焊接技术在金属结构修复中的应用和发展现状 丁瑜峰

焊接技术在金属结构修复中的应用和发展现状丁瑜峰

发表时间：2017-09-06T11:43:47.057Z 来源：《建筑科技》2017年第7期作者：丁瑜峰1 杨忠宝2 [导读] 系统梳理了焊后残余应力及变形的检测、数值模拟及控制方法，展望了焊接修复方法在金属结构中的应用前景。

摘要：焊接是现代制造业中最为重要的结构修复技术之一，焊接修复技术的发展对提高金属结构的可靠性和使用寿命有着极为重要的意义。论述了应用于金属结构修复中的钎焊、激光焊、摩擦搅拌焊等焊接修复方法的研究进展，分析了不同工艺的优缺点及应用领域;焊接工艺参数设计、性能检测和过程控制技术对焊接质量有重要影响，对应用于焊接过程的最新技术进行研究，为深入理解焊接过程中的复杂物理化学变化以及开发更高质量的焊接修复技术提供参考;系统梳理了焊后残余应力及变形的检测、数值模拟及控制方法，展望了焊接修复方法在金属结构中的应用前景。

关键词:焊接工艺；结构修复；焊接残余应力 1概述

焊接修复工艺的好坏直接影响焊接质量。熔滴过渡、弧焊电弧稳定性、焊接过程控制、焊缝跟踪及残余应力的检测与控制等技术是焊接工艺研究的重难点，因此通过视觉传感技术、小波分析、轮廓法等一些应用于焊接过程以及焊后检测的先进技术，研究不同控制监测方法对焊接电弧平稳性和焊接质量的提高、焊后残余应力的减小的作用，有助于对焊接修复过程的理解，可为新的修复控制方法的提出、新的焊接电源的开发和工艺的改进提供有效的技术参考。 2常用的焊接修复工艺

2.1熔焊修复

2.11焊条电弧焊

电弧焊是利用焊条和工件间产生电弧热，将工件和焊条加热熔化而进行焊接的，其优点是操作灵活，待焊接头装配要求低、可焊金属广且熔敷速度较低。

2.12埋弧焊

埋弧焊相对于焊条电弧焊机械化程度及生产效率高，其工作原理是焊接电弧在焊丝与工件之间燃烧，电弧热将焊丝端部及电弧附近的母材和焊剂熔化。熔渣则凝固成渣壳，覆盖于焊缝表面。

2.13气体保护焊

气体保护焊利用气体作为电弧介质，并且可以保护电弧和焊接区。由于CO2气体保护焊修复对焊件表面油污不敏感，且气体价格低廉，以CO2气体保护焊修复受损零件为主。

2.14激光焊

激光焊接生产线大规模出现在汽车行业。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。激光焊对于钛及钛合金的薄板及精密零件的焊接具有更广泛的前景，只要工艺参数匹配合理，TC4钛合金焊缝内部质量可达到GB3233—87K 级焊缝要求。

2.2固相焊修复

2.21钎焊

钎焊可以采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。钎焊不适于一般钢结构和重载、动载机件的焊接修复。主要用于制造精密仪表、电气零部件、异种金属构件以及复杂薄板结构，如夹层构件、蜂窝结构等。在金属结构的修复中，硬钎料(如铜基、银基、铝基、镍基等)具有较高的强度，广泛应用于修复发动机涡轮叶片、高温合金叶片、大型汽轮机末级叶片等方面。

2.22搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是20世纪90年代初由英国焊接研究所发明的固态焊接新技术，利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。搅拌摩擦焊作为未来金属结构修复的新技术，想要得到广泛推广和应用，还需要开展更多的工作。首先要进行损伤部位搅拌摩擦焊原位修理技术研究，以及焊接设备的小型化、智能化和机动性研究。然后对适用于不同修复结构的搅拌摩擦焊搅拌头展开研究，并根据不同特种金属材料和构件的焊接需要实现搅拌头型号的系列化。 3焊接修复工艺最新技术

3.1应用于参数设计、过程控制的人工神经网络技术

焊接过程非常复杂，大量参数难以量化，存在很多不确定性的模糊知识，人工神经网络(ANN)技术因能有效处理非线性问题，广泛应用于焊接领域。关于神经网络在焊接领域的应用研究虽然取得了一些进展，但是仍存在许多问题。神经网络的应用大多停留在科研领域，很少实际应用于企业;神经网络的应用停留在单机上，无法实现模型共享和分布式的计算。因此，将科学转变为技术还需要更多的研究和突破。

3.2应用于电弧控制的模糊－PID控制技术

模糊算法是通过模仿人脑的不确定性概念进行判断、推理的一种思维方式，在焊接过程自动化控制及焊接质量检测中应用非常广泛。将模糊控制技术应用于焊接过程提高电弧电压以及电流的稳定性，数字化弧焊逆变电源的研究和开发是目前研究的热点，近几年研究发展相当迅速，数字化弧焊逆变电源的性能和水平有所提高，正在向产业化发展。

3.3应用于焊缝跟踪的视觉传感技术

焊缝跟踪一直是机器人焊接自动化技术研究的热点和难点，也是焊接界工作者致力研究的重要课题。跟踪过程中，主要是通过焊枪与焊缝偏差的实时检测，机器人路径的实时调节，来保证焊接质量。但在实际焊接中，常常因为存在变形、变散热、变间隙、变错边等因数，导致焊缝和机器人示教轨迹有偏差，影响焊缝成形的质量。根据光源的不同，视觉传感系统一般被分为两种:主动视觉以及被动视觉。主动视觉传感系统一般采用激光等高强光源来照明焊缝熔池，激光光纤传感器投射出线状条纹在焊接工件上，通过图像处理算法计算出反射条纹的折射位置从而推算出实际焊枪位置与焊缝的偏差，获得熔池状态参数。

3.4应用于质量监测的小波分析技术

小波分析技术是在傅里叶变换的基础上发展起来的一种时频分析方法，精髓是通过变换，大范围观察变化平缓的信息(对应低频信息)，小范围观察变化快的信息(对应高频信息)。基于小波理论的信号及图像处理方面，算法已比较成熟，可用于提取更为精确的有用信息，广泛应用于雷达图像、语言信号等领域。利用小波技术来检测焊接质量，是近些年研究的热点。

结论:(1)焊条电弧焊由于其操作的灵活性主要应用于管道线路的修复中;埋弧焊在修复金属结构方面主要用于材料表面改性;气体保护焊主要用于对高碳钢及铸铁结构的焊接修复，对强度低、无塑性、有冷裂特性的材料修复效果较好;钎焊不适于一般重载、钢结构、动载机件的焊接修复，主要用于制造精密仪表、电气零部件、异种金属构件以及复杂薄板结构等的维修。(2)搅拌摩擦焊、激光焊和钎焊等先进焊接技术可用于修复金属结构的铝合金、铝锂合金、钛合金、不锈钢等多种典型合金材料。搅拌摩擦焊作为一种固相焊接技术适合于熔化焊接性差的铝合金和铝锂合金等材料的焊接修理;对于薄板合金材料结构，激光焊修复的焊缝性能较好;搅拌摩擦焊作为固态焊接新技术，焊缝有良好的力学性能，要实现广泛应用，焊接参数还有待于进一步研究。(3)焊接修复过程焊缝质量的保证主要在于建立稳定的熔池模型并进行跟踪，因此需要精确控制焊接电压、电流、焊接速度等参数。模糊－PID技术提高了电流的稳定性，通过视觉传感与图像处理技术对焊缝进行跟踪，克服焊接过程中不确定性因素对焊接件质量的影响，应用人工神经网络技术实现较好的过程控制和质量检测，并应用小波技术提升缺陷的检出率，可以获得结构较好的焊接修复性能。(4)现代修复技术从技术上需要考虑结构失效部位是否修复完全、修复过程中的焊接缺陷以及修复后的性能是否能够达到工作要求等问题，因此应当将焊接修复的完整性评定作为修复系统工程的一部分进行配套解决。尽管国内目前关于修复部件使用寿命评定还没有系统、可靠的修复技术标准和规范，但是根据国外已经比较成熟的技术标准，金属结构焊接修复完整性评定工作应当包含失效分析、断裂性能测试和寿命预测等方面。

参考文献

［1］石金磊，陈伟杰．焊条电弧焊管道修复技术应用［J］．2010(16):117－118．［2］白霞光．焊条电弧焊管道修复技术应用［J］．2012(15):59．