智能化焊接制造工程的概念與技術

趙志華 馬書亮

摘 要：本文以焊接技術的國內外發展為文章的切入點，詳細的對焊接動態過程的視覺傳感技術進行介紹，并對焊接動態過程中的實時智能控制方法進行講解，除此之外，還對智能化焊接技術的未來發展進行分析。

關鍵詞：智能化；焊接技術；焊接制造工程；動態過程

焊接工藝是在三千年以前發明的，但是將焊接工藝做為一種技術應用并開始發展的時期是在一九五零年左右，直至現在，焊接技術的發展時間已經超過了六十年，并且隨著科學技術的不斷發展，焊接技術也一直得到不斷地發展和創新，尤其是現階段的焊接工藝，更是物理、化學、冶金、電子、機械等不同學科、工藝交叉融合后的產物，而且目前的焊接工藝已有數十種接連問世，其材料、設備的領域更是稱為制造業不可缺少的基本制造技術之一。

1.焊接技術的國內外發展

在焊接材料領域，進入21世紀以來，國內的知名焊材企業對鋼材的發展迅速跟進，在提升傳統產品的品質和開發與高品質鋼種配套焊材品種方面做出了不少努力，但新型焊材的開發遠遠落后于鋼種的發展，一些新型鋼種的配套焊材尚需進口。高品質焊接材料附加值較高，目前約占我國焊接材料總量的20%左右，預計5年后能達到30%～40%。即使按20%計，其總量也可達60萬t左右。近年來國外各著名焊材企業紛紛進入中國搶奪高端焊材市場，我國民族焊材工業在這方面存在明顯差距。

例如國外已采用廠房密閉除塵換氣的方式生產熔煉焊劑，國內仍是敞開式生產，對環境的污染大；燒結焊劑國外均采用先進的自動化設備生產，我國大部分焊劑的成形欠佳和顆粒強度不好。除此之外，在無鉛焊接可靠性評價及壽命評估的機理研究上起步晚，只有少數科研院所在從事無鉛可靠性領域的研究及檢測工作。助焊劑和錫膏的研發與國際先進水平差距大。

2.智能化焊接技術的構成

基于計算機、控制等信息處理新技術，將人工智能與焊接工藝有機結合，實現焊接工藝制造的技術——稱之為“智能化焊接技術”（Intelligentized Welding Technology，IWT）。智能焊接技術的提法含義為：利用機器模擬和實現人的某些智能行為實施焊接工藝制造的技術。

智能化焊接的主要技術構成如圖1-1所示。包括采用智能化途徑進行焊接工藝規劃、焊接設備、傳感與檢測、信息處理、知識建模、焊接過程控制、機器人運動控制、復雜系統集成設計的實施。可見智能化焊接技術是多學科交叉綜合在焊接技術領域的集成與升華。

圖 1-1 智能化焊接技術的構成

3.焊接動態過程的視覺傳感技術

視覺是人類感覺外部信息的主要功能之一。焊工感官對焊接過程接受的主要是視覺信息。因此，模擬焊工行為的基礎技術之一是采用計算機將人類視覺的理解及其信息的處理有效地用于焊接過程傳感。近年來，隨著計算機視覺技術的發展，利用視覺正面直接觀察焊接熔池，以反映焊接過程熔化金屬的動態變化行為，通過圖象處理獲取熔池的幾何形狀信息實現焊接熔深、熔透以及成形的實時控制，已成為重要的研究方向。

脈沖GTAW的技術研究有以下幾方面：熔池正反面同時同幅視覺傳感系統，并獲得了堆焊熔池正反面圖象，對熔池圖象二維特征尺寸的實時提取進行了較為系統的研究，為控制正反面熔寬提供了傳感信息；對接填絲無間隙熔池圖象的三維特征提取進行了的研究，獲得了填充焊絲焊接過程中熔池表面凸出和下塌，部分熔透和全熔透狀態下的圖象。采用灰度分布的反射圖方程計算恢復熔池的三維尺寸信息取得了初步的成功，為基于單目圖象傳感控制焊縫的余高提供了預測傳感信息；多方位同時同幅熔池圖象，基于對熔池前端圖象處理實時提取間隙變化，為解決工程應用中變間隙焊接焊縫成形控制提供了傳感信息。成功地提取鋁合金熔池的動態特征并實現了對鋁合金熔池尺寸的實時控制，實現機器人焊接過程中的熔池特征視覺傳感與實時控制的結合技術。

4.焊接動態過程的實時智能控制方法

實現焊接動態過程的實時智能控制是智能化焊接制造過程的關鍵技術與難點所在。

由于焊接過程是一個多參數相互耦合的時變的非線性系統，影響焊縫成形質量的不確定因素眾多，這使得基于精確數學模型的經典和現性控制理論方法的有效應用受到限制和挑戰。而模擬焊工決策操作功能的智能控制則有可能在大范圍的不確定性條件下實現較為滿意焊接質量。因此，在焊接過程控制中引入智能控制，如模糊控制、人工神經網絡學習控制和專家系統及其相互結合的智能控制方法的研究已經興起。

如堆焊、無間隙對接焊、有間隙變化對接焊智能控制器設計的方法；無填絲和有填絲焊條件下正反面焊縫寬度、余高的實時智能控制的系列研究；對焊接速度與熔寬變化過程時滯不確定系統的預測補償自學習模糊神經控制方法；單個神經元自學習控制器實現了對脈沖GTAW堆焊熔池背面熔寬的智能控制；系統控制和自學習模糊神經網絡（焊接速度、電流）雙變量控制器實現了對脈沖GTAW對接熔池背面熔寬的智能控制；自適應模糊神經網絡控制器實現了對脈沖GTAW填絲熔池背面熔寬與正面余高的預測智能控制；前饋控制送絲速度和自學習模糊神經網絡控制器實現了對變間隙脈沖GTAW填絲熔池背面熔寬與焊縫成形質量的智能控制等。

5.智能化焊接技術的未來發展

焊接工藝智能化的未來發展就是能夠將焊接技術進行優化發展、智能識別工程制造操作環境、對焊接的質量自動進行檢測、對焊接過程智能的進行控制以及對焊接中的紕漏進行自我的診斷和檢查等。

目前的焊接制造由于不能感知焊接的操作環境、不能適應工藝條件的變化及波動的干擾，故而，還是以人員操作焊接為主，因此，焊接工藝近期的發展目標就是研發一種具有感知、具有判斷能力、具有反饋和決策能力的智能焊接機器人。而智能焊接制造的最終目標是研發一款以智能、協調控制系統為基礎，以柔性制造系統、敏捷制造系統為輔的智能化焊接生產線。

結束語：

綜合全文的敘述，可以得出以下結論，智能焊接技術主要是由十大技術構成的，其中動態視覺傳感以及智能控制過程是智能化焊接的主要研究對象，智能焊接的動態傳感技術主要用于焊接的動態成像以及監測技術，而焊接的智能控制則是智能化焊接制造工程中的研究難點，由此可見，智能化焊接工程不僅是信息與科學技術的結合，更是焊接技術發展的又一大突破。

焊接工藝從剛開始的手工作業逐漸發展為機械作業，再發展為半自動化焊接，現今又向智能化焊接技術邁進，并且隨著計算機的普及、人工智能技術的滲透，智能化的焊接制造工程將在不遠的未來得以實現。

參考文獻：

[1]陳善本，林濤，陳文杰，邱濤. 智能化焊接制造工程的概念與技術[J]. 焊接學報（2004）06：124-128+134.

[2]陳華斌，黃紅雨，林濤，張華軍，陳善本. 機器人焊接智能化技術與研究現狀[J]. 電焊機（2013）04：8-15.

[3]陳善本，呂娜. 焊接智能化與智能化焊接機器人技術研究進展[J]. 電焊機（2013）05：28-36.

[4]中國工程建設焊接協會開展“焊接制造智能化、焊接管理信息化、焊接設備數字化”先進技術裝備考察[A].工程焊接2014年第4期（總第28期）[C]（2014）2.