數字化焊接設備的應用現狀與展望

李明元，王立偉

（1.中國電建集團河北工程有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北科技大學，河北 石家莊 050018；3.河北省大型電站機爐安裝技術創新中心（籌），河北 石家莊 050021）

數字化已經成為焊接設備的主流發展方向，這一點是毋庸置疑的，但數字化只是一個承載人類知識的載體，其本身并不具備任何智能。同理，數字化焊接設備本身也并不能改善機器的焊接水平，但它提供了一個平臺，讓提高焊接技術這一目標變得更容易實現。因此，要想充分發揮出數字化焊接設備的優勢與價值，還需要多種焊接工藝與焊接技術的配合。

1 數字化焊接設備概述

“數字化”指的是在逆變焊機與數字控制技術的基礎上，以數字信號處理器（DSP）為核心設備，用0/1編碼的數字信號將傳統的模擬信號取而代之，最終獲得集網絡化、人性化、精密化、高效化與綠色化于一體的新型焊接設備。數字化焊機使冷卻裝置、人工交互、電源、工裝、機器人、焊槍、送絲機的互動更加方便。全數字化焊機囊括了焊機面板、焊機電源以及送絲機的數字化，焊接電源及其與焊接工藝過程的互動全部引入了數字化控制系統，最突出的特點是焊機的內部設置了“焊接專家系統與數據庫”，操作人員通過一元化操作便可能獲得準確、可靠的工藝參數，充分保障了焊接質量，彰顯出數字化焊機的核心價值。全數字化焊機還具有一系列拓展功能，比如遠程控制軟件升級、遠程診斷故障、在線記錄焊接參數、遠程修復故障等。而且數字化焊機的電源具有良好的控制精度與接口兼容性，為數字化焊接技術水平的提升創造了有利條件。

2 數字化焊接設備的應用現狀分析

2.1 進一步優化焊機行業產品結構

2.1.1 焊接電源的逆變化

傳統焊機制造行業所面臨的壓力，很大一部分來自于持續上漲的金屬材料價格，要想盡快適應市場發展，就必須優化和調整焊機結構，而逆變焊機制造商則成為產品結構調整的最大贏家。在以內銷為主，同時銷售額達到億元以上的焊機企業中，大部分企業都是憑借逆變焊機在技術和價格上的優勢占據市場的。逆變焊機之所以在短短數年內便獲得了飛速發展，一方面是因為成熟、完善的技術，另一方面則是相比傳統焊機更為優惠的價格。在市場經濟體制下，價格永遠是最具優勢的調節杠桿，在功率相同的焊機中，逆變焊機花費的材料成本遠低于傳統晶閘管焊機，在低端產品中，其價格甚至能夠和交流焊機比拼。在價格優勢的前提下，逆變焊機還具備傳統焊機所沒有的技術優勢，極大地促進了焊機行業從傳統電器行業向超電子行業的轉變。這種轉變從其他方面也能感受到，比如電力電子器件行業對功率半導體器件在焊機中的應用格外關注，而且將焊機行業納入了重點服務范疇，并研發出了符合焊機特點的產品。

如今，焊機企業需要考慮的不是是否做逆變，而是如何做逆變。從電路拓撲結構的角度來看，單端正激、半橋和全橋都有所應用。其中單端正激在功率較小的焊機中具有突出的成本優勢，而且性能可靠；全橋可應用于所有功率的焊機；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各有其優勢，但需要區分模塊和單管。MOSFET單管在功率較小的焊機中應用廣泛，優勢是成本低、體積小、高頻率。大功率焊機中通常應用IGBT模塊，高性能的中/小功率焊機中，MOSFET模塊的應用較多。與單管相比，模塊價格偏高，MOSFET模塊的價格高于IGBT模塊，但IGBT模塊所具備的高頻性能卻是其他模塊無法替代的。

2.1.2 氣體保護焊機的比例顯著提高

近年來，我國的鋼材產量不斷上升，制造業飛速發展，對焊接設備和技術的需求也越來越大。手工電弧焊接顯然已經無法滿足社會生產與發展的需要，更加高效、低成本的氣體保護焊機成為首選設備。調查顯示：國內總焊機銷售量中，氣體保護焊機占有1/4，而且仍有上升趨勢。目前，氣體保護焊機已經成為焊機行業技術競爭的熱門，除了逆變技術之外，還有數字化控制與電子電抗器控制的一元化調節、脈沖MIG等尖端技術。由此可見，我國焊機行業已經逐步邁向高端市場，且技術水平正在以突飛猛進的速度發展。

2.2焊接裝備單元級的數字化技術

2.2.1 熔池視覺技術

優秀的焊工通過觀察熔池形貌的變化特點來調整焊槍姿態，最終達到提高焊縫焊接質量的目的。這從側面反映出熔池的視覺形貌與焊接質量密切相關。有學者為了克服飛濺、弧光對熔池傳感造成的影響，使用脈沖激光器對熔池進行照射，經窄濾光的CCD獲得清晰度良好的熔池圖像，以此來控制焊縫的成形。另有學者利用CCD視覺檢測技術采集PMIG焊熔池，并對熔池的二維幾何信息進行提取。還有學者利用傳感技術采集了鋁合金的TIG焊熔池，利用焊熔池的亮度差來檢測熔池的邊緣，增強了熔池邊緣的穩定性，通過橢圓逼近法獲得熔池的長度、寬度與面積。此外，還可以通過陰影恢復形狀法、結構光三維視覺法、雙目立體視覺法來對熔池的三維圖像進行重建。利用陰影恢復技術獲得熔池的三維形貌，然后借助線性化近似求解極大地簡化了計算流程，提高了處理速度。國外學者采用雙目立體視覺法恢復了GMAW管道焊接熔池，熔池恢復后，表面的凹凸感十分明顯，細節更加豐富，與熔池的真實形貌高度吻合。也有學者提出：利用三維視覺法檢測熔池信息，用波長為337 nm、瞬時功率為50 kW的脈沖激光來照射熔池，與此同時使用攝像機拍攝，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提取出結構光激光條紋的柵格輪廓，然后計算得出熔池表面的三維信息。

2.2.2 焊縫跟蹤技術

在實際工作中，工件在加工、裝備時會出現尺寸誤差、受熱變形等問題，所以焊接條件也會隨之發生改變，導致接頭位置偏離了原先設計好的路徑，嚴重影響焊接質量，甚至會造成焊接失敗。因此，需要借助精準的焊接跟蹤技術來為焊接質量提供保障。近年來，焊縫跟蹤系統中應用了模糊數學與神經網絡，標志著這一技術已經步入智能化跟蹤時代。

清華大學以激光傳感為基礎，研發出一種焊縫軌跡跟蹤系統。在機器人末端安裝攝像機構，形成反饋控制系統，然后通過計算得出焊縫線，再采用立體視覺技術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。試驗結果顯示：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焊接工藝的數字化技術

2.3.1 自動化設計系統

西方發達國家先后針對焊接材料、母材、工藝條件、焊接方法、厚度范圍、坡口形狀等焊接數據庫系統展開研究，目前已經完成的數據庫系統見表1。

表1 西方國家完成的數據庫系統

我國從上世紀90年代開始相關研究，研究方向主要為工藝自動化設計、工藝評定數據庫、材料定額等，詳見表2。

表2 國內焊接數據庫系統

2.3.2 機器人焊接智能規劃技術

焊接機器人的離線編程技術已經從傳統的以圖形為基礎的屏幕顯示朝著智能編程的方向發展。離線編程主要解決的是焊接路徑、焊接參數、焊接任務以及焊槍姿態的規劃。CDA建模與視覺系統很容易就能實現路徑規劃，還能進行無碰撞的校正。根據焊接位置與工件條件可規劃焊槍姿態，自動設計出最理想的焊槍位姿，以提高焊縫的焊接質量。焊接工藝的規劃主要依賴于焊接CAPP系統完成，核心是如何集成CAD、CAPP與離線編程系統。法國的Institur De Soudure等單位共同研發了名為“ACT WELD”的機器人焊接離線編程軟件，可以通過自動編程來獲得機器人程序，同時還支持焊件的參數化裝配，實現了焊縫跟蹤與自適應傳感器的同步應用。南京理工大學研發了MotoMan機器人的離線編程與仿真系統，完成了軌跡路徑與姿態規劃、焊接工藝參數的設計以及焊縫幾何信息的提取。還有學者采用單參數動態搜索算法（SPD）設計出機器人焊接參數規劃器，從實際應用效果來看，比BP算法更有優勢。

3 數字化焊接設備的發展方向

3.1 焊機與工藝

立足于中國國情，焊機應該向高效、節能、自動、環保的方向發展，可考慮已經實現了網絡化管理的電路焊機，為數字化焊接技術與機器人控制技術奠定良好基礎。焊接工藝還需要進一步沉淀與完善，積極借鑒國外先進的焊接工藝，綜合考慮焊接的一鍵操作、焊機自動適應各種環境等問題，從根本上提高焊接品質、焊接效率以及焊接的自動化程度。

3.2 自動化與智能化

隨著經濟、科技的飛速發展，對焊接自動化、智能化的需求不斷提高，在焊接工藝中引入高端技術已經勢在必行，同時還要提高焊接工藝與裝備自動化、智能化的發展速度，加大產品的推廣力度。筆者認為可以從三方面著手：一是小型機器人焊接；二是為特定行業提供非標準化焊接定制服務；三是大型自動化焊接設備與生產線。

3.3 人才與制度

積極引入焊接專業技術人才與管理人才，加快新技術、新產品、新工藝的研究速度。充分發揮高等院校的優勢開展人才培訓，讓高等院校成為數字化焊接設備與技術的發源地，向社會源源不斷地輸送專業人才。緊跟國際行業標準，加快制度建設，及時淘汰和更新設備，提高國內焊接設備的標準與利用率。除此之外，焊接設備技術并不是獨立存在的，而是一個系統的產業鏈，因此還要兼顧上游與下游的發展，從整體上促進焊接設備產業鏈的可持續性發展。

4 結束語

綜上所述，新時期下，數字化焊接設備與智能化技術正在飛速發展，但也存在許多亟待解決的問題。焊接是非線性的復雜過程，因此需要不斷完善視覺傳感與焊接控制算法，與此同時，遙控焊接、智能化控制、多傳感器信息融合也會成為焊接行業未來的發展方向。