智能化引领焊接与切割技术的发展——记2013年德国埃森焊接与切割展览会

中国兵器科学研究院宁波分院 刘红伟

2013年9月12～21日，有幸参加了2013年德国埃森焊接与切割展览会及第66届国际焊接学会年会交流活动，通过近十天的参观与交流，学到了很多东西。

一、焊接与切割展展会

由德国焊接学会主办的埃森焊接与切割展览会是世界上最大的焊接、切割类展览会之一，展出内容代表着目前世界上焊接与切割领域内最先进的焊接材料、工艺技术以及自动化设备。本届展会的内容较突出的特点是焊接自动化的飞速发展，从普通的气体保护焊到先进的搅拌摩擦焊完全可以由机器人操作，代替了传统的手工操作，灵活的机械手臂和精准的数控平台大大提高了焊接效率和质量。焊缝的自动跟踪技术保证了焊接精度，焊缝在线检测技术提高了焊接效率和质量。水刀切割较传统的热切割技术，不会产生烟尘和有害气体，完全实现绿色环保。德国的微型真空电子束焊接设备更加精巧，真空室只有人的头部大小。

1.焊割设备的数字化、自动化程度高

本届焊接展览会的一个最大看点就是焊割设备的数字化、自动化程度高，除了焊条电弧焊、氩弧焊设备，大部分焊割设备均采用了NC数控系统和人机界面，操作者可以根据不同的焊接件通过人机操作界面自由设定焊接参数或编制焊接程序，并将焊接程序储存于NC控制系统，最多可储存焊接程序上百个，实现了智能化焊接，同时再配以机器人或机械臂系统，实现全方位高效自动化焊接或切割。不但降低了劳动作业强度，大大提高了效率，同时可获得稳定、可靠的高质量焊缝，并且焊接工艺重复性、再现性好，焊接质量一致性好。

笔者与专家合影

各大厂商纷纷用尽浑身解数来吸引参观者的眼球。如ABB公司利用两个机器人协同“工作”，每个机器人末端手臂均“抓”着一个如家用电视大小的显示屏，然后共同组成一个画面。FANUC公司推出的两个机器人协同“焊接”篮球球线的展示。众所周知，篮球表面有好多球线，这些球线的走向很好地代表了目前各种复杂焊缝的形状，如马鞍形、相贯线等。这些焊缝如果仅仅使用一个焊接机器人的话，是很难实现的，而如果采用两个机器人协同工作，便很容易实现。FANUC公司很好地解决了这些问题，并且从其公司展出的内容可以看出，这些问题解决的相当漂亮。

机器人的协同运动是本届埃森展的一大亮点。传统的一台焊接机器人配备一个转台，只有8个自由度，虽然可以焊接一些形状复杂工件的复杂焊缝，但是随着产品小批量、多样化的发展，一个机器人配备一个转台已经完全不能满足要求。而两个机器人的协同运动，一共可以产生12个自由度，这样大大增加了其“柔性度”，完全可以胜任各种复杂的焊缝，如图1所示。这些技术如在兵器行业的车体、炮塔等大型结构件的焊接上推广应用，既可以实现高速高效焊接，又可以降低制造成本，大大缩短制造周期。

焊工大赛中国队获奖选手

图1 展会现场及焊接机械手

2.焊接设备的功率大型化及设备小型化

为了满足一些大厚度零部件的焊接生产需求，各种大功率焊接设备应运而生，特别是高能束焊接设备，如：激光、电子束焊接设备，随着其设备制造的关键技术瓶颈的突破，已生产出一些大功率或超大功率的焊接设备。目前大功率激光器功率可达10kW以上，已可用于组合齿轮及厚板的焊接；英国CVE的大功率电子束焊机，功率可达100kW以上，可以一次焊透380mm厚不锈钢板，同时还可应用于电子束自由成形制造技术及表面精密成形，为高能束加工技术在制造业中的应用提供了更广阔的前景。

随着技术进步，以及为了适应一些特定的精密零件焊接或便于野外作业，焊接设备不断向小型化、微型化方向发展，如图2所示。本届展会的另一大特点就是所展出的焊机已经由传统的“傻、大、笨、粗”趋于小型化和便利化。焊接及切割设备体积小、重量轻、便携，完全可以满足不同环境、不同场合的焊接需要。典型小型焊接设备有德国FOCUS生产的微型电子束焊接设备，功率2kW，真空室尺寸200mm2，整个焊接系统只有办公桌大小，可满足各种小尺寸精密零件的焊接。上海沪工系列迷你逆变电弧焊机，最小尺寸仅有185mm×75mm×140mm，重量仅有1.8kg，便于携带，极大的满足了野外作业要求。这对于大型兵器装备服役状态下的修复具有重要意义。

图2 大直径螺柱焊样品

3.特殊用途的焊接设备

日本松下生产的用于镀锌钢板焊接的MIG焊接设备，采用逆变脉冲弧焊电流技术，通过破坏焊缝表面镀锌层，可获得无飞溅、无气孔缺陷的优质焊缝；用于零件修复的带极堆焊设备，采用带板堆焊大大提高了熔敷效率，而且堆焊的质量有很大提高，如图3所示。

图3 带极堆焊样件

窄间隙焊接设备，适用于35mm以上厚板的焊接，焊接时无需开坡口，预留间隙，通过控制焊丝在预留间隙内的摆动角度实现快速填充焊接，大大地提高材料利用率以及节省焊接材料消耗。

数控万能平面水切割机（水刀），具有切割速度快、效率高、无热变形、无污染、不受材料材质限制的新型冷态切割设备，适合于任意图形、各种材料的平面切割；此外还有诸如搅拌摩擦焊、等离子弧焊、埋弧焊、螺柱焊、电阻焊、高频感应加热等一些先进的焊接技术及设备。

4.焊接辅助设备的发展

焊接过程监测及分析系统，可通过TPS传感器对刚成形、红热的焊缝作垂直的温度扫描，对焊缝垂直切面上的热能分布进行描述，从而对焊接过程的缺陷进行在线实时有效地监测确保产品的焊接质量。可以对每个产品、每个焊缝的缺陷进行在线实时的测量、检查，并对有问题的焊接进行及时报警，并对所有焊接信息进行记录、保存，还可以通过网络连接实现远程监测。SprayWatch和DPV/CPS－2000的喷涂在线监测设备在业内应用较好，其设备向更加小巧便携化发展。

焊缝跟踪和焊接过程自适应控制系统，通过激光视觉自动导找跟踪焊缝，并随时自动调整焊枪位置，以避免焊缝焊偏，可获得高质量的焊缝。

FRONIUS公司的虚拟焊接设备可为焊工培训提供直观、便捷的联系方式，不需要通过实际的焊接过程即可观测到真实的焊接现象。

5.焊接材料的发展

除了焊接设备以外，焊接材料制造企业的展出也占了很大的面积。本次展会所参展的焊接材料企业有几百家，加拿大INDALCO公司、法国SAF、瑞典的ESAB等国外知名的焊材制造企业都带来了最新产品；国内焊材制造企业如浙江宇光铝业、武汉天高、北京嘉克等公司也都拿出自己有代表性的产品参展，且得到了不同程度的关注。这说明国内的焊接材料制备技术已步入世界高端焊材的门槛，得到国外同行的认可，同时也可看出焊接材料行业的竞争程度非常激烈，我们国内的高校和研究所等科研单位在产品的研发创新方面还有更多的工作要做，如图4、图5所示。

图4 耐磨材料堆焊

图5 齿轮耐磨材料的高频焊接

二、第66届国际焊接学会年会

国际焊接学会是世界焊接届最高的国际组织，具有世界级的代表性和权威性，是进行国际交流最重要的渠道和场所。本次会议是国际焊接学会的第66届年会，于2013年9月12～17日在德国埃森举行，由德国焊接学会承办，会议主题是“焊接自动化”，来自世界上五十多个国家的专家和学者参加本次会议。会议包括国际会议和各分委会的分组会议。此次是本人第一次参加国际焊接学会的年会并且做了报告，虽然与焊接界的前辈还存在很大的差距，但论文能够被接受并作报告说明论文的质量是被认可的。此外，在会下的交流过程中认识了国内外的很多专家，国内有清华大学、上海交通大学、南京航空航天大学及航空材料研究院等的老师和专家；国外有美国焊接学会、新加坡焊接学会、乌克兰焊接学会及德国焊接学会等国的专家。他们所从事的专业及研究方向在一定程度上代表了世界上焊接技术研究的最前沿，通过与他们的交流既能了解焊接技术及工艺的发展方向，又能学到先进的科学方法。

三、国际焊工比赛

中欧国际焊接技能对抗赛是本次活动的又一项重要内容，参赛的选手熟练的焊接技术，所焊接的一块块试板简直就是一件件艺术品，很好的展现了娴熟的技术及扎实的焊接功底；飒爽的英姿展现了焊接人勇猛帅气的形象。中国选手取得了四项赛事的两个冠军，也证明了中国年轻的焊接人已可以站在国际焊接的舞台上，中国的焊接技术在国际上已占有一席之地。

通过这次参观，我不但开拓了视野，对相关专业的世界前沿技术及发展趋势有了更加直观的了解，而且也为今后的研究工作奠定了更加坚实的基础。