自動化焊接技術(shù)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(fā)展，制造業(yè)的跨越式發(fā)展。石油化工等行業(yè)無不在裝備、設(shè)備、設(shè)施、生產(chǎn)過程上采用自動化、智能化、信息化技術(shù)。在降本增效大環(huán)境下，傳統(tǒng)工廠的人工生產(chǎn)模式，以模塊化項目節(jié)點預(yù)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(chuàng)新，提高焊接質(zhì)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(chǎn)設(shè)備智能應(yīng)用，基于LNG模塊化標(biāo)準(zhǔn)的功能塊機(jī)理設(shè)計，創(chuàng)新研究所設(shè)計的新型生產(chǎn)設(shè)備，其省時省力，既降低了工人的勞動強(qiáng)度，又提高了勞動生產(chǎn)率。

關(guān)鍵詞：自動化;焊接;技術(shù)

引言

隨著我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，焊接自動化技術(shù)逐步成熟，與發(fā)達(dá)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(huán)?；l(fā)展，積極響應(yīng)了我國節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)。制造企業(yè)要積極研發(fā)焊接自動化機(jī)器人，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、流水線操作，在保證焊接精度和美觀度基礎(chǔ)上，提升焊接環(huán)節(jié)工作效率;積極更新自動化控制技術(shù)，運用PLC系統(tǒng)和虛擬仿真系統(tǒng)開展操作，滿足不同標(biāo)準(zhǔn)焊接要求;促進(jìn)人工智能技術(shù)和焊機(jī)自動化技術(shù)融合，運用傳感、AI監(jiān)測等對焊機(jī)過程進(jìn)行監(jiān)督，保證焊機(jī)自動化加工質(zhì)量，全面提升焊接自動化技術(shù)質(zhì)量和安全性。

1自動化焊接技術(shù)難點

1.1焊接變形問題

熔焊焊縫及熱影響區(qū)域存在較大的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力如果都集中在焊縫附近，當(dāng)焊接殘余應(yīng)力與承載的工作應(yīng)力疊加，其數(shù)值超過材料的屈服極限時，工件就會在焊縫附近產(chǎn)生焊接變形、斷裂等現(xiàn)象。人工焊接過程中可以通過調(diào)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(jié)構(gòu)，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(huán)節(jié)就產(chǎn)生一定的誤差。拼裝鉚焊環(huán)節(jié)，都是人工借助工裝進(jìn)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(tǒng)一，通過焊接機(jī)器人自動化焊接會使窄焊縫焊接相對比較飽滿，寬焊縫產(chǎn)生凹坑;

（2）同一條焊縫不同位置焊道寬度不同，通過焊接機(jī)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(xiàn)自動化焊接，且保證焊縫外觀美觀都要進(jìn)行焊后加工，將焊縫削平，這樣就額外增加了機(jī)加工，整體生產(chǎn)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(shù)實際應(yīng)用

2.1金屬粉芯焊接新工藝

現(xiàn)階段的工藝，打底只有手把焊條打底，焊條接頭區(qū)域是點狀缺陷產(chǎn)生的最主要原因，因此，減少焊接接頭的數(shù)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(shù)量，可有效解決這個問題。在國內(nèi)項目已應(yīng)用到局部區(qū)域，LNG項目的節(jié)點預(yù)制試驗證明滿足質(zhì)量要求。金屬粉芯焊絲打底工藝優(yōu)勢：（1）焊接質(zhì)量有了質(zhì)的提升。在相同工況下進(jìn)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(shù)

焊縫跟蹤是最能體現(xiàn)一個焊接系統(tǒng)智能程度的部分，因此在這一環(huán)節(jié)中，各種人工智能技術(shù)的應(yīng)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(zhì)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(jī)獲取槍尖和熔池圖像;最終，將被控質(zhì)量信息發(fā)回控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運算，實現(xiàn)焊縫的自動跟蹤，完成焊接自動化進(jìn)程。而實現(xiàn)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(tǒng)

智能工藝焊接系統(tǒng)由多個焊接單元、焊接控制系統(tǒng)、焊接工藝數(shù)據(jù)庫、輔助動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。每個獨立的焊接單元由焊縫自動跟蹤系統(tǒng)與焊接機(jī)器人組成，能夠根據(jù)指令獨立完成焊接工作。焊接控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的控制中樞，能夠接受外界命令并控制執(zhí)行、接受焊道信息，匹配相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，根據(jù)焊道變化作出相應(yīng)的工藝參數(shù)修改，以及針對不同的焊接結(jié)構(gòu)指派不同的焊接單元進(jìn)行焊接。焊接工藝數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)的知識來源，是焊接控制系統(tǒng)作出相應(yīng)判斷的依據(jù)。輔助動作由焊件翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等機(jī)構(gòu)執(zhí)行。智能工藝焊接系統(tǒng)，各部分協(xié)作共同完成焊接任務(wù)，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(zhì)、母材厚度、結(jié)構(gòu)特點、尺寸位置等相關(guān)信息。

（2）焊接工藝規(guī)劃

根據(jù)解讀圖樣信息，調(diào)用焊接工藝數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)自行選擇設(shè)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(guān)工藝參數(shù)。

（3）焊接單元實施焊接

焊接機(jī)器人在進(jìn)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(diào)整焊槍運動位姿和控制焊接參數(shù)。激光視覺傳感器通過結(jié)構(gòu)光投射到焊縫表面，調(diào)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(tǒng)控制相關(guān)焊接單元進(jìn)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(yīng)的焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。最后對焊縫進(jìn)行外觀檢測，對不合格的焊接位置進(jìn)行標(biāo)記并返修處理。

（4）輔助運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作

當(dāng)前焊縫焊接完成或者工藝需求焊接順序調(diào)整等需要對焊件進(jìn)行反轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)移，這個動作需要輔助運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成。

（5）檢查焊接進(jìn)度

檢查當(dāng)前焊接進(jìn)度，檢查焊接件焊縫焊接進(jìn)度，是否焊接完成、有無遺漏焊縫，如有遺漏及時補(bǔ)充焊接，直至所有焊縫焊接完成。

2.4焊接機(jī)器人

制造企業(yè)要積極研發(fā)焊接機(jī)器人工作站以及混合生產(chǎn)線，全面普及焊機(jī)自動化技術(shù)，逐步打造“無人焊接車間”。焊接機(jī)器人是焊機(jī)自動化技術(shù)研發(fā)重點，企業(yè)可以加快研發(fā)機(jī)器人控制系統(tǒng)、焊槍、機(jī)器人末端執(zhí)行器、示教器以及視頻識別系統(tǒng)等一體化工作站，技術(shù)人員可以在操作臺進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，通過視頻識別系統(tǒng)觀察焊接作業(yè)進(jìn)展。末端執(zhí)行器是焊機(jī)機(jī)器人研發(fā)難點，技術(shù)人員要根據(jù)不同焊接工藝要求安裝不同的夾具和機(jī)械臂，方便旋轉(zhuǎn)或移動加工工件，確保對準(zhǔn)焊接點，保證焊接點的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，例如在焊接電子控制系統(tǒng)面板時，需要換上小型號夾具，控制好面板，再利用機(jī)械臂把相應(yīng)零部件焊接在對應(yīng)位置，技術(shù)人員通過設(shè)定翻轉(zhuǎn)程序來控制面板移動，確保所有零部件都焊接在觸點上。

結(jié)語

創(chuàng)新意識在建造生產(chǎn)中是很重要的。從節(jié)點預(yù)制來看，技術(shù)新方法的應(yīng)用對于特殊節(jié)點或特殊結(jié)構(gòu)形式建造效率提高，質(zhì)量提升都有很大的好處，降低安全風(fēng)險，節(jié)能減排，降低生產(chǎn)成本，符合公司現(xiàn)階段降本增效的大環(huán)境。通過應(yīng)用新工藝、新設(shè)備，提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低了成本及工作強(qiáng)度，減少了浪費，達(dá)到環(huán)保無污染要求，最終達(dá)到自動化生產(chǎn)的目標(biāo)。與此同時，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，改善或進(jìn)一步提高，實現(xiàn)信息化和自動化的結(jié)合，并早日智能化工廠的建設(shè)，才能更進(jìn)一步提高效率。

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