自动化焊接技术的研究与思考

张广浩 王博 赵思源

摘 要：近年来我国信息化、自动化飞速发展，制造业的跨越式发展。石油化工等行业无不在装备、设备、设施、生产过程上采用自动化、智能化、信息化技术。在降本增效大环境下，传统工厂的人工生产模式，以模块化项目节点预制为例，返修率较高，耗材多，人工时多，所以选择合适的方法实行创新，提高焊接质量，提高效率，减少返修，显得尤为重要。因此深入研究不同自动化生产设备智能应用，基于LNG模块化标准的功能块机理设计，创新研究所设计的新型生产设备，其省时省力，既降低了工人的劳动强度，又提高了劳动生产率。

关键词：自动化;焊接;技术

引言

随着我国制造业转型升级，焊接自动化技术逐步成熟，与发达国家之间的差距逐渐缩小，我国焊接自动化逐步向智能化、集成化、柔性化和环保化发展，积极响应了我国节能减排战略目标。制造企业要积极研发焊接自动化机器人，实现标准化、流水线操作，在保证焊接精度和美观度基础上，提升焊接环节工作效率;积极更新自动化控制技术，运用PLC系统和虚拟仿真系统开展操作，满足不同标准焊接要求;促进人工智能技术和焊机自动化技术融合，运用传感、AI监测等对焊机过程进行监督，保证焊机自动化加工质量，全面提升焊接自动化技术质量和安全性。

1自动化焊接技术难点

1.1焊接变形问题

熔焊焊缝及热影响区域存在较大的残余应力。残余应力如果都集中在焊缝附近，当焊接残余应力与承载的工作应力叠加，其数值超过材料的屈服极限时，工件就会在焊缝附近产生焊接变形、断裂等现象。人工焊接过程中可以通过调整焊接顺序、采用特殊焊接工艺等手段避免或者减小焊接变形。

1.2焊接母材、焊道误差

针对钢结构，通常厚板用自动火焰切割、自动等离子弧切割，薄板用激光切割，在下料环节就产生一定的误差。拼装铆焊环节，都是人工借助工装进行拼接铆焊，精度很难保证。被焊母材自身的形状公差与相互之间位置公差的累计会造成：

（1）相同类型的焊缝，焊道宽度不统一，通过焊接机器人自动化焊接会使窄焊缝焊接相对比较饱满，宽焊缝产生凹坑;

（2）同一条焊缝不同位置焊道宽度不同，通过焊接机器人焊接会使同一条焊缝中有的地方饱满，有的地方缺焊。

目前很多工厂为了实现自动化焊接，且保证焊缝外观美观都要进行焊后加工，将焊缝削平，这样就额外增加了机加工，整体生产的人工成本没有降低，失去了自动化焊接的实际意义。

2自动化焊接技术实际应用

2.1金属粉芯焊接新工艺

现阶段的工艺，打底只有手把焊条打底，焊条接头区域是点状缺陷产生的最主要原因，因此，减少焊接接头的数量是控制缺陷的最基本方法。金属粉芯焊接新工艺采用焊丝打底，减少接头数量，可有效解决这个问题。在国内项目已应用到局部区域，LNG项目的节点预制试验证明满足质量要求。金属粉芯焊丝打底工艺优势：（1）焊接质量有了质的提升。在相同工况下进行焊接缺陷对比。手把打底缺陷长度为500mm，金属粉芯打底缺陷长度小于50mm。（2）焊接速度提升。金属粉芯打底的速度为手把打底的3倍。

2.2焊缝跟踪技术

焊缝跟踪是最能体现一个焊接系统智能程度的部分，因此在这一环节中，各种人工智能技术的应用也是最多的。焊缝跟踪时，首先需要选取一个物理量作为被控制量，例如焊枪尖部图像、熔池图像等;其次需要确定获取被控质量的手段和研究方法，例如最常用的通过视觉方法，通过CCD摄像机获取枪尖和熔池图像;最终，將被控质量信息发回控制器，进行数据处理运算，实现焊缝的自动跟踪，完成焊接自动化进程。而实现过程中所需要使用的算法和技巧正是目前所研究的热点。

2.3智能工艺焊接系统

智能工艺焊接系统由多个焊接单元、焊接控制系统、焊接工艺数据库、辅助动作执行机构组成。每个独立的焊接单元由焊缝自动跟踪系统与焊接机器人组成，能够根据指令独立完成焊接工作。焊接控制系统是整个系统的控制中枢，能够接受外界命令并控制执行、接受焊道信息，匹配相应的焊接工艺参数，根据焊道变化作出相应的工艺参数修改，以及针对不同的焊接结构指派不同的焊接单元进行焊接。焊接工艺数据库是整个系统的知识来源，是焊接控制系统作出相应判断的依据。辅助动作由焊件翻转、转位等机构执行。智能工艺焊接系统，各部分协作共同完成焊接任务，需要相互之间密切合作。

（1）解读图样信息

解读电子图样，确定各条焊道类型、母材材质、母材厚度、结构特点、尺寸位置等相关信息。

（2）焊接工艺规划

根据解读图样信息，调用焊接工艺数据库数据自行选择设定焊材、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接方式、焊接顺序等相关工艺参数。

（3）焊接单元实施焊接

焊接机器人在进行自动化焊接时，需要提取焊接接头特征信息，目的是为了在焊前寻找定位接头，在焊接过程中调整焊枪运动位姿和控制焊接参数。激光视觉传感器通过结构光投射到焊缝表面，调制出包含焊缝轮廓信息的条纹，采用图像处理的方法从中可以提取出有用的焊缝特征信息。焊接控制系统控制相关焊接单元进行施焊，焊接过程中随时采集焊道变化信息，及时反馈并对相应的焊接参数进行调整。最后对焊缝进行外观检测，对不合格的焊接位置进行标记并返修处理。

（4）辅助运动执行机构动作

当前焊缝焊接完成或者工艺需求焊接顺序调整等需要对焊件进行反转或者转移，这个动作需要辅助运动执行机构完成。

（5）检查焊接进度

检查当前焊接进度，检查焊接件焊缝焊接进度，是否焊接完成、有无遗漏焊缝，如有遗漏及时补充焊接，直至所有焊缝焊接完成。

2.4焊接机器人

制造企业要积极研发焊接机器人工作站以及混合生产线，全面普及焊机自动化技术，逐步打造“无人焊接车间”。焊接机器人是焊机自动化技术研发重点，企业可以加快研发机器人控制系统、焊枪、机器人末端执行器、示教器以及视频识别系统等一体化工作站，技术人员可以在操作台进行远程操作，通过视频识别系统观察焊接作业进展。末端执行器是焊机机器人研发难点，技术人员要根据不同焊接工艺要求安装不同的夹具和机械臂，方便旋转或移动加工工件，确保对准焊接点，保证焊接点的准确性和稳定性，例如在焊接电子控制系统面板时，需要换上小型号夹具，控制好面板，再利用机械臂把相应零部件焊接在对应位置，技术人员通过设定翻转程序来控制面板移动，确保所有零部件都焊接在触点上。

结语

创新意识在建造生产中是很重要的。从节点预制来看，技术新方法的应用对于特殊节点或特殊结构形式建造效率提高，质量提升都有很大的好处，降低安全风险，节能减排，降低生产成本，符合公司现阶段降本增效的大环境。通过应用新工艺、新设备，提高了焊接质量和生产效率，降低了成本及工作强度，减少了浪费，达到环保无污染要求，最终达到自动化生产的目标。与此同时，在现有技术的基础上，改善或进一步提高，实现信息化和自动化的结合，并早日智能化工厂的建设，才能更进一步提高效率。

参考文献

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