数字化焊接设备的应用现状与展望

李明元，王立伟

（1.中国电建集团河北工程有限公司，河北 石家庄 050021；2.河北科技大学，河北 石家庄 050018；3.河北省大型电站机炉安装技术创新中心（筹），河北 石家庄 050021）

数字化已经成为焊接设备的主流发展方向，这一点是毋庸置疑的，但数字化只是一个承载人类知识的载体，其本身并不具备任何智能。同理，数字化焊接设备本身也并不能改善机器的焊接水平，但它提供了一个平台，让提高焊接技术这一目标变得更容易实现。因此，要想充分发挥出数字化焊接设备的优势与价值，还需要多种焊接工艺与焊接技术的配合。

1 数字化焊接设备概述

“数字化”指的是在逆变焊机与数字控制技术的基础上，以数字信号处理器（DSP）为核心设备，用0/1编码的数字信号将传统的模拟信号取而代之，最终获得集网络化、人性化、精密化、高效化与绿色化于一体的新型焊接设备。数字化焊机使冷却装置、人工交互、电源、工装、机器人、焊枪、送丝机的互动更加方便。全数字化焊机囊括了焊机面板、焊机电源以及送丝机的数字化，焊接电源及其与焊接工艺过程的互动全部引入了数字化控制系统，最突出的特点是焊机的内部设置了“焊接专家系统与数据库”，操作人员通过一元化操作便可能获得准确、可靠的工艺参数，充分保障了焊接质量，彰显出数字化焊机的核心价值。全数字化焊机还具有一系列拓展功能，比如远程控制软件升级、远程诊断故障、在线记录焊接参数、远程修复故障等。而且数字化焊机的电源具有良好的控制精度与接口兼容性，为数字化焊接技术水平的提升创造了有利条件。

2 数字化焊接设备的应用现状分析

2.1 进一步优化焊机行业产品结构

2.1.1 焊接电源的逆变化

传统焊机制造行业所面临的压力，很大一部分来自于持续上涨的金属材料价格，要想尽快适应市场发展，就必须优化和调整焊机结构，而逆变焊机制造商则成为产品结构调整的最大赢家。在以内销为主，同时销售额达到亿元以上的焊机企业中，大部分企业都是凭借逆变焊机在技术和价格上的优势占据市场的。逆变焊机之所以在短短数年内便获得了飞速发展，一方面是因为成熟、完善的技术，另一方面则是相比传统焊机更为优惠的价格。在市场经济体制下，价格永远是最具优势的调节杠杆，在功率相同的焊机中，逆变焊机花费的材料成本远低于传统晶闸管焊机，在低端产品中，其价格甚至能够和交流焊机比拼。在价格优势的前提下，逆变焊机还具备传统焊机所没有的技术优势，极大地促进了焊机行业从传统电器行业向超电子行业的转变。这种转变从其他方面也能感受到，比如电力电子器件行业对功率半导体器件在焊机中的应用格外关注，而且将焊机行业纳入了重点服务范畴，并研发出了符合焊机特点的产品。

如今，焊机企业需要考虑的不是是否做逆变，而是如何做逆变。从电路拓扑结构的角度来看，单端正激、半桥和全桥都有所应用。其中单端正激在功率较小的焊机中具有突出的成本优势，而且性能可靠；全桥可应用于所有功率的焊机；而半桥则是介于全桥和单端正激之间。从功率器件方面来看，IGBT和MOSFET各有其优势，但需要区分模块和单管。MOSFET单管在功率较小的焊机中应用广泛，优势是成本低、体积小、高频率。大功率焊机中通常应用IGBT模块，高性能的中/小功率焊机中，MOSFET模块的应用较多。与单管相比，模块价格偏高，MOSFET模块的价格高于IGBT模块，但IGBT模块所具备的高频性能却是其他模块无法替代的。

2.1.2 气体保护焊机的比例显著提高

近年来，我国的钢材产量不断上升，制造业飞速发展，对焊接设备和技术的需求也越来越大。手工电弧焊接显然已经无法满足社会生产与发展的需要，更加高效、低成本的气体保护焊机成为首选设备。调查显示：国内总焊机销售量中，气体保护焊机占有1/4，而且仍有上升趋势。目前，气体保护焊机已经成为焊机行业技术竞争的热门，除了逆变技术之外，还有数字化控制与电子电抗器控制的一元化调节、脉冲MIG等尖端技术。由此可见，我国焊机行业已经逐步迈向高端市场，且技术水平正在以突飞猛进的速度发展。

2.2焊接装备单元级的数字化技术

2.2.1 熔池视觉技术

优秀的焊工通过观察熔池形貌的变化特点来调整焊枪姿态，最终达到提高焊缝焊接质量的目的。这从侧面反映出熔池的视觉形貌与焊接质量密切相关。有学者为了克服飞溅、弧光对熔池传感造成的影响，使用脉冲激光器对熔池进行照射，经窄滤光的CCD获得清晰度良好的熔池图像，以此来控制焊缝的成形。另有学者利用CCD视觉检测技术采集PMIG焊熔池，并对熔池的二维几何信息进行提取。还有学者利用传感技术采集了铝合金的TIG焊熔池，利用焊熔池的亮度差来检测熔池的边缘，增强了熔池边缘的稳定性，通过椭圆逼近法获得熔池的长度、宽度与面积。此外，还可以通过阴影恢复形状法、结构光三维视觉法、双目立体视觉法来对熔池的三维图像进行重建。利用阴影恢复技术获得熔池的三维形貌，然后借助线性化近似求解极大地简化了计算流程，提高了处理速度。国外学者采用双目立体视觉法恢复了GMAW管道焊接熔池，熔池恢复后，表面的凹凸感十分明显，细节更加丰富，与熔池的真实形貌高度吻合。也有学者提出：利用三维视觉法检测熔池信息，用波长为337 nm、瞬时功率为50 kW的脉冲激光来照射熔池，与此同时使用摄像机拍摄，获取的熔池表面反射图像十分清晰，最后利用图像处理技术提取出结构光激光条纹的栅格轮廓，然后计算得出熔池表面的三维信息。

2.2.2 焊缝跟踪技术

在实际工作中，工件在加工、装备时会出现尺寸误差、受热变形等问题，所以焊接条件也会随之发生改变，导致接头位置偏离了原先设计好的路径，严重影响焊接质量，甚至会造成焊接失败。因此，需要借助精准的焊接跟踪技术来为焊接质量提供保障。近年来，焊缝跟踪系统中应用了模糊数学与神经网络，标志着这一技术已经步入智能化跟踪时代。

清华大学以激光传感为基础，研发出一种焊缝轨迹跟踪系统。在机器人末端安装摄像机构，形成反馈控制系统，然后通过计算得出焊缝线，再采用立体视觉技术获得焊缝线的空间位置，最终得出焊缝轨迹的三维信息，纠正焊缝误差。试验结果显示：三维跟踪过程中，X、Y、Z的方向误差均＜0.3 mm，说明控制效果理想。

2.3焊接工艺的数字化技术

2.3.1 自动化设计系统

西方发达国家先后针对焊接材料、母材、工艺条件、焊接方法、厚度范围、坡口形状等焊接数据库系统展开研究，目前已经完成的数据库系统见表1。

表1 西方国家完成的数据库系统

我国从上世纪90年代开始相关研究，研究方向主要为工艺自动化设计、工艺评定数据库、材料定额等，详见表2。

表2 国内焊接数据库系统

2.3.2 机器人焊接智能规划技术

焊接机器人的离线编程技术已经从传统的以图形为基础的屏幕显示朝着智能编程的方向发展。离线编程主要解决的是焊接路径、焊接参数、焊接任务以及焊枪姿态的规划。CDA建模与视觉系统很容易就能实现路径规划，还能进行无碰撞的校正。根据焊接位置与工件条件可规划焊枪姿态，自动设计出最理想的焊枪位姿，以提高焊缝的焊接质量。焊接工艺的规划主要依赖于焊接CAPP系统完成，核心是如何集成CAD、CAPP与离线编程系统。法国的Institur De Soudure等单位共同研发了名为“ACT WELD”的机器人焊接离线编程软件，可以通过自动编程来获得机器人程序，同时还支持焊件的参数化装配，实现了焊缝跟踪与自适应传感器的同步应用。南京理工大学研发了MotoMan机器人的离线编程与仿真系统，完成了轨迹路径与姿态规划、焊接工艺参数的设计以及焊缝几何信息的提取。还有学者采用单参数动态搜索算法（SPD）设计出机器人焊接参数规划器，从实际应用效果来看，比BP算法更有优势。

3 数字化焊接设备的发展方向

3.1 焊机与工艺

立足于中国国情，焊机应该向高效、节能、自动、环保的方向发展，可考虑已经实现了网络化管理的电路焊机，为数字化焊接技术与机器人控制技术奠定良好基础。焊接工艺还需要进一步沉淀与完善，积极借鉴国外先进的焊接工艺，综合考虑焊接的一键操作、焊机自动适应各种环境等问题，从根本上提高焊接品质、焊接效率以及焊接的自动化程度。

3.2 自动化与智能化

随着经济、科技的飞速发展，对焊接自动化、智能化的需求不断提高，在焊接工艺中引入高端技术已经势在必行，同时还要提高焊接工艺与装备自动化、智能化的发展速度，加大产品的推广力度。笔者认为可以从三方面着手：一是小型机器人焊接；二是为特定行业提供非标准化焊接定制服务；三是大型自动化焊接设备与生产线。

3.3 人才与制度

积极引入焊接专业技术人才与管理人才，加快新技术、新产品、新工艺的研究速度。充分发挥高等院校的优势开展人才培训，让高等院校成为数字化焊接设备与技术的发源地，向社会源源不断地输送专业人才。紧跟国际行业标准，加快制度建设，及时淘汰和更新设备，提高国内焊接设备的标准与利用率。除此之外，焊接设备技术并不是独立存在的，而是一个系统的产业链，因此还要兼顾上游与下游的发展，从整体上促进焊接设备产业链的可持续性发展。

4 结束语

综上所述，新时期下，数字化焊接设备与智能化技术正在飞速发展，但也存在许多亟待解决的问题。焊接是非线性的复杂过程，因此需要不断完善视觉传感与焊接控制算法，与此同时，遥控焊接、智能化控制、多传感器信息融合也会成为焊接行业未来的发展方向。