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焊接发展的几个新方向-新材料、新能源和信息化制造
[ 编辑:admin | 时间:2016-07-03 14:56:00 | 浏览:1557次 | 来源: | 作者: ]
本文简述了焊接发展的几个新方向:新材料、新能源和信息化制造,阐述了如何把焊接冶金材料变成新能源材料,如何把太阳能用于焊接和做成焊接工程车,如何把焊接一次堆焊成形变为三维的信息化增材制造、减材制造和分离制造。这些技术都是焊接人比较熟悉的技术,如用以改造我们的焊接材料、焊接设备和焊接工艺,必将大有可为。

焊接是一个耗能增排工艺,例如大量使用的氧-乙炔焊割和二氧化碳气体保护焊,本身就要就地排放二氧化碳和粉尘,而且氧和二氧化碳以及电石原料的生产就要耗费很大的电能。一个大型的电石产业每吨耗电3000kWh左右,中小型产业甚至可高达7000kWh。氧和二氧化碳的生产也非常耗能。一个焊机就是一个发电站,小则几kW,大则100kW以上。大企业大工地一般都拥有几十、几百台各种焊接设备。特别是很多基建施工现场,经常要在缺电和无电地区流动施工,不得不带一个大功率的柴油发电车和足够的柴油。油气、煤油都是成千上万年才生成,可用时间不过几十上百年,只有太阳能是取之不尽、用之不竭、不付使用费和零排放的新能源。本文阐述焊接发展的几个新方向-新材料、新能源和信息化制造。

       1焊接冶金材料与太阳能材料
       1.1氧化硅和硅
       硅易氧化,以SiO2形式存在于砂石中,其中Si含量大多在99%以上,我国各地都有高品位的氧化硅矿,储量居世界第二。焊条焊剂原材料中常用的石英、长石、大理石中就存在大量的SiO2,在焊接中用以改善冶金过程。SiO2经过与碳一块熔炼还原成冶金硅,再精炼提纯到99.999%作为直拉单晶硅,进而做成半导体材料和太阳能电池材料。纯无缺陷的晶体硅材料叫本征半导体;掺入磷、砷和锑,叫施主杂质,为硅材料提供电子,材料则成为N型半导体;掺入硼、铝和镓,叫受主杂质,为硅材料提供空穴,材料则成为P型半导体。连接在一起形成p-n结叫硅半导体,太阳能的光电转换就是利用p-n结的自建电场的光生伏特效应。如在两面引出电极,接上负载即有电流通过,有太阳就有电(图1a)。在20世纪90年代,太阳能工业主要采用直拉单晶硅太阳能电池,成本高。及后由纯度较低的硅和废弃的单晶硅用铸造方法铸造成多晶硅,相对成本较低、生产效率较高,能耗可降低5/6。由太阳能电池片多块串并联成一定输出电流电压和功率的太阳能电池组件,组件进一步串并联就成为太阳能发电系统如图1b),输出的光伏特性如1c)。这就是出厂太阳能电池板的基本特性,其最大功率Pm,开路电压Voc和工作电压Vo,短路电流Isc和工作电流Io。这就是太阳能的电源特性,此图是将原图坐标互换一下,就相当于我们的电焊机外特性,一看就知道很适合作焊接电源。

 

                      图1硅太阳能电池及其特性

1.2纳米TiO2
        纳米TiO2太阳能薄膜电池:前面谈到的Si是通过提纯直拉或铸造做成光电材料,而TiO2是通过细化成纳米尺度的粒子,用表面工程技术沉积在金属和非金属材料上(如导电玻璃、铝或不锈钢等)的多孔TiO2作电级,以有机染料(如Ru)为光敏催化剂,以表面工程技术沉积在导电玻璃上的Pt,C或石墨烯为对电极,以含有I/I2 的碳酸盐或聚碳酸脂为电解质,利用太阳光照射使染料分子激发电子注入到多孔TiO2而留下空隙,失去的电子从电解质中得到补偿,进而形成电流,其工作原理如图2。纳米TiO2太阳能薄膜电池的特点是●资源丰富(特别是在四川),工艺简单和节能,成本只有晶体硅的1/5~1/10;●光照方向及强度变化敏感性小,寿命在20年以上;●转换效率较低只有10%左右,理论上可达30%,而且光照时间长,很有潜力;●可以用任何刚性和柔性材料作基底,易与结构材料结合,应用面宽。


图2 纳米TiO2太阳能薄膜电池

1.3石墨和石墨烯
       石墨是我们焊接中最常用电材料之一,如焊接和切割的电极,焊接冶金中的掺合金和作脱氧剂;但由石墨中提出的石墨烯应用是近些年的事。单层石墨烯是指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的单层碳原子构成的一种二维碳材料,但可派生成多种形态,聚成在一块可吸收大量电子原子或分子,如图3所示。石墨烯是迄今为止世界上强度最大的超薄材料(如超轻型飞机材料),也是导电性最好的材料(如作微电子材料),还是一种优良的改性剂。由于其高传导性、高比表面积,在新能源领域,如超级电容器和锂离子电池方面,作为电极材料或太阳能薄膜电池。由于多孔强吸附,可制成多种功能材料。

 

                 图3石墨和石墨烯


         石墨烯是一种制作电子元件的奇妙材料。传输快、能耗少、体积小,性能远胜于硅,代表着电子学的未来,也是能源和控制设备(含焊机)发展的源泉。但是要制作出超薄的蜂窝层,也存在着很大的困难。曼彻斯特大学的研究人员Andre Geim和Konstantin Novoselov在2004年成功制作出了石墨烯单原子层(这一成就和他们在石墨烯研究上的其他一些进展为他们赢得了2010年度的诺贝尔物理学奖),该奖获得者曾来西南交通大学作报告。我国在这方面发展很快,很多单位作了大量工作,有的制成了石墨烯产品和器件。在国际石墨烯标准至今仍处于缺位状态的情况下,中国石墨烯标准化委员会正式发布中国石墨烯第1号标准《石墨烯材料的名词术语与定义》,并于2014年1月1日起实施,将有利于我国石墨烯产业健康有序地发展,预示着中国石墨烯标准化工作已经走在世界的最前沿。习近平主席访问曼彻斯特大学参观石墨烯的研究成果时,提出要与该校强强联合。

         石墨烯的用途很多,可在工商农医各行各业广泛应用,特别是在电子电器和新能源工业和交通中应用有划时代的意义。例如用于微电子半导体和电器组件的轻微化和高效化,对太阳能电池和储电池的转换效率和单位重量的容量和能量有很大提高,使成本大大降低。
石墨烯的制备方法很多,有化学气相沉积法、氧化-还原法、溶剂剥离法、溶剂热法,其他还有高温还原、光照还原、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法、微机械剥离法等。方法各有千秋,但以氧化石墨还原法成本低廉且容易实现,其过程是将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO),经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨),再加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团,如羧基、环氧基和羟基,得到石墨烯。

        由此看出通过材料的超纯、超细和超微结构的研究,可以造出很多新奇材料、焊接材料、半导体的焊接电源和焊接设备,以及焊接过程质量控制元件组件等。

2太阳能与焊接及表面熔敷工程
       2.1聚光焊接
       太阳能焊接是人们很早就有的希望,最早就是聚光焊接,国外也有一些研究成果如图4,但设备大到几十米,难以推广;国内早年也有小型聚光焊接的鉴定成果,但只能用于钎焊刀头,未见推广使用。

 

                      图4不锈钢和铝合金的聚光焊接及焊接接头组织


       2.2太阳能光伏焊接
       太阳能系统有两种,一种是并网系统如图5a),太阳能电池板发出的直流电,通过一并网逆变器输出稳定电流,与市电电网并网应用,现有焊机直接接市网应用,余缺互补;另一种是离网系统,与市网无关如图5b),太阳能通过控制器储电池和逆变器组成全天候供电系统,分别供直流或交流焊接设备使用,也可二次电源焊机直接使用,在无电地区或焊接工程车必须用离网系统,如图5c),d),e)。 

 

       
                      图5太阳能光伏焊接系统

 2.3水等离子焊接二次能源车
        水等离子焊接是一种多用途和节能的好方法,其设备和技术参数如图6a)。水等离子焊接与切割是用水(焊接时用50%的酒精水溶液)产生等离子达到焊接和切割目的,可以切割或焊接钢、铸铁、铜、铝合金的熔焊和钎焊,也可以切割绝缘材料、石英玻璃、陶瓷、水泥、石块等不燃材料。还可以进行淬火、正火、回火、预热、喷涂、重熔、工件整形等。功率低,但功效可达300A的电焊机,节能近1/5,不用辅助器材和工业气体,无有害气体和粉尘排放,是一种环保节能的好方法。为了实现在无电地区和郊野焊接,配置了水等离子焊接二次能源车如图6b),配置了5000W的DC/AC逆变器如图c),另配12V/105Ah储电池串联输出48V/105A为逆变器供电,驱动水等离子设备工作,工作情况如图6d)。

 

                      图6水等离子焊接二次能源车


         这套系统证明,可以在无电地区或郊野实现自带二次能源独立进行焊接,但需定时到太阳能电站充电,要增加设备的投入和重量,难以普遍推广。另外水等离子焊接切割,由于一次加水使用时间短、手工操作技术要求高,也推广不快,尚待研究提高。

         2.4太阳能焊接工程车焊接
        太阳能焊接工程车的关键,是用太阳能作为能源来进行焊接和驱动车行,两者都是耗能增排大户,是造成雾霾和有害气体排放的两个主要来源,两者共用太阳能能源,错时运行,不只解决太阳能焊接车的增加投入和重量,而且大大提高能源利用效率。我国的交通工具除电力机车车辆外,主要是燃油车船,即使有一些电动车,也要靠以油煤气发电为主(占65%以上)的市电充电,不只充电难,而且也不能彻底节能减排。如果用太阳能充电站或移动的太阳能电源充电电动车,不只可解决新能源纯电动车推广应用的瓶颈,还能达到完全节能减排。

         我们现在研究太阳能焊接工程车,因为其牵涉到新能源、新材料、新能源车和绿色制造,而且样  样都与焊接有关,如有成果,很容易推向工业交通部门。我们研究太阳能焊接车是由小到大,由30W的太阳能钎焊车到250W的太阳能电火花强化车,到1000W的太阳能电容螺柱焊车,到2000W的太阳能电火花冷焊沉积车,最后到4500W的太阳能水等离子焊接切割车,其中大部分已获批专利和制成样机和试焊,正待完善,车体材料大多采用了铝合金、镁合金和不锈钢,太阳能电池主要采用硅电池,正在探索二代、三代太阳能电池的应用,储电池已根据不同情况,采用免维护阀控铅酸电池、硅胶电池、磷酸铁锂电池和锂离子电池,目前正在探索超级电容电池的应用。并已在《现代焊接》杂志《太阳能焊接工程车》专题连载10余篇和研究生在《制造业自动化》杂志发表相关论文4篇。现举4500W太阳能焊接工程车以图7为例说明。

        图7为已完成的4500W离网式集装箱太阳能系统,同时也是一个太阳能焊接工程车车体,阴雨天闭合就是一个太阳能集装箱,可以车载运行;晴天或到工作地点工作时就展开,以扩大迎照面和遮阳工作面。太阳能能源系统包括控制器、储电池车和逆变器及测试系统,图7下部为测试结果。
 

                图7已完成的4500W离网式集装箱太阳能系统


        如果把前面介绍的水等离子二次能源焊接车放在车内,同时前与车体太阳能电源连接,后与车用电机连接,即可成为车载式共用能源的太阳能焊接工程车,如图8a)。我们也正在用此太阳能集装箱做成自行式太阳能能源车和焊接工程车。图8b)为车运行或阴雨天时封闭状态,图8c)为车到工作地点工作装态或非工作时间的充电状态。这种车必将在我国西部和丝绸之路经济带的建设中起重要作用。 

                   图8车载式共用能源的太阳能焊接工程车


         近期我们完成了一台自行式多用焊接工程车如图9。车顶和侧墙上部布满太阳能电池板(总功率为2.2kW,侧面可张开),如配足储电池可输出15~20kW电力供车行和焊接错峰使用。车内可布置不同设备,作不同用途工程车焊接车或服务车。也可用作一般乘用车和小公交车,达到彻底节能减排。由于资金需求过大,将原设计的铝合金结构改为钢结构,车重增加2/3,驱动组件功率由4kW减到1.5kW,运行速度只能达到原设计的1/7(6km/h左右),如改为轨道车可能到80km/h。因此本车只是一个试验车,供研究载重+自重-运行系统和能源系统间的变化规律,为以后的设计和应用研究打基础。现在正在设计一辆5.9m长铝合金结构4kW太阳能输出的焊接测试及作业轮式车和一辆12m长10kW太阳能输出的轨式焊接工程车。 

 

                      图9自行式多用焊接工程车


       通过上述实践表明,实现太阳能焊接和焊接工程车是完全可能的,如能一步一步实现,会实现焊接和运载工具的能源革命,会对国家节能减排做很大贡献。

3信息化制造
       信息化制造的含意我们解读为是用计算机和信息技术融入装备制造设备、过程、系统和产业,对焊接来说可以是信息化焊机和过程控制、生产线控制、工厂和产业管理。我校早期曾办过《信息化制造》试点专业,可惜因机构和学科调整而取消。以下讨论与焊接基础技术关系最大的信息化增材制造,也就是现在最热门的3D打印。

       3.1信息化增材制造过程与一般制造过程的比较
       一般制造过程人们都很熟悉,从设计到产品,经过的车间工序很多,设计制造分离,生产周期很长,其全过程如图10a)。增材制造实际上就是焊接人过去的三维堆焊一次成形技术,不过融入了信息化技术而且把信息化设计和制造合为一体,其过程如图10b)。用句话来描述就是:对物体进行三维扫描或设计成型,用信息处理的方法数字化,以此驱动数控堆焊系统逐层熔敷成形为产品。这是产品更新的重要途径,也是大众创业、万众创新的手段,但一旦成为标准化大量生产的产品,还是离不了各种加工方法设备和工艺,因此也要发展单机自动化和过程以及生产系统的信息化控制。

 

                 图10信息化增材制造过程与一般制造过程的比较

3.2增材制造应用及最终实现途径
       增材制造应用及最终实现途径如图11。增材制造的原始数据在于对型体的三维扫描(用于仿制)和三维设计(用于新制),分层信息化处理为数字链,用以驱动数控执行设备作分层按原有轨迹运动,将熔化的添加材料逐层堆积成原体三维模型的形状。其熔敷热源一般为高能束热源,如激光电子束和离子束焊接设备,如用一般MIG焊或TIG焊设备,则焊层厚、表面粗糙,但生产率高;如用高能密度能源小电流熔敷,可做到焊层薄、表面光洁、耗材少,但生产率低。

 

                         图11增材制造应用及最终实现途径

3.3金属制品增材制造实例
       现在的3D打印用在工程塑料或小设备较多,如图12左,在各个领域均有应用。但用在大型机械和结构较少。

 

                          图12金属制品增材制造实例

  2013年5月23日中国青年网报导“中国掌握飞机钛合金结构件激光快速成型技术,突破了飞机钛合金承力结构件激光快速成型应用关键技术,成为当时继美国原AeroMet公司之后,世界上第二个实现激光快速成形钛合金结构件在有关器件及飞机上实际装机应用。如图12右”。体现了:●优质:飞机钛合金应用证明其强度、疲劳强度、韧性和断裂韧性同锻件;●高效:不用毛坯加工和机械加工设计制造一次完成;●环保节能:增材制造过程能耗极少;●节材:飞机大型钛合金应用证明可节约钛合金80%~95%;●智能化生产:劳动强度低、生产周期短、制造成本低。由于所需功率小,很容易做成太阳能供电的焊接设备。

        3.4电火花增材和减材和分离制造
        两电极间的放电特性如图13a),在电流很小(1A以下)时为辉光放电,多用于热处理表面强化和气相沉积;电流在10A以上为电弧放电,为电弧焊接及切割和电弧喷涂所用;在1~10A这一段为过渡区,为电火花加工,强化、刻蚀、沉积、电刷镀和微弧氧化所用,利用这个区间特性可作很多工作。如图13b)的工艺品就可用刻蚀作减材制造,用沉积作增材制造。在工业上可用作电路板,我们曾用于试件或工件刻写编号。用增材制造的原理同样可实现自动化,同时可用于分离制造-电火化切割。

 

                       图13两级放电及电火花增材和减材制造

4结束语
       4.1通过材料的超纯、超细和超微结构的研究,由焊接冶金材料可以造出很多新奇材料和焊接材料,可对焊接结构提出很多新要求,用于焊接也会对焊接质量有很大提高。

      4.2 通过实践表明,实现太阳能焊接和焊接工程车是完全可能的,如能一步一步实现,会实现焊接和运载工具的能源革命,可为国家节能减排作很大贡献。

      4.3信息化制造是装备设计制造的一次大革命,也是一次焊接和表面工程和再制造技术的大革命。
 

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