数字化焊接技术发展趋势分析

方志坚 张栋 胥文彪 李峰

中核工程咨询有限公司 北京 100071

随着汽车市场的快速发展，对生产效率及生产质量的要求不断提高，以工业机器人为主体的自动化设备被迅速推广应用到焊接生产线中，不仅能够更好地适应三维空间焊点的可达及焊缝轨迹的变化，保证了焊接接头质量的稳定性和一致性，从而保证了焊接结构件的安全性和可靠性，同时对车间现场孤光、高温及粉尘等作业环境也能更好适应。因此，机器人等自动化设备的投入使用对车间生产的高度柔性生产亦有极大提升，增强了生产系统对新产品的适应能力。而数字化技术的融入，必将进一步提升汽车制造业的发展进步。所谓数字化技术，即以计算机软硬件为主体技术手段，以信息的离散化表达、传递、处理、存储以及执行等信息科学理论方法为基础的集成技术。数字化焊接技术在此基础上发展起来，将数值计算、数值分析和实时控制等数字处理及微机控制的基本功能融入焊接过程及焊接工艺，进而实现数字化焊接。数字化焊接技术的应用推广，将有利于提升焊接过程和焊接质量的稳定性，有效控制飞溅等产生。而随着视觉技术、人工智能技术等新兴学科与机器人技术的进一步融合，必将促使焊接技术向着实现焊接过程的数据化、焊接质量智能化的方向发展，以达到较好的柔性和监控效果。

1 数字化焊接技术的发展趋势

所谓数字化技术，一般是指以计算机硬件及软件、接口设备、协议和网络为技术手段，以信息的离散化表述、传感、传递、处理、存储、执行和集成等信息科学理论及方法为基础的集成技术。数字化作为信息化的核心，主要包括设计数字化、仿真试验数字化、制造技术和制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化、企业数字化等;数字化技术是以计算机软硬件、周边设备、协议和网络为基础的信息离散化表述、感知、传递、存贮、处理和联网的集成技术。其具体应用包括数字化制造与数字化产品两方面，即将数字化技术用于支持产品生命周期的制造活动和企业的全局优化运作就是数字化制造技术;将数字化技术注人工业产品就形成了数字化产品。数字化制造技术是在制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和的背景下，在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等技术的支持下根据用户的需求，迅速对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出用户所需要产品的整个过程[1]。

2 数字化焊接技术研究

2.1 焊接模拟仿真技术

焊接数值模拟技术主要是借助基本物理特征量的描述来机械能焊接过程的模拟和求解，数值方法计算后可对焊接过程进行全面的定量分析处理。数值模拟、仿真处理、人工智能的结合对工艺参数的制定和优化起到了保障性功效，对工艺方案的制定、加工过程的预测、缺陷问题的防止等起到了积极影响，对保障工件品质起到了促进作用。借助该技术还可进行当下实验室内无法解决问题的分析和研究。新时期，数值模拟技术已经逐渐渗透到各个方面，包括熔池形态、传热特性、变形预测等。同时焊接接头的组织性能、力学性能等也有了较大进步，尤其是组织模拟方面逐步引入了新技术，包括蒙特卡洛法，模拟效果良好[2]。

2.2 焊接专家系统

所谓专家系统通过汇总某一领域内众多专家的经验和理论，进而模仿专家的推理判断方法，针对该领域的复杂问题进行分析解决的计算机软件系统。专家系统的应用，能够有效减少决策时间，同时提高决策的准确性。焊接专家系统在焊接数据库的基础上，收集众多焊接规范及实践成功经验，如焊接方法、焊接参数（电流、电压及板厚）、坡口形状、送丝速度等。通过焊接专家系统，普通操作者只需要输入其中几项参数就能获取到最佳的焊接参数设计，进而将参数自动下达到焊接控制器进行焊接操作。目前，汽车制造行业常用的几种焊接专家系统主要如下：①焊接工艺专家系统。能够根据输入的焊接条件（如被焊接材料类型、焊接工艺方法、焊接接头形式等）进行焊接工艺设计及焊接参数优化。②焊接缺陷诊断专家系统。能够通过焊接的缺陷特征或者针对已经检测出的焊接缺陷，快速判断缺陷类型和成因分析。③焊接过程控制专家系统。主要根据焊接过程检测装置，对焊接位置偏差的检测、对焊接熔透情况的检测、对焊接变形的检测等，进行实时焊接工艺和焊接装置调整的专用系统。④焊接机器人专家系统。主要根据焊接机器人的特点，与焊接检测装置和焊接专家系统结合使用，实现专家系统对焊接机器人的智能控制[3]。

2.3 数字化的焊接设备

21世纪制造业趋于全球化、网络化、集成化、虚拟化、异地化、数字化，计算机、信息技术的快速发展将促进制造领域逐渐与其融合，焊接作为制造领域中重要的材料加工和结构生产力，也正在与信息技术紧密结合，由于焊接过程的多变性和复杂性，利用数字化技术，使焊接设备从简单的机电产品变成一种精密加工仪器，将是焊接设备发展方向。数字化焊接设备有两个概念：一是指采用数字量控制的焊接电源;二是指带有智能控制系统的焊接设备，如焊接机器人等(其电源不一定是数字电源)。建立数字化焊接生产线，既需要数字化焊接电源，又需要智能化控制系统。随着信息化技术的进步及广泛应用，“数字化”的概念越来越清晰地呈现在人们面前。

3 结语

数字化焊接技术包括焊接工艺、质量控制、生产管理等几大方面，主要应用技术包括传感技术、建模技术、控制技术等；可实现装配单元的智能化、仿真化、模拟化控制，对焊接工艺自动化处理、车间焊接网络化、工艺信息数字化、焊接管理无纸化等起到了积极影响，是未来焊接数字化发展的主要模式。