自动化焊接技术中的难点探讨

唐九兴

（佳木斯大学，黑龙江 佳木斯 154007）

自动化焊接是区别于以往的一种新技术，其本身是焊接技术的革新，主要优势在于实现焊接技术自动化过程，是现代科学技术发展的产物。我国现有的自动化焊接应用还在起步阶段，与国外技术水平还有一段差距。随着智能科技的高速发展，焊接技术也在朝着自动化和智能化的方向前进。如今自动化焊接技术的应用代替了以前人工焊接，提高了制造效率和缩减了生产成本。自动化焊接技术应用越来越广泛，但是目前很多企业实现自动化焊接，都面临几大难点。

1 自动化焊接技术概述

（1）自动化焊接的概念。自动化焊接就是焊接机械化在焊接方法与自动化技术相结合。通过电子控制系统，高灵敏的传感器，人工智能软件，高速处理器等部件组成。自动化焊接在大型设备的焊接具有重要的作用，它不仅仅用于机械的制造，还可以应用于轨道建设、交通运输，石油化工等方方面面。

（2）自动化焊接技术的发展及趋势。目前我国的焊接自动化普及率还不到35%，但是工业发达的国家自动化普及率已达80%，由此可见我国与发达国家的还有很大的差距。我国国情导致我国在这方面的技术相对落后直至从20世纪50年代才开始以研制自动化设备。20世纪90年代，随着科学技术成果的转化和我国工业化的时代的到来，各种机械化和半机械化的焊接机，逐步代替了传统的手工焊接。到了近几年工业4.0的时代到来，智能科技的飞速发展，解决了自动焊接中的一些问题，改变了一直以来依靠国外进口设备的情况，目前像压力容器、无缝钢管等都采用了自动焊接技术，在汽车和船舶，工程机械上都发展了自动化程度不同的生产线。

焊接成套设备的发展也促进着焊接自动方向的发展，近年来我国专用、成套焊接设备不仅整体制作水平有所提高，还在基础件、配套件的选用上有所改进，并有许多新的突破，但是特别是特种设备和重大装备的生产不能满足需求。

发展趋势①焊接电源的稳定性；②研发焊接新材料；③发展新的焊接技术；④远程操作；⑤智能控制；⑥柔性制造系统；⑦自动化控制系统的集成化。

2 焊接方法的分类

金属在焊接环节状态不一，可分为熔焊、钎焊、压焊。摩托车自动化焊接采用的就是熔焊中的氩弧焊技术。这是一种以氩气作为保护的弧焊技术。

自动焊接车主要是埋弧自动焊。这个过程的特点是：生产效率高；焊缝的质量好；生产成本低；作业劳动条件好；适应变量性差；焊接整体设备复杂，需要采用辅助装置；焊前准备工作严格；不便于焊接过程的观察，所以要有焊缝自动跟踪装置；产品对装配精密度质量要求严格；完成每层焊道焊接工序后必须清理焊渣

3 自动化焊接在应用中存在的难点

自动化焊接技术目前尚未大量普及，在实际应用中，存在以下几个方面的难点。

（1）数据收集难点。并非所有企业都可自动化，自动化焊接设备必须根据用户的要求进行设计，包括人体工程学，易用性和安全性，针对个性的操作流程进行设计，还需要确保用户能够遵守自动化流程，开发的过程，化需要完成的信息收集、分析和规划越多，就越有可能带来成功，但是很多企业甚至大型企业，都没有完善的数据存储，数据不完善，有缺陷或者有误，都会导致设计的难度增加。要想完善自动化，需要修复和完善自己的数据系统，数据是支持自动化提高准确性的关键点。

（2）大型自动化机器人难点。大型自动化机器人焊接应用遇到了独特的挑战，机器人和焊接电源以及焊丝必须协同工作，才能实现这些应用所需的高沉积速率，循环时间范围从几分钟到40小时不等，增加产量以及缩短时间是提高生产率的关键。

实施大型焊接自动化需要关注的变量太多了，也很复杂，其中很多事人为参与的因素，包括焊接工艺选择，定位，焊接变形处理等，如何减少这些变化因素，比较困难。在大型焊接周期中选择定位器可简化比较难的任务，定位器有多种形式，倾斜旋转定位器是双轴系统，将部件从水平旋转到垂直90度，而转盘围绕垂直轴旋转部件。搭配定位器需要首先弄清楚一些问题，比如焊接会涉及多少机器人，零件是否需要在焊接过程中旋转。

理解和纠正机器人伸展问题，机器人尺寸要求，焊枪配置，夹具间隙和其他变量，需要进行仿真工程模拟，在构建集成系统之前预测自动焊接过程，模拟自动化系统，可改善内部设计流程，增强协作，加快测试，在系统设计开始之前，工深入研究自动化概念，优化产品和流程，把一些复杂的流程给简化。

（3）焊接变形处理难点。这个重点拿出来说，因为焊接变形处理要实现机器的自动纠错，还是很复杂的。

焊接变形是由焊接过程金属件的膨胀和收缩引起的，许多因素会影响金属尺寸的变化，温度，压力等等。预先进行焊接变形分析，使用分析软件来模拟变形的过程，控制焊接变形可降低材料厚度要求，约束顺序，微调夹紧顺序和夹具坚固性可减少焊后工艺要求。产品和工艺变化可相互作用，产生和预期不一致的焊缝，焊接过程中接头位置可能会发生移动，会导致焊接波动。在这些情况下，如何进行焊接变形处理。

需要完成数千次模拟，在数字环境中查看整体工艺稳健性，然后修改方案，这种数字原型设计应该在产品开发和设计期间以及流程开发之前进行，通过大规模的模拟训练，把变形的特征提取出来，通过焊接后的检测程序来判断是否是焊接变形，然后进行下一步的处理。

（4）上游基础材料的难点。自动机器人单元需要使用很多高科技，传感器，布线和机器臂手制造，前期投入很大，而且对于技术要求也很高，目前国内的传感器技术有待提升，所有的上游基础设备如果不能完善，要实现自动化投入的成本会很大。

（5）焊接跟踪自适应填充。有时即使在设计得到优化之后，接头几何形状或位置仍然不够稳定，无法进行可靠的机器人焊接，通过焊缝跟踪需要用到的地方。跟踪可对焊接进行实时修正，读取电流的反馈，系统实时调整程序。具体而言，软件调整机器人的垂直和横向路径，补偿零件翘曲或错位。用于焊接应用的激光引导跟踪目前比较流行，机器人安装的激光通过指向焊接沉积的位置提供关于接头的3D信，激光引导跟踪机器人实时调整路径。前期对激光焊缝跟踪成功至关重要，分析模拟将有助于机器人正常运行，联合跟踪与自适应填充的焊接技术结合使用，机器人可以适应焊接期间由零件变化，点焊和变形引起的所需焊接体积的变化。

（6）焊接材料和焊接方法。自动化应用中目前为止主要使用两种方法，分别是气体保护金属电弧焊（氩弧焊）和埋弧焊，气体保护使用从焊枪送出的线电极，用围绕电弧的保护气体。对于埋弧焊，在连续进给的电极和被焊接工件之间形成电弧，一层粉末焊剂，提供保护罩和炉渣，保护焊接区。不需要保护气体。虽然每个都有优点，但埋弧焊具有更好的沉积，连续焊接而没有断裂，埋弧焊比气体保护金属电弧焊消耗更多功率，需要更多焊接设备。

（7）关于最小化变化。产品和工艺变化在制造中很常见，自动焊接设计必须尽可能地让变化最小化，数字设计和制造技术在过去几年中取得了进展，焊接产品设计选择和一些配件有助于提高过程效率，自适应填充，焊缝跟踪，实施经过深思熟虑的自动化可归结为两个步骤，首先设计出所有可能的变化，其次找到解决方案来解决变化。

4 结语

自动化焊接工艺生的提高可以来改善制造过程中的许多不同领域，需要认识到优化自动化焊接工艺和对整体生产力的影响可能很小，例如桥梁和建筑行业的关注非焊接操作的效率改进，在降低制成本方面做出重大改进。这些非焊接区域将在未来几年继续受到关注，例如3D实体建模有望成为改进过程的核心，实现虚拟装配，切割和焊接机器，金属加工和焊接操作的计算机建模以及焊接顺序的优化，提供更全面的质量保证。

提高生产率还可以来自细节的更高标准化，减少制造所花费的时间，使用新的焊接工艺增加自动化和机器人的使用，在引入能够显著提高生产率或降低成本的情况下才有道理，特别是在熟练劳动力短缺的情况下。