數(shù)字化焊接設備的應用現(xiàn)狀與展望

李明元，王立偉

（1.中國電建集團河北工程有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北科技大學，河北 石家莊 050018；3.河北省大型電站機爐安裝技術創(chuàng)新中心（籌），河北 石家莊 050021）

數(shù)字化已經(jīng)成為焊接設備的主流發(fā)展方向，這一點是毋庸置疑的，但數(shù)字化只是一個承載人類知識的載體，其本身并不具備任何智能。同理，數(shù)字化焊接設備本身也并不能改善機器的焊接水平，但它提供了一個平臺，讓提高焊接技術這一目標變得更容易實現(xiàn)。因此，要想充分發(fā)揮出數(shù)字化焊接設備的優(yōu)勢與價值，還需要多種焊接工藝與焊接技術的配合。

1 數(shù)字化焊接設備概述

“數(shù)字化”指的是在逆變焊機與數(shù)字控制技術的基礎上，以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心設備，用0/1編碼的數(shù)字信號將傳統(tǒng)的模擬信號取而代之，最終獲得集網(wǎng)絡化、人性化、精密化、高效化與綠色化于一體的新型焊接設備。數(shù)字化焊機使冷卻裝置、人工交互、電源、工裝、機器人、焊槍、送絲機的互動更加方便。全數(shù)字化焊機囊括了焊機面板、焊機電源以及送絲機的數(shù)字化，焊接電源及其與焊接工藝過程的互動全部引入了數(shù)字化控制系統(tǒng)，最突出的特點是焊機的內(nèi)部設置了“焊接專家系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫”，操作人員通過一元化操作便可能獲得準確、可靠的工藝參數(shù)，充分保障了焊接質量，彰顯出數(shù)字化焊機的核心價值。全數(shù)字化焊機還具有一系列拓展功能，比如遠程控制軟件升級、遠程診斷故障、在線記錄焊接參數(shù)、遠程修復故障等。而且數(shù)字化焊機的電源具有良好的控制精度與接口兼容性，為數(shù)字化焊接技術水平的提升創(chuàng)造了有利條件。

2 數(shù)字化焊接設備的應用現(xiàn)狀分析

2.1 進一步優(yōu)化焊機行業(yè)產(chǎn)品結構

2.1.1 焊接電源的逆變化

傳統(tǒng)焊機制造行業(yè)所面臨的壓力，很大一部分來自于持續(xù)上漲的金屬材料價格，要想盡快適應市場發(fā)展，就必須優(yōu)化和調整焊機結構，而逆變焊機制造商則成為產(chǎn)品結構調整的最大贏家。在以內(nèi)銷為主，同時銷售額達到億元以上的焊機企業(yè)中，大部分企業(yè)都是憑借逆變焊機在技術和價格上的優(yōu)勢占據(jù)市場的。逆變焊機之所以在短短數(shù)年內(nèi)便獲得了飛速發(fā)展，一方面是因為成熟、完善的技術，另一方面則是相比傳統(tǒng)焊機更為優(yōu)惠的價格。在市場經(jīng)濟體制下，價格永遠是最具優(yōu)勢的調節(jié)杠桿，在功率相同的焊機中，逆變焊機花費的材料成本遠低于傳統(tǒng)晶閘管焊機，在低端產(chǎn)品中，其價格甚至能夠和交流焊機比拼。在價格優(yōu)勢的前提下，逆變焊機還具備傳統(tǒng)焊機所沒有的技術優(yōu)勢，極大地促進了焊機行業(yè)從傳統(tǒng)電器行業(yè)向超電子行業(yè)的轉變。這種轉變從其他方面也能感受到，比如電力電子器件行業(yè)對功率半導體器件在焊機中的應用格外關注，而且將焊機行業(yè)納入了重點服務范疇，并研發(fā)出了符合焊機特點的產(chǎn)品。

如今，焊機企業(yè)需要考慮的不是是否做逆變，而是如何做逆變。從電路拓撲結構的角度來看，單端正激、半橋和全橋都有所應用。其中單端正激在功率較小的焊機中具有突出的成本優(yōu)勢，而且性能可靠；全橋可應用于所有功率的焊機；而半橋則是介于全橋和單端正激之間。從功率器件方面來看，IGBT和MOSFET各有其優(yōu)勢，但需要區(qū)分模塊和單管。MOSFET單管在功率較小的焊機中應用廣泛，優(yōu)勢是成本低、體積小、高頻率。大功率焊機中通常應用IGBT模塊，高性能的中/小功率焊機中，MOSFET模塊的應用較多。與單管相比，模塊價格偏高，MOSFET模塊的價格高于IGBT模塊，但IGBT模塊所具備的高頻性能卻是其他模塊無法替代的。

2.1.2 氣體保護焊機的比例顯著提高

近年來，我國的鋼材產(chǎn)量不斷上升，制造業(yè)飛速發(fā)展，對焊接設備和技術的需求也越來越大。手工電弧焊接顯然已經(jīng)無法滿足社會生產(chǎn)與發(fā)展的需要，更加高效、低成本的氣體保護焊機成為首選設備。調查顯示：國內(nèi)總焊機銷售量中，氣體保護焊機占有1/4，而且仍有上升趨勢。目前，氣體保護焊機已經(jīng)成為焊機行業(yè)技術競爭的熱門，除了逆變技術之外，還有數(shù)字化控制與電子電抗器控制的一元化調節(jié)、脈沖MIG等尖端技術。由此可見，我國焊機行業(yè)已經(jīng)逐步邁向高端市場，且技術水平正在以突飛猛進的速度發(fā)展。

2.2焊接裝備單元級的數(shù)字化技術

2.2.1 熔池視覺技術

優(yōu)秀的焊工通過觀察熔池形貌的變化特點來調整焊槍姿態(tài)，最終達到提高焊縫焊接質量的目的。這從側面反映出熔池的視覺形貌與焊接質量密切相關。有學者為了克服飛濺、弧光對熔池傳感造成的影響，使用脈沖激光器對熔池進行照射，經(jīng)窄濾光的CCD獲得清晰度良好的熔池圖像，以此來控制焊縫的成形。另有學者利用CCD視覺檢測技術采集PMIG焊熔池，并對熔池的二維幾何信息進行提取。還有學者利用傳感技術采集了鋁合金的TIG焊熔池，利用焊熔池的亮度差來檢測熔池的邊緣，增強了熔池邊緣的穩(wěn)定性，通過橢圓逼近法獲得熔池的長度、寬度與面積。此外，還可以通過陰影恢復形狀法、結構光三維視覺法、雙目立體視覺法來對熔池的三維圖像進行重建。利用陰影恢復技術獲得熔池的三維形貌，然后借助線性化近似求解極大地簡化了計算流程，提高了處理速度。國外學者采用雙目立體視覺法恢復了GMAW管道焊接熔池，熔池恢復后，表面的凹凸感十分明顯，細節(jié)更加豐富，與熔池的真實形貌高度吻合。也有學者提出：利用三維視覺法檢測熔池信息，用波長為337 nm、瞬時功率為50 kW的脈沖激光來照射熔池，與此同時使用攝像機拍攝，獲取的熔池表面反射圖像十分清晰，最后利用圖像處理技術提取出結構光激光條紋的柵格輪廓，然后計算得出熔池表面的三維信息。

2.2.2 焊縫跟蹤技術

在實際工作中，工件在加工、裝備時會出現(xiàn)尺寸誤差、受熱變形等問題，所以焊接條件也會隨之發(fā)生改變，導致接頭位置偏離了原先設計好的路徑，嚴重影響焊接質量，甚至會造成焊接失敗。因此，需要借助精準的焊接跟蹤技術來為焊接質量提供保障。近年來，焊縫跟蹤系統(tǒng)中應用了模糊數(shù)學與神經(jīng)網(wǎng)絡，標志著這一技術已經(jīng)步入智能化跟蹤時代。

清華大學以激光傳感為基礎，研發(fā)出一種焊縫軌跡跟蹤系統(tǒng)。在機器人末端安裝攝像機構，形成反饋控制系統(tǒng)，然后通過計算得出焊縫線，再采用立體視覺技術獲得焊縫線的空間位置，最終得出焊縫軌跡的三維信息，糾正焊縫誤差。試驗結果顯示：三維跟蹤過程中，X、Y、Z的方向誤差均＜0.3 mm，說明控制效果理想。

2.3焊接工藝的數(shù)字化技術

2.3.1 自動化設計系統(tǒng)

西方發(fā)達國家先后針對焊接材料、母材、工藝條件、焊接方法、厚度范圍、坡口形狀等焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)展開研究，目前已經(jīng)完成的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)見表1。

表1 西方國家完成的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

我國從上世紀90年代開始相關研究，研究方向主要為工藝自動化設計、工藝評定數(shù)據(jù)庫、材料定額等，詳見表2。

表2 國內(nèi)焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

2.3.2 機器人焊接智能規(guī)劃技術

焊接機器人的離線編程技術已經(jīng)從傳統(tǒng)的以圖形為基礎的屏幕顯示朝著智能編程的方向發(fā)展。離線編程主要解決的是焊接路徑、焊接參數(shù)、焊接任務以及焊槍姿態(tài)的規(guī)劃。CDA建模與視覺系統(tǒng)很容易就能實現(xiàn)路徑規(guī)劃，還能進行無碰撞的校正。根據(jù)焊接位置與工件條件可規(guī)劃焊槍姿態(tài)，自動設計出最理想的焊槍位姿，以提高焊縫的焊接質量。焊接工藝的規(guī)劃主要依賴于焊接CAPP系統(tǒng)完成，核心是如何集成CAD、CAPP與離線編程系統(tǒng)。法國的Institur De Soudure等單位共同研發(fā)了名為“ACT WELD”的機器人焊接離線編程軟件，可以通過自動編程來獲得機器人程序，同時還支持焊件的參數(shù)化裝配，實現(xiàn)了焊縫跟蹤與自適應傳感器的同步應用。南京理工大學研發(fā)了MotoMan機器人的離線編程與仿真系統(tǒng)，完成了軌跡路徑與姿態(tài)規(guī)劃、焊接工藝參數(shù)的設計以及焊縫幾何信息的提取。還有學者采用單參數(shù)動態(tài)搜索算法（SPD）設計出機器人焊接參數(shù)規(guī)劃器，從實際應用效果來看，比BP算法更有優(yōu)勢。

3 數(shù)字化焊接設備的發(fā)展方向

3.1 焊機與工藝

立足于中國國情，焊機應該向高效、節(jié)能、自動、環(huán)保的方向發(fā)展，可考慮已經(jīng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡化管理的電路焊機，為數(shù)字化焊接技術與機器人控制技術奠定良好基礎。焊接工藝還需要進一步沉淀與完善，積極借鑒國外先進的焊接工藝，綜合考慮焊接的一鍵操作、焊機自動適應各種環(huán)境等問題，從根本上提高焊接品質、焊接效率以及焊接的自動化程度。

3.2 自動化與智能化

隨著經(jīng)濟、科技的飛速發(fā)展，對焊接自動化、智能化的需求不斷提高，在焊接工藝中引入高端技術已經(jīng)勢在必行，同時還要提高焊接工藝與裝備自動化、智能化的發(fā)展速度，加大產(chǎn)品的推廣力度。筆者認為可以從三方面著手：一是小型機器人焊接；二是為特定行業(yè)提供非標準化焊接定制服務；三是大型自動化焊接設備與生產(chǎn)線。

3.3 人才與制度

積極引入焊接專業(yè)技術人才與管理人才，加快新技術、新產(chǎn)品、新工藝的研究速度。充分發(fā)揮高等院校的優(yōu)勢開展人才培訓，讓高等院校成為數(shù)字化焊接設備與技術的發(fā)源地，向社會源源不斷地輸送專業(yè)人才。緊跟國際行業(yè)標準，加快制度建設，及時淘汰和更新設備，提高國內(nèi)焊接設備的標準與利用率。除此之外，焊接設備技術并不是獨立存在的，而是一個系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈，因此還要兼顧上游與下游的發(fā)展，從整體上促進焊接設備產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)性發(fā)展。

4 結束語

綜上所述，新時期下，數(shù)字化焊接設備與智能化技術正在飛速發(fā)展，但也存在許多亟待解決的問題。焊接是非線性的復雜過程，因此需要不斷完善視覺傳感與焊接控制算法，與此同時，遙控焊接、智能化控制、多傳感器信息融合也會成為焊接行業(yè)未來的發(fā)展方向。