焊接自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)展望

周燕陽(yáng)，范 偉

（中車山東機(jī)車車輛有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

焊接自動(dòng)化技術(shù)可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)備的自動(dòng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)加工機(jī)械設(shè)施、相關(guān)儀表等，其本質(zhì)上是一種按照預(yù)定程序執(zhí)行命令而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作的技術(shù)方法。應(yīng)用焊接自動(dòng)化技術(shù)的主要目標(biāo)，就在于在相關(guān)生產(chǎn)作業(yè)中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的增加、質(zhì)量的提升、投入成本以及勞動(dòng)強(qiáng)度的減少、確保安全生產(chǎn)等。隨著時(shí)代的發(fā)展，焊接自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成為相關(guān)行業(yè)發(fā)展必不可少的重要技術(shù)手段。

1 焊接自動(dòng)化技術(shù)及設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 焊接自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)焊接界已經(jīng)將焊接流程的自動(dòng)化、機(jī)械化作為戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，著重推進(jìn)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化發(fā)展、相關(guān)流程控制的智能化發(fā)展，以及焊接生產(chǎn)線柔性生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)，在計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的輔助下，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出良好態(tài)勢(shì)。一是高效化、節(jié)能化的CO2類電焊接、埋弧類電焊機(jī)的使用概率呈逐漸上升的趨勢(shì)；二是對(duì)焊機(jī)參數(shù)進(jìn)行高效化、節(jié)能化的自動(dòng)調(diào)整，使其逐漸實(shí)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(jī)，且焊機(jī)操作也在朝著簡(jiǎn)捷化、智能化的方向發(fā)展；三是焊接自動(dòng)化技術(shù)在諸多領(lǐng)域獲得了普及推廣，如車輛制造行業(yè)、造船行業(yè)、工程機(jī)械行業(yè)以及航空行業(yè)等，基本實(shí)現(xiàn)了焊接生產(chǎn)效果與質(zhì)量的全面提升；四是焊接自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)以焊接機(jī)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(dāng)然，受到諸多因素的影響，我國(guó)焊接技術(shù)的自動(dòng)化水平與發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家相比還有著不小的差距，在焊機(jī)數(shù)控化、工藝智控化、系統(tǒng)集成化、焊接行業(yè)集團(tuán)化以及機(jī)器人焊機(jī)技術(shù)的迭代升級(jí)等諸多層面尚未真正實(shí)現(xiàn)均衡發(fā)展。

1.2 焊機(jī)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

電焊機(jī)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的設(shè)備，同時(shí)也是工業(yè)生產(chǎn)中所需用到的常用設(shè)備，其主要通過(guò)正負(fù)電流瞬間接觸短路所產(chǎn)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(jī)一般分為兩個(gè)類別，即交流電源和直流電源。就焊機(jī)使用企業(yè)而言，其日常使用的焊機(jī)主要包括交流焊機(jī)、直流焊機(jī)、埋弧焊機(jī)、氣體保護(hù)焊機(jī)（如氬弧焊、二氧化碳保護(hù)焊等）、激光焊機(jī)等，具體如表1所示。

表1 常用焊機(jī)類別及具體應(yīng)用

據(jù)中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)相關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示，自2015年以來(lái)，我國(guó)電焊機(jī)產(chǎn)量呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，而2020年H1由于受特殊公共事件影響，我國(guó)焊機(jī)產(chǎn)量為414.17萬(wàn)臺(tái)，同比下降十分明顯，具體如表2所示。

表2 2015-2020年H1我國(guó)電焊機(jī)產(chǎn)量

就各大類焊機(jī)生產(chǎn)的實(shí)物量與價(jià)值量對(duì)比而言，以2017-2018年為例，據(jù)中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)相關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示，這兩年實(shí)物量占比最大的是輔機(jī)具及配套件，價(jià)值量占比最大的是電弧焊機(jī)，具體如表3所示。

表3 2017-2018年我國(guó)部分焊機(jī)設(shè)備占比

2 焊接自動(dòng)化技術(shù)未來(lái)的發(fā)展展望

2.1 成套焊機(jī)微機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)

焊機(jī)裝備在發(fā)展過(guò)程中，需要運(yùn)用到各種微機(jī)自控技術(shù)，如焊接電源的數(shù)字化控制、智能化焊接設(shè)備、全自動(dòng)式專項(xiàng)焊接設(shè)備以及柔性化焊機(jī)人工操作站點(diǎn)等。在各種自動(dòng)化焊機(jī)和切割裝備中，微機(jī)控制體系不僅需要發(fā)揮對(duì)各項(xiàng)焊機(jī)參數(shù)的控制作用，還要具備自動(dòng)化調(diào)整成套焊機(jī)構(gòu)成部分的各項(xiàng)操作，以確保自動(dòng)無(wú)人作業(yè)的常態(tài)進(jìn)行，也即要通過(guò)微機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊機(jī)生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化控制。就成套焊接設(shè)備微機(jī)自控技術(shù)的發(fā)展和完善而言，要進(jìn)一步選擇趨于成熟的焊機(jī)微機(jī)控制成果改造制造工藝，使其能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的批量化，產(chǎn)生效益以及形成規(guī)模，從而獲得事半功倍的過(guò)小。具體而言，焊接電源的微機(jī)控制晶閘管具備易制造、低成本、強(qiáng)過(guò)載能力、方便維修等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，其數(shù)控性能中除了波控性能不強(qiáng)以外，可以優(yōu)化控制靜動(dòng)特點(diǎn)，焊接參數(shù)的編程記憶控制和適應(yīng)控制，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多元化以及多功能化，此類焊機(jī)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(shè)施基礎(chǔ)構(gòu)成設(shè)備。今后，如果能夠通過(guò)生產(chǎn)的批量化實(shí)現(xiàn)其自身功能和可靠性的提升，焊接電源的微機(jī)控制晶閘管便能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化相關(guān)制造以及調(diào)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(shì)；IGBT逆變類焊機(jī)同樣在我國(guó)具有較高的研究水平，此類焊接設(shè)備外加微機(jī)控制波形后屬于理想的智能焊機(jī)電源，就目前而言，此類焊機(jī)規(guī)模化生產(chǎn)的主要問(wèn)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(guò)微機(jī)自適應(yīng)的控制性能。此外，還要憑借相關(guān)科技的法陣，進(jìn)一步促進(jìn)高檔焊機(jī)電源的高效發(fā)展，從而有力保障國(guó)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(shè)備的持續(xù)發(fā)展。

2.2 焊機(jī)智能化控制技術(shù)

就焊接設(shè)備而言，如硅弧焊整流器、脈沖弧焊電源、焊接變壓器等，結(jié)合微機(jī)控制的焊機(jī)電源和焊接流程中的傳感器，可以實(shí)現(xiàn)視覺(jué)追蹤、熔深控制等，從而推動(dòng)焊接設(shè)備的智能化發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)正大力發(fā)展氣體保護(hù)焊焊接設(shè)備的計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)，如波控技術(shù)、電弧參數(shù)的模糊控制技術(shù)、脈沖焊控制技術(shù)等。通過(guò)對(duì)微機(jī)控制體系的良好運(yùn)用，能夠有效降低焊接自動(dòng)化的作業(yè)成本，若使用可編程控制器，還可以對(duì)已有焊機(jī)或焊機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)行改造，使其成為可以控制邏輯順序的自動(dòng)成套焊機(jī)。此時(shí)，如果對(duì)微機(jī)控制焊機(jī)電源等相關(guān)技術(shù)結(jié)合使用，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊接流程的智能化控制功能。就當(dāng)下而言，焊接流程的智能化控制體系仍是焊接自動(dòng)化中的關(guān)鍵問(wèn)題，而在焊接設(shè)備控制中引入更加先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，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(jìn)一步推動(dòng)焊接設(shè)備智控體系的發(fā)展和完善。

2.3 焊接設(shè)備集成化制造體系

CIMS（Computer/contemporary Integrated Manufacturing Systems，計(jì)算機(jī)/現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)）技術(shù)目前正處于不斷發(fā)展和完善態(tài)勢(shì)，將CIMS技術(shù)應(yīng)用到焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)當(dāng)中，能夠以焊接機(jī)器人作為核心，在保證數(shù)控焊機(jī)以及工藝裝備等相關(guān)技術(shù)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(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過(guò)程中，CIMS能夠集裝配、下料、焊接等一體化焊接結(jié)構(gòu)為生產(chǎn)核心，可以保證焊接實(shí)現(xiàn)真正的精準(zhǔn)度較高、全自動(dòng)以及現(xiàn)代化革命，是焊接設(shè)備未來(lái)迭代升級(jí)的必然的發(fā)展方向。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的不斷提升，我們可以利用計(jì)算機(jī)CAD軟件，按照其圖形庫(kù)當(dāng)中的焊縫空間部位實(shí)現(xiàn)提前離線編程，在將焊接參數(shù)控制傳感設(shè)備得到的數(shù)值通過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電源、焊槍空間部位、送絲機(jī)構(gòu)等的合理調(diào)整。當(dāng)然，對(duì)于CIMS焊接技術(shù)的開(kāi)展是要分層次進(jìn)行的，一方面，要進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)中基層設(shè)備的智能化與自動(dòng)化研究，同時(shí)進(jìn)一步簡(jiǎn)化工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及管理系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制等上層系統(tǒng)的操作流程；另一方面，要進(jìn)一步關(guān)注系統(tǒng)中的信息流與物資流，最大化地減少對(duì)于信息量與適時(shí)控制的要求，重視系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中操作人員的主觀能動(dòng)作用，綜合人與自動(dòng)化系統(tǒng)的各自優(yōu)點(diǎn)，切實(shí)發(fā)揮出系統(tǒng)識(shí)別出現(xiàn)狀況時(shí)工作人員的判斷力與人工干預(yù)能力。在焊接設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程中，CIMS技術(shù)能夠保證在無(wú)人操作焊接流程的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)效果的大幅提升，而對(duì)于必須有人工參與的環(huán)節(jié)，也可以呈現(xiàn)出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與焊接專家以及焊接機(jī)器人的緊密結(jié)合。當(dāng)下，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展，焊接市場(chǎng)也瞬息萬(wàn)變，各生產(chǎn)企業(yè)都面臨著巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，無(wú)論是對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的技術(shù)人員，還是操作熟練的老員工而言，焊接CIMS技術(shù)的發(fā)展都是整個(gè)焊接產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向之一。當(dāng)然，我們也要注意到完整化的焊接CIMS技術(shù)的構(gòu)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(kāi)展的舉措，以減輕成本壓力。

3 結(jié)語(yǔ)

就目前而言，我國(guó)焊接領(lǐng)域與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展形勢(shì)基本保持一致，已經(jīng)進(jìn)入到了平穩(wěn)增長(zhǎng)時(shí)期，而面對(duì)日益復(fù)雜的國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)環(huán)境，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)也要有意識(shí)的轉(zhuǎn)變經(jīng)營(yíng)理念，要通過(guò)理性思維和創(chuàng)造性思維，堅(jiān)持走創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展道路，腳踏實(shí)地做好焊接自動(dòng)化技術(shù)的研究工作?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展、且對(duì)于自主科研能力不斷重視的當(dāng)下，只要對(duì)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、制造技術(shù)等的發(fā)展的保持高度關(guān)注并堅(jiān)持自主研發(fā)，在尖端科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)下，我國(guó)焊接自動(dòng)化技術(shù)必然會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展和突破。