智能焊接技術在機械制造中的應用

張安樂

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，昆明 650215）

作為國民經濟發展程度衡量指標之一的機械行業，在信息技術的推動下取得了長足進步，產業附加值進一步提高，更好地適應了發展現代化的需求，助力著工業4.0 的實現。焊接是重型機械制造的關鍵技術之一，對產品質量、可靠性和安全性起著重要作用。“面對新型的競爭激烈的市場環境，重型機械行業逐步向專業化、裝備化、智能化和自動化發展，來應對產品升級的需求。[1]”

傳統機械企業的發展道路一直是勞動密集型，勞動力成本低、工作環境差、對人力技術依賴性強。但隨著社會和新技術的發展，企業發展的性質已由勞動密集型轉變為技術密集型。機械產品需要現代化，并轉化為生產技術。隨著信息技術的快速發展，在機械設備生產中有必要融入智能化焊接技術，逐步取代現有的低級階段技術，持續優化現場環境，提升生產效率。

1 智能焊接技術的概念和功能層次

智能焊接是指焊接過程中設備和相關零件的智能化和信息化更新。智能焊接的核心是應用“傳感—決策—執行”來控制焊接過程參數。同時，多個傳感器在工作中被應用，能夠全面掌控復雜和準確的流程信息并及時做出改善。焊接系統和操作員系統之間的智能人機交互來實現，其具體流程和關鍵技術點如圖1、圖2 所示。

圖1 智能焊接技術基本框架

圖2 智能焊接技術關鍵點

在智能焊接技術的操作中，主要涉及以下幾個層次的功能。

1.1 連接層

獲得準確有效的焊接過程信息是在CPSS 中創建智能焊接系統的關鍵。在焊接現場檢查焊接參數（電流、電壓等）、焊接質量（溫度場、電壓等）和焊接尺寸。

因此，有必要創建無線傳感器網絡，并在焊接系統中使用虛擬傳感器（焊接電壓、焊接電流和焊接網絡通信流等）來實現工藝參數的網絡識別。一個位置傳感器網絡可以與另一個位置實現即時的信息交流，傳感器和所在網絡之間的即時交流實現了多個工作環節之間的控制與交互，為收集結構數據提供良好的基礎。例如，如果更多的機器人調整大型薄壁零件的焊接曲線和焊接過程，則需要調整每個臂上傳感器之間的連接，以獲得有關加工零件的更準確信息。

1.2 數據解釋層

在數據解釋層可以將工作流程數據轉化為信息層，大大提升了數據收集和運用能力。多傳感器數據分析和多源數據集成可以有效防止信息過多和不足，提高測試信息的可靠性。該系統可以直接從收集的信息中獲得信息，包括但不限于數據分類、趨勢預測和意見反饋等工作。同時，智能焊接系統能夠從收集到的信息分析子系統的狀態和存在的問題，以實現對焊接過程信息的獨立感知。

1.3 信息層

在信息層能夠高效理解物理過程的狀態，設計相關工作模型，使智能系統能夠更好地識別部件性能和工作狀態。例如，可以準確評估獲取信息的準確性，并根據信息和分析結果做出決定。根據所建立的模型進行系統狀態預測和評估，進而做出改進方案設計。例如，焊接尺寸測量網絡可以使用預測算法提高焊接尺寸控制器的性能。此外，通過網絡共享、云計算等信息技術，可以獲得不同施工條件下的信息處理和處理參數。例如，通過外部系統訪問焊接過程參數的云數據庫，不僅可以提高系統的智能化水平，還可以遠程自動監控焊接過程。

1.4 認知層

實現焊接過程智能化的有效途徑是基于焊接過程知識實現、表達和做出獨立決策。由于機器的智能化水平不高，大多數焊接工藝問題仍然需要由合格的操作員決定。在這方面，運用分段焊接系統能夠提升機器運作水平，獨立完成相對簡單的決策過程，并監督相關工作的完成效率。為了高效處理系統運作問題，機器需要獲取信息，運用容易理解的語言實現人機溝通，運用計算機來解決復雜流程問題。在實踐中要提高機器人的學習能力，自主模擬相關工作過程，逐漸積累實踐經驗。

1.5 自主調節層

根據認知層中提供的信息，自主調節層需要控制執行機構來實現相應的實踐行動。要求智能焊接及其具備自主監測和改變參數信息的能力。針對焊接過程中干擾因素多、不確定因素強的問題，控制器要能夠滿足自主調試、抗干擾等功能。可以通過監督控制、回彈控制等方式來演繹決策信息，深度融合物理世界和虛擬世界的工作。“由于智能焊接過程各焊接參數相對穩定，焊接參數變化受人為的影響因素少，焊縫成型美觀，因此焊接質量較手工焊接要高且穩定。[2]”

2 自動化焊接技術在機械制造中的應用策略

2.1 自動化焊接專機

焊機主要包括焊接系統、機械系統和電氣控制系統。組裝和拆卸需要手動或機械操作。待加工工件通過焊接裝置放置，并自動起拱。手動或自動驅動、移動、扭轉和拆卸零件。焊接系統主要包括電源、焊槍，機械系統包括主機構、緊固件和輔助件等。電氣系統主要控制燈具位置部件移動。在大規模生產過程中，公司通常使用自動設備工作。自動焊接技術主要是焊接控制在焊接過程中的最佳應用。在工作過程中，可以在自動焊機上安裝傳感器和電子電路，控制生產過程。此外，自動焊機可以根據生產過程的具體需要進行定制。生產過程中通常采用雙層焊接工藝。圖3、圖4 是現在工業生產中常用的智能焊接系統和專機示意圖。

從圖3、圖4 可以看出，焊接專機不僅提高了工作效率，而且有效地改善了焊接材料的斷裂問題，這與焊接材料的機械性能密切相關。雙面焊接技術也可用于各種焊接條件，如直線和曲線，以提高焊接性能。在實際應用中，焊接工藝引起的焊接變形越小，大面積生產工藝的質量越高。例如，它可以用來制造汽車發動機。汽車發動機和燃料發動機之間有明顯的區別。這些都是汽車的主要部件，但發動機的質量直接影響到汽車的節能和環保。好的電機可以更好地控制扭矩和旋轉方向。因此，將自動焊接技術應用到發動機的生產中，以提高發動機的整體質量。同時，自動焊機采用智能技術，其基本工作模式體現在傳感器的應用中。智能化的焊接專機在滿足以上功能的同時，還能夠運用高等級的傳感器，如視覺、觸覺和光敏等，來配合計算機、軟件和數據庫，進一步實現智能化的參數調整。與焊接機器人相比，焊接專機的性價比更高，對焊件的直線和曲線有更強的適應性，適合批量生產和運用。在實踐中具備效率高、變形小和質量穩定等優勢，且操作簡便、成本低廉、過程安全，在實際工程中的運用范圍很廣。

圖3 智能焊接工作站樣貌

圖4 智能焊接專機基本結構

2.2 工件監測

隨著中國的經濟水平逐漸提高，傳統的產品識別技術已不能滿足現代技術發展的需要。主要原因是現有的加工件檢測技術是手動檢測，檢測水平參差不齊。此外，手動測試還涉及大量人力資源投資和不必要的成本。另一方面，由于相關工人缺乏專業培訓，在測試過程中存在一些差異，最終產品的質量不在同一水平。此外，該測試是一項長期操作，許多員工在監測期間重返工作崗位，注意力下降，這在一定程度上影響了最終質量。在這種情況下，工業過程需要改進性能測試。“工業焊接技術是自動控制和人工智能技術相結合的一種新的工作模式，是一系列進入新時代的自動化產品，大大提高了工業生產、制造和加工的工作水平和效率，加強了一系列產品的缺陷檢測和質量檢驗管理。[3]”例如，集成圖像處理技術可以提高工作效率，降低勞動力成本，支持企業發展。

2.3 焊接機器人

中國已經進入了信息時代。將網絡技術引入焊接自動化，可以通過數字化和智能化，特別是通過計算機網絡技術，有效地提高焊接自動化的效率。“機器人智能裝備焊接設備的研制，已是焊接設備的發展趨勢，柔性集成、智能制造已是工業制造技術的趨勢，現代機器人智能裝備焊接制造，是自動化焊接的重要發展環節及工業制造技術前進的動力。[4]”

自動焊接的有效應用必須依靠聲學設備。這是連接智能和數字技術的唯一途徑。在實際應用中，焊接規范應符合實際要求，使焊接產品在焊接過程中不變形。我國的焊機生產技術雖小，但品種十分豐富。為了提高焊接技術水平，促進中國工程行業的可持續發展，需要及時優化和升級焊接技術，以適應不同的條件。機器人焊接在一定程度上提高了中國工程行業的發展質量。焊接機器人具有靈活性、智能性和高精度的特點。為了提高企業的生產效率和社會影響，有必要在機械生產領域引入焊接機器人（圖5）。

圖5 智能焊接機器人的工作流程

此外，焊接機器人的應用成本高，因此我國尚未廣泛采用。在機械生產過程中，這種自動化生產模式可以有效提高工作效率和焊接速度。但是，我們不能過分追求效率而忽視質量，其對社會的發展有著不可磨滅的影響。為確保自動焊接的質量，焊接設備必須符合標準，并嚴格檢查所有環節，充分發揮技術賦能優勢。“對于變形較大的焊縫，后續需要繼續研究焊接工藝自適應，通過實時改變焊接電流、電壓和送絲速度等工藝參數，確保焊縫可較好填充。[5]”

3 智能焊接技術的未來發展展望

過去，重型機械行業的焊接是手動進行的，焊接質量取決于實際技術水平和焊工自身的素質。焊接質量控制技術是利用視覺控制方法監測焊接熔池的變化，實時調整機器人的位置，以便呈現更好的焊接形狀。焊接質量控制技術主要包括焊接管更換、建模和焊接過程控制。電解槽的交換控制是焊接模具質量控制的1個重要組成部分。從視覺傳感器對焊接過程進行實時監測，可直接反映焊接過程的焊接行為。此外，還確定了焊接參數、焊接成形規則及焊接模型，從而為控制器的設計奠定了基礎。焊接質量控制技術是利用現代神經網絡、模糊組件和原始組件的智能模擬技術開發的。加深對焊接過程的理解，建立一個更加精確的焊接過程。模型焊接過程質量控制技術將在未來的基礎建設中得到進一步發展。

工業4.0 是智能焊接技術發展的機遇和挑戰。介紹了基于產業鏈的4.0 系統和基于CPSS 的5C 系統的基本結構，分析了各階段智能焊接的基本技術。最后，將討論智能焊接技術的演變。在工業系統4.0 中，智能焊接的發展不僅限于智能解決方案和焊接過程控制。學習靈活和個性化的焊接系統，在計算機和信息技術的發展下保持行業活力。隨著中國制造業向更高水平發展，主導信息技術革命的智能和數字應用支持焊接機器人和重型機械的智能和自動控制系統在新時代的互聯。開發新的智能焊接技術，智能焊接技術的廣泛運用能夠取代部分人力工作，進一步提升生產效率，幫助產業提高經濟效益。有效支持中國重型機械行業的技術改造和附加值，并向智能化方向發展。

4 結束語

總的來說，隨著中國的發展，建筑業的發展水平也在不斷提高。同時，對機械產品的質量提出了更高的要求，智能焊接技術逐漸取代了傳統的焊接技術。自動焊接技術在機械制造中的應用提高了生產效率和質量。因此，智能焊接代表著技術進步，可以在更大程度上支持機械工程的發展。