作者：Klas Weman, 伊萨焊接设备公司，Laxa, 瑞典

    本文查验了19世纪末发明的电弧焊接的历史。当Oscar Kjellberg成立伊萨公司以探索他发明的涂层焊条时，伊萨从一开始就和电弧焊的发展结下了不解之缘。

    19世纪80年代，焊接只用于铁匠锻造上。工业化的发展和两次世界大战的爆发对现代焊接的快速发展产生了影响。基本焊接方法—电阻焊、气焊和电弧焊都是在一战前发明的。但20世纪早期，气体焊接切割在制造和修理工作中占主导地位。过些年后，电焊得到了同样的认可。

电阻焊

    首例电阻焊要追溯到1856年。James Joule（Joule加热原理发明者）成功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。第一台电阻焊机用于对接焊。1886年，英国的Elihu Thomson造出了第一个焊接变压器并在来年为此项工艺申请了专利。该变压器在2V空载电压时能产生200A电流输出。此后，Thomson又发明了点焊机、缝焊机、凸焊机以及闪光对焊机，后来点焊成为电阻焊最常用的方法，如今已广泛应用于汽车工业和对其它许多金属片的焊接上。1964年，Unimation生产的首批用于电阻点焊的机器人在通用汽车公司使用。

    气焊

    19世纪末，一种氧乙炔火焰的气焊在法国出现了。大约在1900年,Edmund Fouche 和Charles Picard造出了第一支焊炬。实验证明焊炬发出的火焰炙热，大约在3100．C以上。后来焊炬成为了焊接切割钢时的重要工具。

    早在英国的Edmund Davy发现当碳化物在水中分解时能产生一种可燃性气体之前就发现了乙炔气体。当乙炔燃烧时，其亮无比，这一点成为它的主要用途。然而，在传输使用乙炔时经常发生爆炸。人们发现丙酮能溶解大量乙炔，尤其是压力增加时。1896年，Le Chatelier 发明了一种安全的方法储存乙炔。那就是在圆瓶内使用丙酮和多孔石来储存乙炔。

    其他许多国家利用这项法国发明储存乙炔。但时有报道在传输过程中发生爆炸。瑞典人Gustaf Dahlen改变了渗透物的成分，成功做到了让乙炔100%安全。

    电弧焊

    1810年，Humphrey Davy在电路的两极造了一个稳定的电弧---电弧焊的基础。在1881年的巴黎“首届世界电器展”上，俄罗斯人Nikolai Benardos展示了一种电弧焊的方法。他在碳极和工件间打出一个弧。填充金属棒或填充金属丝可以送进这个电弧并熔化。那时他是法国Cabot实验室的学生，和他的朋友Stanislav Olszewski一道于1885年至1887年间在几个国家得到了专利权。该专利展示了早期电极夹，参见图2。到19世纪末和20世纪上半叶，碳弧焊越来越流行。

    Benardos, Nicolai Slavianoff的同胞进一步完善了这一焊接法。1890年，他用金属棒代替碳棒作为电极并获得专利。电极熔化，从而充当热源和填充金属。

    但是，焊缝不能隔绝空气，质量问题也接踵而来。瑞典人Oscar Kjellberg在使用该方法修理船上的蒸汽锅炉时注意到焊接金属上到处都是气孔和小缝，这样的话根本不可能让焊缝防水。为了改善这种方法，他发明了涂层焊条，于1907年6月29日获得专利（瑞典专利号27152）。质量改善后，电焊技术得到突破，现在也能应用于工业。这家电焊公司（ESAB，瑞典语首字母缩略）作为一家轮船修理公司于1904年9月12日成立。

    此后，在20世纪30年代，又发明了不少新焊接法。直到那时，所有的金属电弧焊都是通过手工焊的方法完成的。人们不断尝试用连续丝让该工艺自动化。最成功的发明是埋弧焊，在这种焊接方法中，电弧埋在一层粒状熔剂里。

    气体保护电弧焊早在1890年就由C. L. Coffin获得了专利。但在二战期间，航空业需要找到焊接镁和焊接铝的方法。1940年，在美国，用隋性气体保护电弧的实验开展得如火如荼。通过使用钨电极，不用熔化电极也可以打出电弧。这样的话，不管有没有填充金属都可以进行焊接。这种方法现在称为TIG焊接（钨极惰性气体保护电弧焊）。

    过些年以后，用连续放入金属丝作为电极的MIG焊接工艺（熔化极惰性气体保护电弧焊）出现了。起初，保护气体为隋性气体氦或氩。

    因为CO2更容易找到（活性气体保护电弧焊MAG）,Lyubavskii 和Novoshilov成功使用了它。他们使用“浸沾转移”法减少了由产生激烈的飞溅引起的一些问题。到那时为止，我们今天使用的大多数焊接工艺都已发明。接下来又出现了其他一些焊接法，诸如激光束焊和搅拌摩擦焊，两者都是由英国焊接学会发明的。

    焊接工艺 简称 发明者 年代 所属学会 国家

    电焊阻 Elihu Thomson 1886-1900 Thomson 电焊 美国 /  氧乙炔焊 OAW Edmund Fouche Charles Picard 1900 法国 / 钎焊 TW Goldschmidt 1900 Goldschmidt AG 德国 / 手工金属电弧焊 MMA，SMAW Oscar Kjellberg 1907 伊萨 瑞典 /电渣焊 ESW N.Benardos R.K.Hopkins 190819401950 Paton 焊接学会 俄罗斯美国乌克兰 / 等离子焊接 PAW Schonner R.M.Gage 19091953 BASF 德国美国 / 钨极惰性气体保护电弧焊 TIG

    GMAW C.L.CoffinH.m.Hobart 和.K.Devers 19201941 美国 /  药芯焊丝 FCAW Stoody 1926 美国 / 螺柱焊 1930 纽约海军厂 美国 /  熔化极惰性气体保护电弧焊 MIG H.M.Hobart和P.K.Devers 19301948 航空战争纪念学会 美国
埋弧焊 SAW Robinoff 1930 国家地下铁道公司 美国 / 活性气体保护电弧焊 MAG，GMAW Lyubavskii和Novoshilov 1953 苏联 / 激光切割 Peter Houldcroft 1966 BWRA（TWI） 英国 / 激光焊接 LBW Martin Adams 1970 英国 /搅拌摩擦焊 FSW Wayne Thomas 1991 TWI 英国

    焊接电源

    19世纪末以前没有出现电焊的理由之一就是缺乏合适的电源。18世纪末期，意大利人Volta 和Galvani成功发现了电流。1831年, Michael Faraday创立了变压器和电机原理，这是对电源的重要发展。首批焊接实验的开展是通过不同类型的方法来解决焊接电源的。1801年, Humphrey Davy先生在首批电弧实验中使用电池作为电源。Benardos在碳弧焊实验中使用一台22马力的蒸汽机驱动直流电机，用150个电池来发电。单是电池的总重量就达到2400kg。Thomson在发明电阻焊机时使用了变压器。Oscar Kjellberg使用110V直流电压电源，他让电流通过一个装满盐水的桶，从而把电流减小到适当的水平。

    1905年，德国AEG公司生产了焊接发电机。它由三相异步电动机驱动，其特性适合焊接，重1000kg, 电流250A。
直流电直到20世纪20年代才适合用于电弧焊。焊接变压器很快变得受欢迎，因为它的价格较便宜，消耗能源相对较少。

    20世纪50年代末，固体焊接整流器问世。最初使用的是硒整流器，接着很快出现了硅整流器。此后，硅可控整流器的出现实现了电子控制焊接电流。这些整流器现在都普遍使用，尤其是用于大型焊接电源。焊接逆变器的出现是在电源上最引人注目的发展。伊萨首个逆变器模型造于1970年。但是逆变器在1977年以前没有普遍用于工业。1984年，伊萨推出140A“Caddy” 牌逆变器，重量只有8kg。

    先进的焊接工艺

    等离子焊接出现时，实验证明它是更集中、更炙热的能源，利用它可以提高焊接速度，减少线能量。20世纪60年代出现的激光电子束焊接也与之有相似的好处。质量提高，容差减小，超过了以前可能达到的标准。对新材料和不同金属组合都能进行焊接。电子束狭窄，要求必需使用机械化设备。

    从1964年起，机器人就已经用于电阻焊。大约十年后出现电弧焊机器人。电动机器人可以设计得非常精确，达到熔化极惰性气体保护电弧焊焊接的要求。最初，机器人内输入的焊接数据和手工焊使用的焊接数据是相同的。

    人们进行了许多尝试来提高熔化极惰性气体保护电弧焊工艺的生产力。加拿大人John Church使用了快速送丝速度和由四种成分组成的保护气体来做此尝试。工艺相似，仍然使用同样的焊接设备，但却有可能让焊接速度提高一倍。 在同一熔池内使用两根焊丝的焊接法——双丝焊或双芯焊，实验证明更富有成效。最新高效焊接法是混合焊——这种方法结合了两种不同的工艺。激光熔化极惰性气体保护电弧焊混合焊是最有发展前景的。这种焊接速度极快，熔深大。机械化焊接打开了投入到新应用中去的大门。窄间隙焊既节省时间，又节省耗材，减少了热影响区焊接的变形。起初使用的是熔化极惰性气体保护电弧焊工艺，后来也使用埋弧焊和钨极惰性气体保护电弧焊。1980年前后，伊萨把重型埋弧焊、窄间隙焊设备运往了前苏联Volgadonsk。

    1992年，TWI获得搅拌摩擦焊专利权。这种焊接法对铝很适用。铝不用熔化就能接合并形成高质量接合点。该工艺不使用耗材，能源消耗少，它的另一个好处就是对环境影响小。此工艺非常简单有效，是20世纪最重要的焊接创新之一。

    发展趋势

    焊接的有些发展趋势是显而易见的：不断提高生产力；进一步机械化；继续寻找更有效率的焊接工艺。通过新设计以及使用高强度钢和铝合金的增多，整体构件重量减轻。在焊接展上，我们能清楚看到电子元件、计算机技术以及数字通讯的发展影响着焊接设备的发展。诸如混合激光熔化极惰性气体保护电弧焊和搅拌摩擦焊新工艺已经出现。但是传统的钨极惰性气体保护电弧焊、熔化极惰性气体保护电弧焊以及埋弧焊工艺毫无疑问将继续占主导地位。


作者简介—— Klas Weman, 对瑞典Laxa伊萨焊接设备公司的电弧设备、电源和焊接工艺发展有丰富的经验，早期出任斯德哥尔摩皇家技术学院焊接技术部客座教授。