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概述
调研大纲

在技术层面,主要焊接技术包括激光焊、电子束焊、电弧焊、电阻焊和摩擦焊等,各有其独特的原理、优缺点和适用场景,当前技术发展趋势为自动化与智能化、高效化与精密化、绿色环保以及多功能集成化,但是国内在高端焊接设备领域与国际先进水平仍存在差距,面临技术创新能力不足和产业配套不完善等挑战。

一、主要焊接技术​

激光焊:利用高能量密度的激光束作为热源,使焊件材料迅速熔化和凝固,从而实现焊接。其原理是通过特定的方式激励激光活性介质(如 CO₂和其他气体的混合气体、YAG 钇铝石榴石晶体等),使其在谐振腔中往复振荡,形成受激辐射光束 。当光束与工件接触时,其能量被工件吸收,在温度达到材料熔点时便可进行焊接。激光焊具有能量集中、焊接速度快、热影响区小、精度高、焊缝质量好等优点。激光焦点光斑小,功率密度可达 10⁴ - 10⁷W/cm²,能焊接高熔点、高强度的合金材料;而且它是无接触加工,无工具损耗和调换问题,激光束能量和移动速度可调,可进行多种焊接加工;焊接自动化程度高,可用计算机控制,能方便地进行复杂形状的焊接;热影响区小,材料变形小,无需后续工序处理;激光束易于导向、聚焦,可实现各方向变换,还可通过玻璃焊接处于真空容器内或复杂结构内部位置的工件 。不过,激光焊也存在一些缺点,如焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内;焊件使用夹治具时,必须确保焊件最终位置与激光束冲击的焊点对准;最大可焊厚度受到限制,渗透厚度远超过 19mm 的工件,生产线上不适合使用激光焊接;高反射性及高导热性材料(如铝、铜及其合金等),焊接性会受激光影响;能量转换效率低,通常低于 10%;焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑;设备昂贵。激光焊广泛应用于电子、航空航天、汽车等高端制造领域,如电子元器件的精密焊接、航空发动机叶片的焊接、汽车车身的焊接等。​

电子束焊:在真空环境下,利用高速电子束撞击焊件表面,将电子的动能转化为热能,使焊件局部熔化实现焊接。从电子枪中发射的电子束在高电压(通常为 20 - 300kv)加速下,通过电磁透镜聚焦成高能量密度的电子束 。当电子束轰击工件时,电子的动能转化为热能,焊区的局部温度可骤升到 6000℃以上,使工件材料局部熔化实现焊接。电子束焊的能量高度集中在焦点处,能够快速加热和熔化金属,加热速度快,焊缝深宽比大,适用于薄壁构件或精密零件的焊接;熔池周围气氛纯度高,不存在焊缝金属的氧化污染问题,特别适宜焊接化学活泼性强、纯度高和在熔化温度下极易被大气污染(发生氧化)的金属,如铝、钛、铅、钼、高强度钢、高合金钢以及不锈钢等;还适用于高熔点金属,可进行深熔焊接。但电子束焊需要真空环境,设备成本高,操作和维护较为复杂,且只能焊接真空室内放得下的小零件。主要应用于航空航天、核能等对焊接质量要求极高的领域,如航空发动机的关键部件焊接、核反应堆部件的焊接等。​

电弧焊:利用电弧作为热源,使焊条或焊丝与焊件之间产生高温电弧,熔化焊条和焊件的接头部位,从而实现金属的连接。以常见的手工电弧焊为例,当焊条与焊件接触引弧后,在焊条端部和焊件之间形成电弧,电弧的高温使焊条和焊件局部熔化,形成熔池,随着焊条的移动,熔池冷却凝固形成焊缝。电弧焊操作灵活、适应性强,可用于各种位置和形状的焊接,适用于各种金属材料和不同厚度的焊件;设备简单,成本较低,易于推广使用。然而,电弧焊对焊工技术要求较高,焊接质量受人为因素影响较大;焊接效率相对较低,在一些大规模生产场景中可能无法满足需求;焊接过程中会产生较多的飞溅和烟尘,对工作环境和操作人员健康有一定影响。电弧焊在建筑、机械制造、维修等领域应用广泛,如钢结构的焊接、机械设备的制造与维修等。​

电阻焊:通过电流通过焊件接触表面及邻近区域产生的电阻热,将焊件加热到塑性或熔化状态,然后施加压力使焊件连接在一起。以点焊机为例,当电极加压使焊件接触,接通电流后,电流通过焊件接触点处的电阻产生热量,使接触点处金属加热到塑性或熔化状态,断电后,在压力作用下,接触点处金属冷却凝固形成焊点,实现焊件连接。电阻焊焊接速度快、生产效率高,适用于大批量生产;焊接变形小,接头质量好,能满足一些对变形要求严格的焊接需求;操作简单,易于实现自动化,可降低人工成本和劳动强度。但电阻焊设备投资较大,对焊件的尺寸、形状和材质有一定要求,适用范围相对较窄;电极磨损较快,需要定期更换,增加了生产成本和维护工作量。电阻焊常用于汽车车身焊接、电子元件焊接、薄板连接等领域,如汽车车身的点焊、电子元件引脚与电路板的焊接等。​

摩擦焊:通过焊件之间的相对摩擦运动产生热量,使焊件接触表面达到塑性状态,然后在压力作用下实现焊接。以连续驱动摩擦焊机为例,焊接时,一个焊件固定,另一个焊件高速旋转,当两者接触时,由于摩擦产生热量,使接触表面温度升高达到塑性状态,此时停止旋转并施加顶锻压力,使焊件在压力下实现焊接。摩擦焊焊接过程环保、节能,不产生有害气体和烟尘,符合现代环保要求;焊接接头强度高,能保证焊接质量和可靠性;可焊接各种金属材料以及部分金属与非金属材料,适用范围较广;焊接过程易于控制,生产效率高,可实现自动化生产。不过,摩擦焊设备结构相对复杂,投资较大;对焊件的尺寸和形状有一定限制,不是所有形状的焊件都适合采用摩擦焊;焊接过程中需要消耗一定的能量用于摩擦生热,对能源供应有一定要求。摩擦焊广泛应用于机械制造、汽车零部件加工等行业,如发动机轴与齿轮的焊接、汽车半轴的焊接等。​

二、技术发展趋势​

自动化与智能化:随着人工智能、物联网、大数据等技术的飞速发展,焊接设备正朝着自动化和智能化方向快速迈进。自动化焊接设备能够自动完成焊接过程中的送丝、定位、焊接等操作,大大提高了焊接效率和质量的稳定性。例如,焊接机器人在汽车制造、电子等行业的应用越来越广泛,它们可以根据预设的程序精确地执行焊接任务,减少了人工操作带来的误差。智能化焊接设备则具备自我学习、自我优化的能力,能够根据焊接过程中的实时数据自动调整焊接参数,如焊接电流、电压、速度等,以适应不同的焊接工况和焊件要求。通过引入智能算法和机器学习技术,焊接设备可以对焊接过程中的数据进行分析和处理,提前预测焊接缺陷的发生,并采取相应的措施进行预防和纠正。此外,智能化焊接设备还可以实现远程监控和故障诊断,操作人员可以通过互联网随时随地监控设备的运行状态,及时发现并解决问题,提高设备的维护效率和可靠性 。​

高效化与精密化:为了满足现代制造业对生产效率和产品质量的更高要求,焊接技术不断向高效化和精密化方向发展。在高效化方面,新的焊接工艺和设备不断涌现,如激光复合焊接技术,将激光焊接与其他焊接方法(如电弧焊)相结合,充分发挥各自的优势,提高了焊接速度和熔深,能够实现更厚板材的高速焊接,拓宽了焊接技术的应用范围。同时,高功率焊接设备的研发和应用也使得焊接效率大幅提升,例如高功率激光焊设备和电子束焊设备,可以在短时间内完成大型构件的焊接。在精密化方面,随着制造业对零部件精度要求的不断提高,焊接技术也在不断提升其焊接精度。例如,微连接技术的发展使得电子元器件等微小零件的焊接精度达到了微米甚至纳米级别,满足了电子、医疗等高端领域对精密焊接的需求。先进的焊接设备通过采用高精度的控制系统和传感器,能够实现对焊接过程的精确控制,确保焊接质量的稳定性和一致性,减少焊接缺陷的产生。​

绿色环保:在全球环保意识日益增强的背景下,焊接设备的绿色环保发展趋势愈发明显。一方面,焊接设备制造商不断研发新技术,优化设备结构,以降低焊接过程中的能耗。例如,采用高效的焊接电源,如逆变电源等,可有效降低焊接过程中的电能消耗,提高能源利用效率。同时,通过引入智能节能控制系统,实现焊接过程的精确控制,避免不必要的能源浪费。另一方面,减少焊接过程中污染物的排放也是绿色环保发展的重要方向。例如,开发低飞溅、低烟尘的焊接工艺和设备,减少焊接过程中产生的有害气体和颗粒物对环境和操作人员健康的影响。此外,对焊接过程中产生的余热进行回收再利用,如用于预热焊材或辅助加热等,也成为了焊接设备绿色环保发展的一个重要趋势。一些焊接设备制造商还致力于建立绿色供应链体系,从原材料采购、生产制造到产品回收等各个环节均注重环保和节能减排,推动整个焊接设备行业向绿色可持续方向发展。​

多功能集成化:为了满足不同用户的多样化需求,焊接设备逐渐向多功能集成化方向发展。传统的焊接设备往往功能单一,只能实现一种或几种焊接工艺,而现在的焊接设备则越来越多地集成了多种焊接功能,如一台焊接设备可以同时具备电弧焊、电阻焊、激光焊等多种焊接方式,用户可以根据不同的焊接需求选择合适的焊接工艺。此外,焊接设备还逐渐与其他相关设备和技术进行集成,形成完整的焊接解决方案。例如,焊接设备与自动化生产线、机器人、控制系统等进行集成,实现焊接过程的自动化、智能化和柔性化生产。同时,焊接设备还集成了检测、监控等功能,能够实时监测焊接过程中的参数和质量,及时发现并解决问题,提高焊接质量和生产效率 。多功能集成化的焊接设备不仅提高了设备的利用率和生产效率,还降低了用户的采购成本和设备占地面积,具有广阔的市场前景。​

三、国内外技术差距与挑战​

技术差距:在高端焊接设备领域,国内与国际先进水平仍存在一定差距。在激光器技术方面,国外企业如通快(TRUMPF)、IPG 等在高功率光纤激光器、碟片激光器等方面技术领先,其激光器具有更高的功率稳定性、光束质量和转换效率。例如,通快的高功率碟片激光器在航空航天、汽车制造等高端领域得到广泛应用,而国内在高功率激光器的核心技术和关键零部件制造方面仍依赖进口,自主研发的高功率激光器在性能和稳定性上与国外产品存在差距。在焊接机器人技术方面,ABB、发那科、库卡等国际知名企业在机器人的运动精度、重复定位精度、智能化控制等方面具有明显优势。这些企业的焊接机器人能够实现复杂的焊接轨迹规划和高精度的焊接操作,并且具备强大的自适应控制能力,能够根据焊接过程中的实时情况自动调整焊接参数。相比之下,国内焊接机器人在关键技术和核心零部件(如减速器、伺服电机、控制器等)方面还需要进一步突破,机器人的整体性能和稳定性有待提高,智能化水平与国际先进水平相比还有较大差距。在电子束焊设备方面,国外企业在真空技术、电子枪设计、束流控制等方面处于领先地位,能够生产出更高功率、更高精度的电子束焊设备,满足航空航天、核能等高端领域对焊接质量的严苛要求。国内电子束焊设备在技术水平和产品性能上与国外存在一定差距,部分高端电子束焊设备仍依赖进口。​

挑战:国内焊接设备企业面临着技术创新能力不足的挑战。虽然国内一些企业在焊接设备研发方面取得了一定进展,但整体上研发投入相对较少,研发人才短缺,导致技术创新能力有限,难以突破关键核心技术。缺乏自主知识产权的核心技术,使得国内企业在高端市场竞争中处于劣势,只能依赖进口关键零部件和技术,增加了生产成本和市场风险。产业配套不完善也是国内焊接设备行业面临的一个重要挑战。焊接设备产业链涉及众多领域和企业,需要上下游企业之间密切协作。然而,目前国内焊接设备产业链存在配套企业规模较小、技术水平参差不齐、产品质量不稳定等问题,影响了整个行业的发展。例如,在焊接设备的电子元器件、传感器等关键零部件方面,国内配套企业的产品在性能和可靠性上与国外产品存在差距,难以满足高端焊接设备的需求。此外,市场竞争激烈,国内外企业之间的竞争日益加剧。国际知名企业凭借其先进的技术、品牌优势和完善的服务体系,在高端市场占据主导地位,对国内企业形成了较大的竞争压力。同时,国内焊接设备市场中低端产品同质化竞争严重,价格战激烈,导致企业利润空间被压缩,影响了企业的研发投入和技术创新能力 。为了应对这些挑战,国内焊接设备企业需要加大研发投入,加强技术创新,培养和引进高素质的研发人才,突破关键核心技术,提高产品的技术含量和市场竞争力。同时,政府和行业协会应加强引导和支持,推动产业配套完善,促进产业链上下游企业之间的协同发展,共同提升国内焊接设备行业的整体水平。

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