數字化焊接技術發展趨勢分析

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

隨著汽車市場的快速發展，對生產效率及生產質量的要求不斷提高，以工業機器人為主體的自動化設備被迅速推廣應用到焊接生產線中，不僅能夠更好地適應三維空間焊點的可達及焊縫軌跡的變化，保證了焊接接頭質量的穩定性和一致性，從而保證了焊接結構件的安全性和可靠性，同時對車間現場孤光、高溫及粉塵等作業環境也能更好適應。因此，機器人等自動化設備的投入使用對車間生產的高度柔性生產亦有極大提升，增強了生產系統對新產品的適應能力。

而數字化技術的融入，必將進一步提升汽車制造業的發展進步。所謂數字化技術，即以計算機軟硬件為主體技術手段，以信息的離散化表達、傳遞、處理、存儲以及執行等信息科學理論方法為基礎的集成技術。數字化焊接技術在此基礎上發展起來，將數值計算、數值分析和實時控制等數字處理及微機控制的基本功能融入焊接過程及焊接工藝，進而實現數字化焊接。數字化焊接技術的應用推廣，將有利于提升焊接過程和焊接質量的穩定性，有效控制飛濺等產生。而隨著視覺技術、人工智能技術等新興學科與機器人技術的進一步融合，必將促使焊接技術向著實現焊接過程的數據化、焊接質量智能化的方向發展，以達到較好的柔性和監控效果。

1 焊接數據庫

目前，數據庫技術在裝備制造領域應用已經較為成熟，如熱處理加工數據庫、壓力成型數據庫等，通過建立相應的數據庫，可以對相關領域的數據信息進行科學的分類管理并提供高效的查詢。早在20世紀，日歐等國就已經開始注意收集匯總焊接數據并建立焊接數據庫。與其他數據庫類似，焊接數據庫也具有數據庫本身的一些特征，從組成上可以分成前臺人機界面、后臺數據庫、后臺管理系統三大組成部分；從涵蓋數據種類上又可以大致分為焊接工藝、焊接平臺應用數據庫、焊接材料數據庫，個別公司甚至建立焊接設備管理數據庫、焊接生產技術數據庫以及焊接操作工檔案管理數據庫等。總的來說，現有通用的焊接數據庫可以分為焊接基礎數據庫和焊接CAPP系統。焊接基礎數據庫包含焊接過程的基本數據及焊接的通用標準和規范，如焊接母材、焊接設備、焊接工藝參數等；而焊接CAPP系統主要管理焊前工藝文件。通過焊接數據庫，方便使用者快速地查閱焊接相關數據進而對焊接工藝進行設計，能夠極大地提升工作效率和焊接質量，為焊接專家系統提供基礎，進而實現焊接生產過程的數字化管理。圖1為焊接數據庫構成圖。

圖1 焊接數據庫構成

2 焊接專家系統

所謂專家系統通過匯總某一領域內眾多專家的經驗和理論，進而模仿專家的推理判斷方法，針對該領域的復雜問題進行分析解決的計算機軟件系統。專家系統的應用，能夠有效減少決策時間，同時提高決策的準確性。焊接專家系統在焊接數據庫的基礎上，收集眾多焊接規范及實踐成功經驗，如焊接方法、焊接參數（電流、電壓及板厚）、坡口形狀、送絲速度等。通過焊接專家系統，普通操作者只需要輸入其中幾項參數就能獲取到最佳的焊接參數設計，進而將參數自動下達到焊接控制器進行焊接操作。

目前，汽車制造行業常用的幾種焊接專家系統主要如下：（1）焊接工藝專家系統。能夠根據輸入的焊接條件（如被焊接材料類型、焊接工藝方法、焊接接頭形式等）進行焊接工藝設計及焊接參數優化。（2）焊接缺陷診斷專家系統。能夠通過焊接的缺陷特征或者針對已經檢測出的焊接缺陷，快速判斷缺陷類型和成因分析。（3）焊接過程控制專家系統。主要根據焊接過程檢測裝置，對焊接位置偏差的檢測、對焊接熔透情況的檢測、對焊接變形的檢測等，進行實時焊接工藝和焊接裝置調整的專用系統。（4）焊接機器人專家系統。主要根據焊接機器人的特點，與焊接檢測裝置和焊接專家系統結合使用，實現專家系統對焊接機器人的智能控制。

3 數字化焊接仿真

數字化工廠技術即通過計算機仿真技術、虛擬現實技術以及信息化技術等，以實際生產狀態為基礎，在計算機中對生產過程進行虛擬設計，進而評估和優化整個生產過程。數字化焊接仿真是數字化工廠技術的重要一環，一方面，通過對基本物理特征量的描述，依據數值模擬技術對焊接過程進行模擬和求解，包括熔池形態、傳熱特性、變形預測等，從而可以對焊接過程（焊接接頭的組織性能、力學性能等）進行全面的定量分析處理，預測可能產生的成產缺陷并最終優化工藝方案和和焊接過程，保障工件品質；另一方面，通過仿真分析，可以離線進行焊接生產過程可行性分析，完成生產線布局規劃動態仿真，優化焊接路徑并消除干涉，縮短在線調試時間，進而加速汽車開發周期。圖2為焊接過程仿真圖。

圖2 焊接過程仿真

4 結語

數字化焊接技術是計算機技術與焊接技術相互融合的產物，其發展必然以服務于焊接生產為目的。目前，數字化焊接技術已經取得了一系列發展和成果，但是更多的是以相對獨立的焊接設備系統存在，需要更多的智能化、數字化技術的融入結合，以使數字化焊接技術為數字化汽車制造乃至汽車制造全生命周期服務。可以預見，未來數字化焊接的發展趨勢：（1）網絡化。將獨立的數字化焊接設備組成網絡，實現工藝調試、質量監控網絡化。（2）智能化。隨著人工神經網絡、模糊控制以及專家系統等人工智能技術在控制領域的應用，人工智能已經越來越為人熟知，如將模糊控制應用于焊縫跟蹤，BP神經網絡應用于焊接質量監控等，人工智能的應用必將有利于焊接工藝的優化及焊接缺陷的預測。（3）柔性化。數字化焊接技術需要將多種工藝集于一身，以其為基礎組成的焊接加工系統具備一定的柔性，可以一定程度上滿足不同材質、不同工件對焊接工藝的不同需要。