焊接自动化技术发展现状及未来展望

周燕阳，范 伟

（中车山东机车车辆有限公司，山东 济南 250000）

焊接自动化技术可以通过系统设备的自动调控，实现自动检测、自动调整、自动加工机械设施、相关仪表等，其本质上是一种按照预定程序执行命令而实现自动化操作的技术方法。应用焊接自动化技术的主要目标，就在于在相关生产作业中实现产量的增加、质量的提升、投入成本以及劳动强度的减少、确保安全生产等。随着时代的发展，焊接自动化技术已经成为相关行业发展必不可少的重要技术手段。

1 焊接自动化技术及设备发展现状

1.1 焊接自动化技术发展现状

随着数字技术的逐渐成熟化，作为焊接自动化代表技术的数字化焊机、数控技术等已经逐渐进入市场，并趋于稳定与成熟。近年来，我国大型工业工程、航天工程、船舶工程等基础工程的蓬勃发展推动了焊接技术，尤其是在焊接自动化技术的发展。随着时代的发展，车辆制造、零件制造等均对焊接自动技术的发展提出了推陈出新的要求。因而，我国焊接行业势必要朝着智能化、自动化以及高效化的方向发展。

当前，国内焊接界已经将焊接流程的自动化、机械化作为战略发展目标，着重推进焊接生产的自动化发展、相关流程控制的智能化发展，以及焊接生产线柔性生产技术的研发，在计算机信息技术的辅助下，相关技术的发展呈现出良好态势。一是高效化、节能化的CO2类电焊接、埋弧类电焊机的使用概率呈逐渐上升的趋势；二是对焊机参数进行高效化、节能化的自动调整，使其逐渐实现智能化并逐渐代替手弧类焊接与普通的晶闸管电焊机，且焊机操作也在朝着简捷化、智能化的方向发展；三是焊接自动化技术在诸多领域获得了普及推广，如车辆制造行业、造船行业、工程机械行业以及航空行业等，基本实现了焊接生产效果与质量的全面提升；四是焊接自动化技术已经以焊接机器人作为代表装备，其数量方面不断增加，并逐渐得到了普及推广。

当然，受到诸多因素的影响，我国焊接技术的自动化水平与发达的工业国家相比还有着不小的差距，在焊机数控化、工艺智控化、系统集成化、焊接行业集团化以及机器人焊机技术的迭代升级等诸多层面尚未真正实现均衡发展。

1.2 焊机设备发展现状

电焊机作为国民经济发展中不可或缺的设备，同时也是工业生产中所需用到的常用设备，其主要通过正负电流瞬间接触短路所产生的电弧融合焊料以及被焊材料。按输出电源种类划分，电焊机一般分为两个类别，即交流电源和直流电源。就焊机使用企业而言，其日常使用的焊机主要包括交流焊机、直流焊机、埋弧焊机、气体保护焊机（如氩弧焊、二氧化碳保护焊等）、激光焊机等，具体如表1所示。

表1 常用焊机类别及具体应用

据中国电器工业协会相关数据资料显示，自2015年以来，我国电焊机产量呈持续增长态势，而2020年H1由于受特殊公共事件影响，我国焊机产量为414.17万台，同比下降十分明显，具体如表2所示。

表2 2015-2020年H1我国电焊机产量

就各大类焊机生产的实物量与价值量对比而言，以2017-2018年为例，据中国电器工业协会相关数据资料显示，这两年实物量占比最大的是辅机具及配套件，价值量占比最大的是电弧焊机，具体如表3所示。

表3 2017-2018年我国部分焊机设备占比

2 焊接自动化技术未来的发展展望

2.1 成套焊机微机自动控制技术

焊机装备在发展过程中，需要运用到各种微机自控技术，如焊接电源的数字化控制、智能化焊接设备、全自动式专项焊接设备以及柔性化焊机人工操作站点等。在各种自动化焊机和切割装备中，微机控制体系不仅需要发挥对各项焊机参数的控制作用，还要具备自动化调整成套焊机构成部分的各项操作，以确保自动无人作业的常态进行，也即要通过微机自动控制技术实现焊机生产的数字化、智能化、自动化控制。就成套焊接设备微机自控技术的发展和完善而言，要进一步选择趋于成熟的焊机微机控制成果改造制造工艺，使其能够实现生产的批量化，产生效益以及形成规模，从而获得事半功倍的过小。具体而言，焊接电源的微机控制晶闸管具备易制造、低成本、强过载能力、方便维修等传统优势，其数控性能中除了波控性能不强以外，可以优化控制静动特点，焊接参数的编程记忆控制和适应控制，可以实现一机多元化以及多功能化，此类焊机在后续发展中，仍以TIG焊、埋弧焊等专用类或是通用类焊接设施基础构成设备。今后，如果能够通过生产的批量化实现其自身功能和可靠性的提升，焊接电源的微机控制晶闸管便能够进一步简化相关制造以及调试工作，从而更加突出其程控化、功能化以及系列化等明显优势；IGBT逆变类焊机同样在我国具有较高的研究水平，此类焊接设备外加微机控制波形后属于理想的智能焊机电源，就目前而言，此类焊机规模化生产的主要问题在于器件参数分散影响电路的稳定性，其主要解决方法是通过微机自适应的控制性能。此外，还要凭借相关科技的法阵，进一步促进高档焊机电源的高效发展，从而有力保障国家MIG焊、MAG焊、二氧化碳焊等节能化、高效化焊接方式和焊接设备的持续发展。

2.2 焊机智能化控制技术

就焊接设备而言，如硅弧焊整流器、脉冲弧焊电源、焊接变压器等，结合微机控制的焊机电源和焊接流程中的传感器，可以实现视觉追踪、熔深控制等，从而推动焊接设备的智能化发展。近年来，我国正大力发展气体保护焊焊接设备的计算机智能控制技术，如波控技术、电弧参数的模糊控制技术、脉冲焊控制技术等。通过对微机控制体系的良好运用，能够有效降低焊接自动化的作业成本，若使用可编程控制器，还可以对已有焊机或焊机生产线进行改造，使其成为可以控制逻辑顺序的自动成套焊机。此时，如果对微机控制焊机电源等相关技术结合使用，就能够实现对焊接流程的智能化控制功能。就当下而言，焊接流程的智能化控制体系仍是焊接自动化中的关键问题，而在焊接设备控制中引入更加先进的自动化技术，如焊接流程模糊控制体系、神经网控制体系以及专家体系等，可以进一步推动焊接设备智控体系的发展和完善。

2.3 焊接设备集成化制造体系

CIMS（Computer/contemporary Integrated Manufacturing Systems，计算机/现代集成制造系统）技术目前正处于不断发展和完善态势，将CIMS技术应用到焊接结构的生产当中，能够以焊接机器人作为核心，在保证数控焊机以及工艺装备等相关技术的前提下，可以建成集物资流、信息流一体化的集成制造体系。在焊接结构的生产过程中，CIMS能够集装配、下料、焊接等一体化焊接结构为生产核心，可以保证焊接实现真正的精准度较高、全自动以及现代化革命，是焊接设备未来迭代升级的必然的发展方向。近年来，随着计算机软硬件水平的不断提升，我们可以利用计算机CAD软件，按照其图形库当中的焊缝空间部位实现提前离线编程，在将焊接参数控制传感设备得到的数值通过计算机处理后，就可以实现对焊接电源、焊枪空间部位、送丝机构等的合理调整。当然，对于CIMS焊接技术的开展是要分层次进行的，一方面，要进一步强化系统中基层设备的智能化与自动化研究，同时进一步简化工程设计系统以及管理系统与计算机控制等上层系统的操作流程；另一方面，要进一步关注系统中的信息流与物资流，最大化地减少对于信息量与适时控制的要求，重视系统运转过程中操作人员的主观能动作用，综合人与自动化系统的各自优点，切实发挥出系统识别出现状况时工作人员的判断力与人工干预能力。在焊接设备的生产过程中，CIMS技术能够保证在无人操作焊接流程的同时，实现作业效果的大幅提升，而对于必须有人工参与的环节，也可以呈现出计算机系统与焊接专家以及焊接机器人的紧密结合。当下，我国经济社会飞速发展，焊接市场也瞬息万变，各生产企业都面临着巨大的竞争压力，无论是对于经验不足的技术人员，还是操作熟练的老员工而言，焊接CIMS技术的发展都是整个焊接产业的发展方向之一。当然，我们也要注意到完整化的焊接CIMS技术的构建所需要的巨大的资金成本投入，从企业角度而言，可以采用分阶段、分层次开展的举措，以减轻成本压力。

3 结语

就目前而言，我国焊接领域与经济社会的发展形势基本保持一致，已经进入到了平稳增长时期，而面对日益复杂的国内外经济环境，相关生产企业也要有意识的转变经营理念，要通过理性思维和创造性思维，坚持走创新驱动的发展道路，脚踏实地做好焊接自动化技术的研究工作。可以预见的是，在我国经济社会不断发展、且对于自主科研能力不断重视的当下，只要对先进的计算机技术、制造技术等的发展的保持高度关注并坚持自主研发，在尖端科学技术不断发展的良好态势下，我国焊接自动化技术必然会得到进一步发展和突破。