焊接自動化技術發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望

周燕陽，范 偉

（中車山東機車車輛有限公司，山東 濟南 250000）

焊接自動化技術可以通過系統(tǒng)設備的自動調控，實現(xiàn)自動檢測、自動調整、自動加工機械設施、相關儀表等，其本質上是一種按照預定程序執(zhí)行命令而實現(xiàn)自動化操作的技術方法。應用焊接自動化技術的主要目標，就在于在相關生產作業(yè)中實現(xiàn)產量的增加、質量的提升、投入成本以及勞動強度的減少、確保安全生產等。隨著時代的發(fā)展，焊接自動化技術已經(jīng)成為相關行業(yè)發(fā)展必不可少的重要技術手段。

1 焊接自動化技術及設備發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 焊接自動化技術發(fā)展現(xiàn)狀

隨著數(shù)字技術的逐漸成熟化，作為焊接自動化代表技術的數(shù)字化焊機、數(shù)控技術等已經(jīng)逐漸進入市場，并趨于穩(wěn)定與成熟。近年來，我國大型工業(yè)工程、航天工程、船舶工程等基礎工程的蓬勃發(fā)展推動了焊接技術，尤其是在焊接自動化技術的發(fā)展。隨著時代的發(fā)展，車輛制造、零件制造等均對焊接自動技術的發(fā)展提出了推陳出新的要求。因而，我國焊接行業(yè)勢必要朝著智能化、自動化以及高效化的方向發(fā)展。

當前，國內焊接界已經(jīng)將焊接流程的自動化、機械化作為戰(zhàn)略發(fā)展目標，著重推進焊接生產的自動化發(fā)展、相關流程控制的智能化發(fā)展，以及焊接生產線柔性生產技術的研發(fā)，在計算機信息技術的輔助下，相關技術的發(fā)展呈現(xiàn)出良好態(tài)勢。一是高效化、節(jié)能化的CO2類電焊接、埋弧類電焊機的使用概率呈逐漸上升的趨勢；二是對焊機參數(shù)進行高效化、節(jié)能化的自動調整，使其逐漸實現(xiàn)智能化并逐漸代替手弧類焊接與普通的晶閘管電焊機，且焊機操作也在朝著簡捷化、智能化的方向發(fā)展；三是焊接自動化技術在諸多領域獲得了普及推廣，如車輛制造行業(yè)、造船行業(yè)、工程機械行業(yè)以及航空行業(yè)等，基本實現(xiàn)了焊接生產效果與質量的全面提升；四是焊接自動化技術已經(jīng)以焊接機器人作為代表裝備，其數(shù)量方面不斷增加，并逐漸得到了普及推廣。

當然，受到諸多因素的影響，我國焊接技術的自動化水平與發(fā)達的工業(yè)國家相比還有著不小的差距，在焊機數(shù)控化、工藝智控化、系統(tǒng)集成化、焊接行業(yè)集團化以及機器人焊機技術的迭代升級等諸多層面尚未真正實現(xiàn)均衡發(fā)展。

1.2 焊機設備發(fā)展現(xiàn)狀

電焊機作為國民經(jīng)濟發(fā)展中不可或缺的設備，同時也是工業(yè)生產中所需用到的常用設備，其主要通過正負電流瞬間接觸短路所產生的電弧融合焊料以及被焊材料。按輸出電源種類劃分，電焊機一般分為兩個類別，即交流電源和直流電源。就焊機使用企業(yè)而言，其日常使用的焊機主要包括交流焊機、直流焊機、埋弧焊機、氣體保護焊機（如氬弧焊、二氧化碳保護焊等）、激光焊機等，具體如表1所示。

表1 常用焊機類別及具體應用

據(jù)中國電器工業(yè)協(xié)會相關數(shù)據(jù)資料顯示，自2015年以來，我國電焊機產量呈持續(xù)增長態(tài)勢，而2020年H1由于受特殊公共事件影響，我國焊機產量為414.17萬臺，同比下降十分明顯，具體如表2所示。

表2 2015-2020年H1我國電焊機產量

就各大類焊機生產的實物量與價值量對比而言，以2017-2018年為例，據(jù)中國電器工業(yè)協(xié)會相關數(shù)據(jù)資料顯示，這兩年實物量占比最大的是輔機具及配套件，價值量占比最大的是電弧焊機，具體如表3所示。

表3 2017-2018年我國部分焊機設備占比

2 焊接自動化技術未來的發(fā)展展望

2.1 成套焊機微機自動控制技術

焊機裝備在發(fā)展過程中，需要運用到各種微機自控技術，如焊接電源的數(shù)字化控制、智能化焊接設備、全自動式專項焊接設備以及柔性化焊機人工操作站點等。在各種自動化焊機和切割裝備中，微機控制體系不僅需要發(fā)揮對各項焊機參數(shù)的控制作用，還要具備自動化調整成套焊機構成部分的各項操作，以確保自動無人作業(yè)的常態(tài)進行，也即要通過微機自動控制技術實現(xiàn)焊機生產的數(shù)字化、智能化、自動化控制。就成套焊接設備微機自控技術的發(fā)展和完善而言，要進一步選擇趨于成熟的焊機微機控制成果改造制造工藝，使其能夠實現(xiàn)生產的批量化，產生效益以及形成規(guī)模，從而獲得事半功倍的過小。具體而言，焊接電源的微機控制晶閘管具備易制造、低成本、強過載能力、方便維修等傳統(tǒng)優(yōu)勢，其數(shù)控性能中除了波控性能不強以外，可以優(yōu)化控制靜動特點，焊接參數(shù)的編程記憶控制和適應控制，可以實現(xiàn)一機多元化以及多功能化，此類焊機在后續(xù)發(fā)展中，仍以TIG焊、埋弧焊等專用類或是通用類焊接設施基礎構成設備。今后，如果能夠通過生產的批量化實現(xiàn)其自身功能和可靠性的提升，焊接電源的微機控制晶閘管便能夠進一步簡化相關制造以及調試工作，從而更加突出其程控化、功能化以及系列化等明顯優(yōu)勢；IGBT逆變類焊機同樣在我國具有較高的研究水平，此類焊接設備外加微機控制波形后屬于理想的智能焊機電源，就目前而言，此類焊機規(guī)模化生產的主要問題在于器件參數(shù)分散影響電路的穩(wěn)定性，其主要解決方法是通過微機自適應的控制性能。此外，還要憑借相關科技的法陣，進一步促進高檔焊機電源的高效發(fā)展，從而有力保障國家MIG焊、MAG焊、二氧化碳焊等節(jié)能化、高效化焊接方式和焊接設備的持續(xù)發(fā)展。

2.2 焊機智能化控制技術

就焊接設備而言，如硅弧焊整流器、脈沖弧焊電源、焊接變壓器等，結合微機控制的焊機電源和焊接流程中的傳感器，可以實現(xiàn)視覺追蹤、熔深控制等，從而推動焊接設備的智能化發(fā)展。近年來，我國正大力發(fā)展氣體保護焊焊接設備的計算機智能控制技術，如波控技術、電弧參數(shù)的模糊控制技術、脈沖焊控制技術等。通過對微機控制體系的良好運用，能夠有效降低焊接自動化的作業(yè)成本，若使用可編程控制器，還可以對已有焊機或焊機生產線進行改造，使其成為可以控制邏輯順序的自動成套焊機。此時，如果對微機控制焊機電源等相關技術結合使用，就能夠實現(xiàn)對焊接流程的智能化控制功能。就當下而言，焊接流程的智能化控制體系仍是焊接自動化中的關鍵問題，而在焊接設備控制中引入更加先進的自動化技術，如焊接流程模糊控制體系、神經(jīng)網(wǎng)控制體系以及專家體系等，可以進一步推動焊接設備智控體系的發(fā)展和完善。

2.3 焊接設備集成化制造體系

CIMS（Computer/contemporary Integrated Manufacturing Systems，計算機/現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)）技術目前正處于不斷發(fā)展和完善態(tài)勢，將CIMS技術應用到焊接結構的生產當中，能夠以焊接機器人作為核心，在保證數(shù)控焊機以及工藝裝備等相關技術的前提下，可以建成集物資流、信息流一體化的集成制造體系。在焊接結構的生產過程中，CIMS能夠集裝配、下料、焊接等一體化焊接結構為生產核心，可以保證焊接實現(xiàn)真正的精準度較高、全自動以及現(xiàn)代化革命，是焊接設備未來迭代升級的必然的發(fā)展方向。近年來，隨著計算機軟硬件水平的不斷提升，我們可以利用計算機CAD軟件，按照其圖形庫當中的焊縫空間部位實現(xiàn)提前離線編程，在將焊接參數(shù)控制傳感設備得到的數(shù)值通過計算機處理后，就可以實現(xiàn)對焊接電源、焊槍空間部位、送絲機構等的合理調整。當然，對于CIMS焊接技術的開展是要分層次進行的，一方面，要進一步強化系統(tǒng)中基層設備的智能化與自動化研究，同時進一步簡化工程設計系統(tǒng)以及管理系統(tǒng)與計算機控制等上層系統(tǒng)的操作流程；另一方面，要進一步關注系統(tǒng)中的信息流與物資流，最大化地減少對于信息量與適時控制的要求，重視系統(tǒng)運轉過程中操作人員的主觀能動作用，綜合人與自動化系統(tǒng)的各自優(yōu)點，切實發(fā)揮出系統(tǒng)識別出現(xiàn)狀況時工作人員的判斷力與人工干預能力。在焊接設備的生產過程中，CIMS技術能夠保證在無人操作焊接流程的同時，實現(xiàn)作業(yè)效果的大幅提升，而對于必須有人工參與的環(huán)節(jié)，也可以呈現(xiàn)出計算機系統(tǒng)與焊接專家以及焊接機器人的緊密結合。當下，我國經(jīng)濟社會飛速發(fā)展，焊接市場也瞬息萬變，各生產企業(yè)都面臨著巨大的競爭壓力，無論是對于經(jīng)驗不足的技術人員，還是操作熟練的老員工而言，焊接CIMS技術的發(fā)展都是整個焊接產業(yè)的發(fā)展方向之一。當然，我們也要注意到完整化的焊接CIMS技術的構建所需要的巨大的資金成本投入，從企業(yè)角度而言，可以采用分階段、分層次開展的舉措，以減輕成本壓力。

3 結語

就目前而言，我國焊接領域與經(jīng)濟社會的發(fā)展形勢基本保持一致，已經(jīng)進入到了平穩(wěn)增長時期，而面對日益復雜的國內外經(jīng)濟環(huán)境，相關生產企業(yè)也要有意識的轉變經(jīng)營理念，要通過理性思維和創(chuàng)造性思維，堅持走創(chuàng)新驅動的發(fā)展道路，腳踏實地做好焊接自動化技術的研究工作?？梢灶A見的是，在我國經(jīng)濟社會不斷發(fā)展、且對于自主科研能力不斷重視的當下，只要對先進的計算機技術、制造技術等的發(fā)展的保持高度關注并堅持自主研發(fā)，在尖端科學技術不斷發(fā)展的良好態(tài)勢下，我國焊接自動化技術必然會得到進一步發(fā)展和突破。