自動化焊接技術的研究與思考

張廣浩 王博 趙思源

摘 要：近年來我國信息化、自動化飛速發展，制造業的跨越式發展。石油化工等行業無不在裝備、設備、設施、生產過程上采用自動化、智能化、信息化技術。在降本增效大環境下，傳統工廠的人工生產模式，以模塊化項目節點預制為例，返修率較高，耗材多，人工時多，所以選擇合適的方法實行創新，提高焊接質量，提高效率，減少返修，顯得尤為重要。因此深入研究不同自動化生產設備智能應用，基于LNG模塊化標準的功能塊機理設計，創新研究所設計的新型生產設備，其省時省力，既降低了工人的勞動強度，又提高了勞動生產率。

關鍵詞：自動化;焊接;技術

引言

隨著我國制造業轉型升級，焊接自動化技術逐步成熟，與發達國家之間的差距逐漸縮小，我國焊接自動化逐步向智能化、集成化、柔性化和環保化發展，積極響應了我國節能減排戰略目標。制造企業要積極研發焊接自動化機器人，實現標準化、流水線操作，在保證焊接精度和美觀度基礎上，提升焊接環節工作效率;積極更新自動化控制技術，運用PLC系統和虛擬仿真系統開展操作，滿足不同標準焊接要求;促進人工智能技術和焊機自動化技術融合，運用傳感、AI監測等對焊機過程進行監督，保證焊機自動化加工質量，全面提升焊接自動化技術質量和安全性。

1自動化焊接技術難點

1.1焊接變形問題

熔焊焊縫及熱影響區域存在較大的殘余應力。殘余應力如果都集中在焊縫附近，當焊接殘余應力與承載的工作應力疊加，其數值超過材料的屈服極限時，工件就會在焊縫附近產生焊接變形、斷裂等現象。人工焊接過程中可以通過調整焊接順序、采用特殊焊接工藝等手段避免或者減小焊接變形。

1.2焊接母材、焊道誤差

針對鋼結構，通常厚板用自動火焰切割、自動等離子弧切割，薄板用激光切割，在下料環節就產生一定的誤差。拼裝鉚焊環節，都是人工借助工裝進行拼接鉚焊，精度很難保證。被焊母材自身的形狀公差與相互之間位置公差的累計會造成：

（1）相同類型的焊縫，焊道寬度不統一，通過焊接機器人自動化焊接會使窄焊縫焊接相對比較飽滿，寬焊縫產生凹坑;

（2）同一條焊縫不同位置焊道寬度不同，通過焊接機器人焊接會使同一條焊縫中有的地方飽滿，有的地方缺焊。

目前很多工廠為了實現自動化焊接，且保證焊縫外觀美觀都要進行焊后加工，將焊縫削平，這樣就額外增加了機加工，整體生產的人工成本沒有降低，失去了自動化焊接的實際意義。

2自動化焊接技術實際應用

2.1金屬粉芯焊接新工藝

現階段的工藝，打底只有手把焊條打底，焊條接頭區域是點狀缺陷產生的最主要原因，因此，減少焊接接頭的數量是控制缺陷的最基本方法。金屬粉芯焊接新工藝采用焊絲打底，減少接頭數量，可有效解決這個問題。在國內項目已應用到局部區域，LNG項目的節點預制試驗證明滿足質量要求。金屬粉芯焊絲打底工藝優勢：（1）焊接質量有了質的提升。在相同工況下進行焊接缺陷對比。手把打底缺陷長度為500mm，金屬粉芯打底缺陷長度小于50mm。（2）焊接速度提升。金屬粉芯打底的速度為手把打底的3倍。

2.2焊縫跟蹤技術

焊縫跟蹤是最能體現一個焊接系統智能程度的部分，因此在這一環節中，各種人工智能技術的應用也是最多的。焊縫跟蹤時，首先需要選取一個物理量作為被控制量，例如焊槍尖部圖像、熔池圖像等;其次需要確定獲取被控質量的手段和研究方法，例如最常用的通過視覺方法，通過CCD攝像機獲取槍尖和熔池圖像;最終，將被控質量信息發回控制器，進行數據處理運算，實現焊縫的自動跟蹤，完成焊接自動化進程。而實現過程中所需要使用的算法和技巧正是目前所研究的熱點。

2.3智能工藝焊接系統

智能工藝焊接系統由多個焊接單元、焊接控制系統、焊接工藝數據庫、輔助動作執行機構組成。每個獨立的焊接單元由焊縫自動跟蹤系統與焊接機器人組成，能夠根據指令獨立完成焊接工作。焊接控制系統是整個系統的控制中樞，能夠接受外界命令并控制執行、接受焊道信息，匹配相應的焊接工藝參數，根據焊道變化作出相應的工藝參數修改，以及針對不同的焊接結構指派不同的焊接單元進行焊接。焊接工藝數據庫是整個系統的知識來源，是焊接控制系統作出相應判斷的依據。輔助動作由焊件翻轉、轉位等機構執行。智能工藝焊接系統，各部分協作共同完成焊接任務，需要相互之間密切合作。

（1）解讀圖樣信息

解讀電子圖樣，確定各條焊道類型、母材材質、母材厚度、結構特點、尺寸位置等相關信息。

（2）焊接工藝規劃

根據解讀圖樣信息，調用焊接工藝數據庫數據自行選擇設定焊材、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊接方式、焊接順序等相關工藝參數。

（3）焊接單元實施焊接

焊接機器人在進行自動化焊接時，需要提取焊接接頭特征信息，目的是為了在焊前尋找定位接頭，在焊接過程中調整焊槍運動位姿和控制焊接參數。激光視覺傳感器通過結構光投射到焊縫表面，調制出包含焊縫輪廓信息的條紋，采用圖像處理的方法從中可以提取出有用的焊縫特征信息。焊接控制系統控制相關焊接單元進行施焊，焊接過程中隨時采集焊道變化信息，及時反饋并對相應的焊接參數進行調整。最后對焊縫進行外觀檢測，對不合格的焊接位置進行標記并返修處理。

（4）輔助運動執行機構動作

當前焊縫焊接完成或者工藝需求焊接順序調整等需要對焊件進行反轉或者轉移，這個動作需要輔助運動執行機構完成。

（5）檢查焊接進度

檢查當前焊接進度，檢查焊接件焊縫焊接進度，是否焊接完成、有無遺漏焊縫，如有遺漏及時補充焊接，直至所有焊縫焊接完成。

2.4焊接機器人

制造企業要積極研發焊接機器人工作站以及混合生產線，全面普及焊機自動化技術，逐步打造“無人焊接車間”。焊接機器人是焊機自動化技術研發重點，企業可以加快研發機器人控制系統、焊槍、機器人末端執行器、示教器以及視頻識別系統等一體化工作站，技術人員可以在操作臺進行遠程操作，通過視頻識別系統觀察焊接作業進展。末端執行器是焊機機器人研發難點，技術人員要根據不同焊接工藝要求安裝不同的夾具和機械臂，方便旋轉或移動加工工件，確保對準焊接點，保證焊接點的準確性和穩定性，例如在焊接電子控制系統面板時，需要換上小型號夾具，控制好面板，再利用機械臂把相應零部件焊接在對應位置，技術人員通過設定翻轉程序來控制面板移動，確保所有零部件都焊接在觸點上。

結語

創新意識在建造生產中是很重要的。從節點預制來看，技術新方法的應用對于特殊節點或特殊結構形式建造效率提高，質量提升都有很大的好處，降低安全風險，節能減排，降低生產成本，符合公司現階段降本增效的大環境。通過應用新工藝、新設備，提高了焊接質量和生產效率，降低了成本及工作強度，減少了浪費，達到環保無污染要求，最終達到自動化生產的目標。與此同時，在現有技術的基礎上，改善或進一步提高，實現信息化和自動化的結合，并早日智能化工廠的建設，才能更進一步提高效率。

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