智能化引領焊接與切割技術的發展——記2013年德國埃森焊接與切割展覽會

中國兵器科學研究院寧波分院 劉紅偉

2013年9月12～21日，有幸參加了2013年德國埃森焊接與切割展覽會及第66屆國際焊接學會年會交流活動，通過近十天的參觀與交流，學到了很多東西。

一、焊接與切割展展會

由德國焊接學會主辦的埃森焊接與切割展覽會是世界上最大的焊接、切割類展覽會之一，展出內容代表著目前世界上焊接與切割領域內最先進的焊接材料、工藝技術以及自動化設備。本屆展會的內容較突出的特點是焊接自動化的飛速發展，從普通的氣體保護焊到先進的攪拌摩擦焊完全可以由機器人操作，代替了傳統的手工操作，靈活的機械手臂和精準的數控平臺大大提高了焊接效率和質量。焊縫的自動跟蹤技術保證了焊接精度，焊縫在線檢測技術提高了焊接效率和質量。水刀切割較傳統的熱切割技術，不會產生煙塵和有害氣體，完全實現綠色環保。德國的微型真空電子束焊接設備更加精巧，真空室只有人的頭部大小。

1.焊割設備的數字化、自動化程度高

本屆焊接展覽會的一個最大看點就是焊割設備的數字化、自動化程度高，除了焊條電弧焊、氬弧焊設備，大部分焊割設備均采用了NC數控系統和人機界面，操作者可以根據不同的焊接件通過人機操作界面自由設定焊接參數或編制焊接程序，并將焊接程序儲存于NC控制系統，最多可儲存焊接程序上百個，實現了智能化焊接，同時再配以機器人或機械臂系統，實現全方位高效自動化焊接或切割。不但降低了勞動作業強度，大大提高了效率，同時可獲得穩定、可靠的高質量焊縫，并且焊接工藝重復性、再現性好，焊接質量一致性好。

筆者與專家合影

各大廠商紛紛用盡渾身解數來吸引參觀者的眼球。如ABB公司利用兩個機器人協同“工作”，每個機器人末端手臂均“抓”著一個如家用電視大小的顯示屏，然后共同組成一個畫面。FANUC公司推出的兩個機器人協同“焊接”籃球球線的展示。眾所周知，籃球表面有好多球線，這些球線的走向很好地代表了目前各種復雜焊縫的形狀，如馬鞍形、相貫線等。這些焊縫如果僅僅使用一個焊接機器人的話，是很難實現的，而如果采用兩個機器人協同工作，便很容易實現。FANUC公司很好地解決了這些問題，并且從其公司展出的內容可以看出，這些問題解決的相當漂亮。

機器人的協同運動是本屆埃森展的一大亮點。傳統的一臺焊接機器人配備一個轉臺，只有8個自由度，雖然可以焊接一些形狀復雜工件的復雜焊縫，但是隨著產品小批量、多樣化的發展，一個機器人配備一個轉臺已經完全不能滿足要求。而兩個機器人的協同運動，一共可以產生12個自由度，這樣大大增加了其“柔性度”，完全可以勝任各種復雜的焊縫，如圖1所示。這些技術如在兵器行業的車體、炮塔等大型結構件的焊接上推廣應用，既可以實現高速高效焊接，又可以降低制造成本，大大縮短制造周期。

焊工大賽中國隊獲獎選手

圖1 展會現場及焊接機械手

2.焊接設備的功率大型化及設備小型化

為了滿足一些大厚度零部件的焊接生產需求，各種大功率焊接設備應運而生，特別是高能束焊接設備，如：激光、電子束焊接設備，隨著其設備制造的關鍵技術瓶頸的突破，已生產出一些大功率或超大功率的焊接設備。目前大功率激光器功率可達10kW以上，已可用于組合齒輪及厚板的焊接；英國CVE的大功率電子束焊機，功率可達100kW以上，可以一次焊透380mm厚不銹鋼板，同時還可應用于電子束自由成形制造技術及表面精密成形，為高能束加工技術在制造業中的應用提供了更廣闊的前景。

隨著技術進步，以及為了適應一些特定的精密零件焊接或便于野外作業，焊接設備不斷向小型化、微型化方向發展，如圖2所示。本屆展會的另一大特點就是所展出的焊機已經由傳統的“傻、大、笨、粗”趨于小型化和便利化。焊接及切割設備體積小、重量輕、便攜，完全可以滿足不同環境、不同場合的焊接需要。典型小型焊接設備有德國FOCUS生產的微型電子束焊接設備，功率2kW，真空室尺寸200mm2，整個焊接系統只有辦公桌大小，可滿足各種小尺寸精密零件的焊接。上海滬工系列迷你逆變電弧焊機，最小尺寸僅有185mm×75mm×140mm，重量僅有1.8kg，便于攜帶，極大的滿足了野外作業要求。這對于大型兵器裝備服役狀態下的修復具有重要意義。

圖2 大直徑螺柱焊樣品

3.特殊用途的焊接設備

日本松下生產的用于鍍鋅鋼板焊接的MIG焊接設備，采用逆變脈沖弧焊電流技術，通過破壞焊縫表面鍍鋅層，可獲得無飛濺、無氣孔缺陷的優質焊縫；用于零件修復的帶極堆焊設備，采用帶板堆焊大大提高了熔敷效率，而且堆焊的質量有很大提高，如圖3所示。

圖3 帶極堆焊樣件

窄間隙焊接設備，適用于35mm以上厚板的焊接，焊接時無需開坡口，預留間隙，通過控制焊絲在預留間隙內的擺動角度實現快速填充焊接，大大地提高材料利用率以及節省焊接材料消耗。

數控萬能平面水切割機（水刀），具有切割速度快、效率高、無熱變形、無污染、不受材料材質限制的新型冷態切割設備，適合于任意圖形、各種材料的平面切割；此外還有諸如攪拌摩擦焊、等離子弧焊、埋弧焊、螺柱焊、電阻焊、高頻感應加熱等一些先進的焊接技術及設備。

4.焊接輔助設備的發展

焊接過程監測及分析系統，可通過TPS傳感器對剛成形、紅熱的焊縫作垂直的溫度掃描，對焊縫垂直切面上的熱能分布進行描述，從而對焊接過程的缺陷進行在線實時有效地監測確保產品的焊接質量。可以對每個產品、每個焊縫的缺陷進行在線實時的測量、檢查，并對有問題的焊接進行及時報警，并對所有焊接信息進行記錄、保存，還可以通過網絡連接實現遠程監測。SprayWatch和DPV/CPS－2000的噴涂在線監測設備在業內應用較好，其設備向更加小巧便攜化發展。

焊縫跟蹤和焊接過程自適應控制系統，通過激光視覺自動導找跟蹤焊縫，并隨時自動調整焊槍位置，以避免焊縫焊偏，可獲得高質量的焊縫。

FRONIUS公司的虛擬焊接設備可為焊工培訓提供直觀、便捷的聯系方式，不需要通過實際的焊接過程即可觀測到真實的焊接現象。

5.焊接材料的發展

除了焊接設備以外，焊接材料制造企業的展出也占了很大的面積。本次展會所參展的焊接材料企業有幾百家，加拿大INDALCO公司、法國SAF、瑞典的ESAB等國外知名的焊材制造企業都帶來了最新產品；國內焊材制造企業如浙江宇光鋁業、武漢天高、北京嘉克等公司也都拿出自己有代表性的產品參展，且得到了不同程度的關注。這說明國內的焊接材料制備技術已步入世界高端焊材的門檻，得到國外同行的認可，同時也可看出焊接材料行業的競爭程度非常激烈，我們國內的高校和研究所等科研單位在產品的研發創新方面還有更多的工作要做，如圖4、圖5所示。

圖4 耐磨材料堆焊

圖5 齒輪耐磨材料的高頻焊接

二、第66屆國際焊接學會年會

國際焊接學會是世界焊接屆最高的國際組織，具有世界級的代表性和權威性，是進行國際交流最重要的渠道和場所。本次會議是國際焊接學會的第66屆年會，于2013年9月12～17日在德國埃森舉行，由德國焊接學會承辦，會議主題是“焊接自動化”，來自世界上五十多個國家的專家和學者參加本次會議。會議包括國際會議和各分委會的分組會議。此次是本人第一次參加國際焊接學會的年會并且做了報告，雖然與焊接界的前輩還存在很大的差距，但論文能夠被接受并作報告說明論文的質量是被認可的。此外，在會下的交流過程中認識了國內外的很多專家，國內有清華大學、上海交通大學、南京航空航天大學及航空材料研究院等的老師和專家；國外有美國焊接學會、新加坡焊接學會、烏克蘭焊接學會及德國焊接學會等國的專家。他們所從事的專業及研究方向在一定程度上代表了世界上焊接技術研究的最前沿，通過與他們的交流既能了解焊接技術及工藝的發展方向，又能學到先進的科學方法。

三、國際焊工比賽

中歐國際焊接技能對抗賽是本次活動的又一項重要內容，參賽的選手熟練的焊接技術，所焊接的一塊塊試板簡直就是一件件藝術品，很好的展現了嫻熟的技術及扎實的焊接功底；颯爽的英姿展現了焊接人勇猛帥氣的形象。中國選手取得了四項賽事的兩個冠軍，也證明了中國年輕的焊接人已可以站在國際焊接的舞臺上，中國的焊接技術在國際上已占有一席之地。

通過這次參觀，我不但開拓了視野，對相關專業的世界前沿技術及發展趨勢有了更加直觀的了解，而且也為今后的研究工作奠定了更加堅實的基礎。