數(shù)字化焊接設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

李明元，王立偉

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

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

1 數(shù)字化焊接設(shè)備概述

“數(shù)字化”指的是在逆變焊機(jī)與數(shù)字控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心設(shè)備，用0/1編碼的數(shù)字信號(hào)將傳統(tǒng)的模擬信號(hào)取而代之，最終獲得集網(wǎng)絡(luò)化、人性化、精密化、高效化與綠色化于一體的新型焊接設(shè)備。數(shù)字化焊機(jī)使冷卻裝置、人工交互、電源、工裝、機(jī)器人、焊槍、送絲機(jī)的互動(dòng)更加方便。全數(shù)字化焊機(jī)囊括了焊機(jī)面板、焊機(jī)電源以及送絲機(jī)的數(shù)字化，焊接電源及其與焊接工藝過程的互動(dòng)全部引入了數(shù)字化控制系統(tǒng)，最突出的特點(diǎn)是焊機(jī)的內(nèi)部設(shè)置了“焊接專家系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)”，操作人員通過一元化操作便可能獲得準(zhǔn)確、可靠的工藝參數(shù)，充分保障了焊接質(zhì)量，彰顯出數(shù)字化焊機(jī)的核心價(jià)值。全數(shù)字化焊機(jī)還具有一系列拓展功能，比如遠(yuǎn)程控制軟件升級(jí)、遠(yuǎn)程診斷故障、在線記錄焊接參數(shù)、遠(yuǎn)程修復(fù)故障等。而且數(shù)字化焊機(jī)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(shù)水平的提升創(chuàng)造了有利條件。

2 數(shù)字化焊接設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

2.1 進(jìn)一步優(yōu)化焊機(jī)行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

2.1.1 焊接電源的逆變化

傳統(tǒng)焊機(jī)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(jià)格，要想盡快適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展，就必須優(yōu)化和調(diào)整焊機(jī)結(jié)構(gòu)，而逆變焊機(jī)制造商則成為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的最大贏家。在以內(nèi)銷為主，同時(shí)銷售額達(dá)到億元以上的焊機(jī)企業(yè)中，大部分企業(yè)都是憑借逆變焊機(jī)在技術(shù)和價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)占據(jù)市場(chǎng)的。逆變焊機(jī)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?yàn)槌墒?、完善的技術(shù)，另一方面則是相比傳統(tǒng)焊機(jī)更為優(yōu)惠的價(jià)格。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，價(jià)格永遠(yuǎn)是最具優(yōu)勢(shì)的調(diào)節(jié)杠桿，在功率相同的焊機(jī)中，逆變焊機(jī)花費(fèi)的材料成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)晶閘管焊機(jī)，在低端產(chǎn)品中，其價(jià)格甚至能夠和交流焊機(jī)比拼。在價(jià)格優(yōu)勢(shì)的前提下，逆變焊機(jī)還具備傳統(tǒng)焊機(jī)所沒有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，極大地促進(jìn)了焊機(jī)行業(yè)從傳統(tǒng)電器行業(yè)向超電子行業(yè)的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變從其他方面也能感受到，比如電力電子器件行業(yè)對(duì)功率半導(dǎo)體器件在焊機(jī)中的應(yīng)用格外關(guān)注，而且將焊機(jī)行業(yè)納入了重點(diǎn)服務(wù)范疇，并研發(fā)出了符合焊機(jī)特點(diǎn)的產(chǎn)品。

如今，焊機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度來看，單端正激、半橋和全橋都有所應(yīng)用。其中單端正激在功率較小的焊機(jī)中具有突出的成本優(yōu)勢(shì)，而且性能可靠；全橋可應(yīng)用于所有功率的焊機(jī)；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(shì)，但需要區(qū)分模塊和單管。MOSFET單管在功率較小的焊機(jī)中應(yīng)用廣泛，優(yōu)勢(shì)是成本低、體積小、高頻率。大功率焊機(jī)中通常應(yīng)用IGBT模塊，高性能的中/小功率焊機(jī)中，MOSFET模塊的應(yīng)用較多。與單管相比，模塊價(jià)格偏高，MOSFET模塊的價(jià)格高于IGBT模塊，但I(xiàn)GBT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(hù)焊機(jī)的比例顯著提高

近年來，我國(guó)的鋼材產(chǎn)量不斷上升，制造業(yè)飛速發(fā)展，對(duì)焊接設(shè)備和技術(shù)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(huì)生產(chǎn)與發(fā)展的需要，更加高效、低成本的氣體保護(hù)焊機(jī)成為首選設(shè)備。調(diào)查顯示：國(guó)內(nèi)總焊機(jī)銷售量中，氣體保護(hù)焊機(jī)占有1/4，而且仍有上升趨勢(shì)。目前，氣體保護(hù)焊機(jī)已經(jīng)成為焊機(jī)行業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的熱門，除了逆變技術(shù)之外，還有數(shù)字化控制與電子電抗器控制的一元化調(diào)節(jié)、脈沖MIG等尖端技術(shù)。由此可見，我國(guó)焊機(jī)行業(yè)已經(jīng)逐步邁向高端市場(chǎng)，且技術(shù)水平正在以突飛猛進(jìn)的速度發(fā)展。

2.2焊接裝備單元級(jí)的數(shù)字化技術(shù)

2.2.1 熔池視覺技術(shù)

優(yōu)秀的焊工通過觀察熔池形貌的變化特點(diǎn)來調(diào)整焊槍姿態(tài)，最終達(dá)到提高焊縫焊接質(zhì)量的目的。這從側(cè)面反映出熔池的視覺形貌與焊接質(zhì)量密切相關(guān)。有學(xué)者為了克服飛濺、弧光對(duì)熔池傳感造成的影響，使用脈沖激光器對(duì)熔池進(jìn)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(xué)者利用CCD視覺檢測(cè)技術(shù)采集PMIG焊熔池，并對(duì)熔池的二維幾何信息進(jìn)行提取。還有學(xué)者利用傳感技術(shù)采集了鋁合金的TIG焊熔池，利用焊熔池的亮度差來檢測(cè)熔池的邊緣，增強(qiáng)了熔池邊緣的穩(wěn)定性，通過橢圓逼近法獲得熔池的長(zhǎng)度、寬度與面積。此外，還可以通過陰影恢復(fù)形狀法、結(jié)構(gòu)光三維視覺法、雙目立體視覺法來對(duì)熔池的三維圖像進(jìn)行重建。利用陰影恢復(fù)技術(shù)獲得熔池的三維形貌，然后借助線性化近似求解極大地簡(jiǎn)化了計(jì)算流程，提高了處理速度。國(guó)外學(xué)者采用雙目立體視覺法恢復(fù)了GMAW管道焊接熔池，熔池恢復(fù)后，表面的凹凸感十分明顯，細(xì)節(jié)更加豐富，與熔池的真實(shí)形貌高度吻合。也有學(xué)者提出：利用三維視覺法檢測(cè)熔池信息，用波長(zhǎng)為337 nm、瞬時(shí)功率為50 kW的脈沖激光來照射熔池，與此同時(shí)使用攝像機(jī)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(shù)提取出結(jié)構(gòu)光激光條紋的柵格輪廓，然后計(jì)算得出熔池表面的三維信息。

2.2.2 焊縫跟蹤技術(shù)

在實(shí)際工作中，工件在加工、裝備時(shí)會(huì)出現(xiàn)尺寸誤差、受熱變形等問題，所以焊接條件也會(huì)隨之發(fā)生改變，導(dǎo)致接頭位置偏離了原先設(shè)計(jì)好的路徑，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，甚至?xí)斐珊附邮?。因此，需要借助精?zhǔn)的焊接跟蹤技術(shù)來為焊接質(zhì)量提供保障。近年來，焊縫跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著這一技術(shù)已經(jīng)步入智能化跟蹤時(shí)代。

清華大學(xué)以激光傳感為基礎(chǔ)，研發(fā)出一種焊縫軌跡跟蹤系統(tǒng)。在機(jī)器人末端安裝攝像機(jī)構(gòu)，形成反饋控制系統(tǒng)，然后通過計(jì)算得出焊縫線，再采用立體視覺技術(shù)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(yàn)結(jié)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(shù)

2.3.1 自動(dòng)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

西方發(fā)達(dá)國(guó)家先后針對(duì)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(kù)系統(tǒng)展開研究，目前已經(jīng)完成的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)見表1。

表1 西方國(guó)家完成的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

我國(guó)從上世紀(jì)90年代開始相關(guān)研究，研究方向主要為工藝自動(dòng)化設(shè)計(jì)、工藝評(píng)定數(shù)據(jù)庫(kù)、材料定額等，詳見表2。

表2 國(guó)內(nèi)焊接數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

2.3.2 機(jī)器人焊接智能規(guī)劃技術(shù)

焊接機(jī)器人的離線編程技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的以圖形為基礎(chǔ)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(wù)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(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，還能進(jìn)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(dòng)設(shè)計(jì)出最理想的焊槍位姿，以提高焊縫的焊接質(zhì)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(guó)的Institur De Soudure等單位共同研發(fā)了名為“ACT WELD”的機(jī)器人焊接離線編程軟件，可以通過自動(dòng)編程來獲得機(jī)器人程序，同時(shí)還支持焊件的參數(shù)化裝配，實(shí)現(xiàn)了焊縫跟蹤與自適應(yīng)傳感器的同步應(yīng)用。南京理工大學(xué)研發(fā)了MotoMan機(jī)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(shè)計(jì)以及焊縫幾何信息的提取。還有學(xué)者采用單參數(shù)動(dòng)態(tài)搜索算法（SPD）設(shè)計(jì)出機(jī)器人焊接參數(shù)規(guī)劃器，從實(shí)際應(yīng)用效果來看，比BP算法更有優(yōu)勢(shì)。

3 數(shù)字化焊接設(shè)備的發(fā)展方向

3.1 焊機(jī)與工藝

立足于中國(guó)國(guó)情，焊機(jī)應(yīng)該向高效、節(jié)能、自動(dòng)、環(huán)保的方向發(fā)展，可考慮已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理的電路焊機(jī)，為數(shù)字化焊接技術(shù)與機(jī)器人控制技術(shù)奠定良好基礎(chǔ)。焊接工藝還需要進(jìn)一步沉淀與完善，積極借鑒國(guó)外先進(jìn)的焊接工藝，綜合考慮焊接的一鍵操作、焊機(jī)自動(dòng)適應(yīng)各種環(huán)境等問題，從根本上提高焊接品質(zhì)、焊接效率以及焊接的自動(dòng)化程度。

3.2 自動(dòng)化與智能化

隨著經(jīng)濟(jì)、科技的飛速發(fā)展，對(duì)焊接自動(dòng)化、智能化的需求不斷提高，在焊接工藝中引入高端技術(shù)已經(jīng)勢(shì)在必行，同時(shí)還要提高焊接工藝與裝備自動(dòng)化、智能化的發(fā)展速度，加大產(chǎn)品的推廣力度。筆者認(rèn)為可以從三方面著手：一是小型機(jī)器人焊接；二是為特定行業(yè)提供非標(biāo)準(zhǔn)化焊接定制服務(wù)；三是大型自動(dòng)化焊接設(shè)備與生產(chǎn)線。

3.3 人才與制度

積極引入焊接專業(yè)技術(shù)人才與管理人才，加快新技術(shù)、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(shì)開展人才培訓(xùn)，讓高等院校成為數(shù)字化焊接設(shè)備與技術(shù)的發(fā)源地，向社會(huì)源源不斷地輸送專業(yè)人才。緊跟國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加快制度建設(shè)，及時(shí)淘汰和更新設(shè)備，提高國(guó)內(nèi)焊接設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)與利用率。除此之外，焊接設(shè)備技術(shù)并不是獨(dú)立存在的，而是一個(gè)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(jìn)焊接設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)性發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，新時(shí)期下，數(shù)字化焊接設(shè)備與智能化技術(shù)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(fù)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(shí)，遙控焊接、智能化控制、多傳感器信息融合也會(huì)成為焊接行業(yè)未來的發(fā)展方向。