自動化焊接技術中的難點探討

唐九興

（佳木斯大學，黑龍江 佳木斯 154007）

自動化焊接是區別于以往的一種新技術，其本身是焊接技術的革新，主要優勢在于實現焊接技術自動化過程，是現代科學技術發展的產物。我國現有的自動化焊接應用還在起步階段，與國外技術水平還有一段差距。隨著智能科技的高速發展，焊接技術也在朝著自動化和智能化的方向前進。如今自動化焊接技術的應用代替了以前人工焊接，提高了制造效率和縮減了生產成本。自動化焊接技術應用越來越廣泛，但是目前很多企業實現自動化焊接，都面臨幾大難點。

1 自動化焊接技術概述

（1）自動化焊接的概念。自動化焊接就是焊接機械化在焊接方法與自動化技術相結合。通過電子控制系統，高靈敏的傳感器，人工智能軟件，高速處理器等部件組成。自動化焊接在大型設備的焊接具有重要的作用，它不僅僅用于機械的制造，還可以應用于軌道建設、交通運輸，石油化工等方方面面。

（2）自動化焊接技術的發展及趨勢。目前我國的焊接自動化普及率還不到35%，但是工業發達的國家自動化普及率已達80%，由此可見我國與發達國家的還有很大的差距。我國國情導致我國在這方面的技術相對落后直至從20世紀50年代才開始以研制自動化設備。20世紀90年代，隨著科學技術成果的轉化和我國工業化的時代的到來，各種機械化和半機械化的焊接機，逐步代替了傳統的手工焊接。到了近幾年工業4.0的時代到來，智能科技的飛速發展，解決了自動焊接中的一些問題，改變了一直以來依靠國外進口設備的情況，目前像壓力容器、無縫鋼管等都采用了自動焊接技術，在汽車和船舶，工程機械上都發展了自動化程度不同的生產線。

焊接成套設備的發展也促進著焊接自動方向的發展，近年來我國專用、成套焊接設備不僅整體制作水平有所提高，還在基礎件、配套件的選用上有所改進，并有許多新的突破，但是特別是特種設備和重大裝備的生產不能滿足需求。

發展趨勢①焊接電源的穩定性；②研發焊接新材料；③發展新的焊接技術；④遠程操作；⑤智能控制；⑥柔性制造系統；⑦自動化控制系統的集成化。

2 焊接方法的分類

金屬在焊接環節狀態不一，可分為熔焊、釬焊、壓焊。摩托車自動化焊接采用的就是熔焊中的氬弧焊技術。這是一種以氬氣作為保護的弧焊技術。

自動焊接車主要是埋弧自動焊。這個過程的特點是：生產效率高；焊縫的質量好；生產成本低；作業勞動條件好；適應變量性差；焊接整體設備復雜，需要采用輔助裝置；焊前準備工作嚴格；不便于焊接過程的觀察，所以要有焊縫自動跟蹤裝置；產品對裝配精密度質量要求嚴格；完成每層焊道焊接工序后必須清理焊渣

3 自動化焊接在應用中存在的難點

自動化焊接技術目前尚未大量普及，在實際應用中，存在以下幾個方面的難點。

（1）數據收集難點。并非所有企業都可自動化，自動化焊接設備必須根據用戶的要求進行設計，包括人體工程學，易用性和安全性，針對個性的操作流程進行設計，還需要確保用戶能夠遵守自動化流程，開發的過程，化需要完成的信息收集、分析和規劃越多，就越有可能帶來成功，但是很多企業甚至大型企業，都沒有完善的數據存儲，數據不完善，有缺陷或者有誤，都會導致設計的難度增加。要想完善自動化，需要修復和完善自己的數據系統，數據是支持自動化提高準確性的關鍵點。

（2）大型自動化機器人難點。大型自動化機器人焊接應用遇到了獨特的挑戰，機器人和焊接電源以及焊絲必須協同工作，才能實現這些應用所需的高沉積速率，循環時間范圍從幾分鐘到40小時不等，增加產量以及縮短時間是提高生產率的關鍵。

實施大型焊接自動化需要關注的變量太多了，也很復雜，其中很多事人為參與的因素，包括焊接工藝選擇，定位，焊接變形處理等，如何減少這些變化因素，比較困難。在大型焊接周期中選擇定位器可簡化比較難的任務，定位器有多種形式，傾斜旋轉定位器是雙軸系統，將部件從水平旋轉到垂直90度，而轉盤圍繞垂直軸旋轉部件。搭配定位器需要首先弄清楚一些問題，比如焊接會涉及多少機器人，零件是否需要在焊接過程中旋轉。

理解和糾正機器人伸展問題，機器人尺寸要求，焊槍配置，夾具間隙和其他變量，需要進行仿真工程模擬，在構建集成系統之前預測自動焊接過程，模擬自動化系統，可改善內部設計流程，增強協作，加快測試，在系統設計開始之前，工深入研究自動化概念，優化產品和流程，把一些復雜的流程給簡化。

（3）焊接變形處理難點。這個重點拿出來說，因為焊接變形處理要實現機器的自動糾錯，還是很復雜的。

焊接變形是由焊接過程金屬件的膨脹和收縮引起的，許多因素會影響金屬尺寸的變化，溫度，壓力等等。預先進行焊接變形分析，使用分析軟件來模擬變形的過程，控制焊接變形可降低材料厚度要求，約束順序，微調夾緊順序和夾具堅固性可減少焊后工藝要求。產品和工藝變化可相互作用，產生和預期不一致的焊縫，焊接過程中接頭位置可能會發生移動，會導致焊接波動。在這些情況下，如何進行焊接變形處理。

需要完成數千次模擬，在數字環境中查看整體工藝穩健性，然后修改方案，這種數字原型設計應該在產品開發和設計期間以及流程開發之前進行，通過大規模的模擬訓練，把變形的特征提取出來，通過焊接后的檢測程序來判斷是否是焊接變形，然后進行下一步的處理。

（4）上游基礎材料的難點。自動機器人單元需要使用很多高科技，傳感器，布線和機器臂手制造，前期投入很大，而且對于技術要求也很高，目前國內的傳感器技術有待提升，所有的上游基礎設備如果不能完善，要實現自動化投入的成本會很大。

（5）焊接跟蹤自適應填充。有時即使在設計得到優化之后，接頭幾何形狀或位置仍然不夠穩定，無法進行可靠的機器人焊接，通過焊縫跟蹤需要用到的地方。跟蹤可對焊接進行實時修正，讀取電流的反饋，系統實時調整程序。具體而言，軟件調整機器人的垂直和橫向路徑，補償零件翹曲或錯位。用于焊接應用的激光引導跟蹤目前比較流行，機器人安裝的激光通過指向焊接沉積的位置提供關于接頭的3D信，激光引導跟蹤機器人實時調整路徑。前期對激光焊縫跟蹤成功至關重要，分析模擬將有助于機器人正常運行，聯合跟蹤與自適應填充的焊接技術結合使用，機器人可以適應焊接期間由零件變化，點焊和變形引起的所需焊接體積的變化。

（6）焊接材料和焊接方法。自動化應用中目前為止主要使用兩種方法，分別是氣體保護金屬電弧焊（氬弧焊）和埋弧焊，氣體保護使用從焊槍送出的線電極，用圍繞電弧的保護氣體。對于埋弧焊，在連續進給的電極和被焊接工件之間形成電弧，一層粉末焊劑，提供保護罩和爐渣，保護焊接區。不需要保護氣體。雖然每個都有優點，但埋弧焊具有更好的沉積，連續焊接而沒有斷裂，埋弧焊比氣體保護金屬電弧焊消耗更多功率，需要更多焊接設備。

（7）關于最小化變化。產品和工藝變化在制造中很常見，自動焊接設計必須盡可能地讓變化最小化，數字設計和制造技術在過去幾年中取得了進展，焊接產品設計選擇和一些配件有助于提高過程效率，自適應填充，焊縫跟蹤，實施經過深思熟慮的自動化可歸結為兩個步驟，首先設計出所有可能的變化，其次找到解決方案來解決變化。

4 結語

自動化焊接工藝生的提高可以來改善制造過程中的許多不同領域，需要認識到優化自動化焊接工藝和對整體生產力的影響可能很小，例如橋梁和建筑行業的關注非焊接操作的效率改進，在降低制成本方面做出重大改進。這些非焊接區域將在未來幾年繼續受到關注，例如3D實體建模有望成為改進過程的核心，實現虛擬裝配，切割和焊接機器，金屬加工和焊接操作的計算機建模以及焊接順序的優化，提供更全面的質量保證。

提高生產率還可以來自細節的更高標準化，減少制造所花費的時間，使用新的焊接工藝增加自動化和機器人的使用，在引入能夠顯著提高生產率或降低成本的情況下才有道理，特別是在熟練勞動力短缺的情況下。