新設計以及使用高強度鋼和鋁合金的增多,整體構件重量減輕。在焊接展上,我們能清楚看到電子元件、計算機技術以及數字通訊的發展影響著焊接設備的發展。諸如混合激光熔化極惰性氣體保護電弧焊和攪拌摩擦焊新工藝已經出現。但是傳統的鎢極惰性氣體保護電弧焊、熔化極惰性氣體保護電弧焊以及埋弧焊工藝毫無疑問將繼續占主導地位。

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