来源： 发布时间：2014-7-31
随着制造业的高速发展，传统的手工焊已不能满足现代高科技产品制造的质量、数量要求、现代焊接加工正在向着机械化、自动化的方向发展。电子技术、计算机技术以及机器人技术的发展，为焊接自动化提供了十分有利的基础。近年来，焊接自动化在实际工程中的应用取得了迅速发展，已成为先进制造技术的重要组成部分。本文主要介绍自动化焊接技术及其发展的概况与前景。
1.自动化焊接技术
1.1自动化焊接的概念
自动化焊接主要指焊接生产过程的自动化。它是一个综合性的焊接与工艺问题，其主要任务是：在采用先进的焊接、检验和装配工艺过程的基础上，建立不需要人直接参与焊接过程的焊接加工方法和工艺法案，以及焊接机械设备和焊接系统的结构与配置。焊接自动化的核心是实现没有人直接参与的自动焊接过程。
自动化焊接有两方面的含义：一是焊接工序的自动化，二是焊接生产的自动化。焊接生产的自动化是指焊接产品的生产过程，包括从备料、切割、装配、焊接、检验等工序组成的焊接生产全过程的自动化。只有实现了焊接生产全过程的自动化，才能得到稳定的焊接质量和均衡的焊接生产节奏以及较高的焊接生产率。而单一焊接工序的自动化是焊接生产自动化的基础。
1.2自动化焊接的主要设备及特点
焊接生产过程的自动化和机械化的关键工序:第一,全部使用自动控制装置和机械装置来实现来替代焊接作业的手工操作;第二,物流、机械手及变位机械来完成将焊件的搬运和位移采用;第三,完成焊接作业将会采用较高的生产节拍和高效的焊接方法进行;第四,通过精确的自动控制和准确的机械动作,进而来确保持持续的稳定的焊接质量。按照目前世界发达国家的焊接装备水平,可将其概括为如下几个特点:
1)标准化、通用化、系列化
对于大批量生产的典型常用接头形式,如板材接缝、筒体环缝、圆筒环缝、管对接和管子管板接头等,现在已经开发出相对应的的标准型自动化焊接专机,这种焊接机械具有焊接效率高、质量稳定的优点。在经过多年产品研发积累,固得公司终于开发出了300~3000mm的纵缝焊、工件回转环形焊机、卧式单枪(双枪)环缝焊、三轴数控焊接机床和焊枪回转环形焊机等等。
2)多功能化
其为充分发挥大型自动化焊接设备的效率创造了有利条件已将其设计成适用于多种焊接方法和焊接工艺。如单丝、双丝、MIG/MAG-TIG等离子弧焊、多丝埋弧焊。
3)智能化控制和自适应
焊接过程的全自动控制比传统的金属切削加工要复杂得多。全自动控制必须考虑焊件接缝装配间隙误差,几何形状的偏差以及焊件在焊接过程中的热变形。所以我们需要采用各种自适应控制系统和传感器技术。
4)组合化和大型化
对于大型、中型焊接结构生产过程的自动化,已研制成功各种大型自动化焊接设备。如中重型厚壁容器焊接中心、机床车厢总装焊接中心、集装箱外壳整体焊接中心等等。
5)高质量、高精度、高可靠性
焊接机器人和精密焊接操作向高精度、高质量发展,行走机构的定位精度为0.1,移动速度的控制精度为0.1,与焊接机器人配套的焊接变位机的最高的重复走位精度为0.05。固得公司已经研发出来的摩托车的车架机器人工作站,以高质量的、高水平广泛应用于江门大长江、重庆建设中。
1.3自动化焊接系统
自动化焊接就是用焊接机械装置来代替人进行焊接。典型的机器人自动化焊接系统主要由如下部分构成：机器人、变位机、各种传感器、控制器、自动焊机（包括焊接电源、焊枪等）等。其基本构成单元是：机械装置、执行装置、能源、传感器、控制器和自动焊机。
1）机械装置
机械装置是能够实现某种运动的机构，配合自动焊机进行焊接加工装置，如机器人、变位机、悬臂操作机等。
2）执行装置
执行装置是驱动机械装置运动的电动机或液压、气动装置等。
3)能源
能源是驱动电动机的电源等。
4）传感器
传感器是检测机械运动、焊接参数、焊接质量的传感器。
5）控制器
控制器主要是用于机械运动控制的计算机、单片机、可编程控制器以及电子控制系统。
6）自动焊机
自动焊机包括焊接电源、送丝机、焊枪等。它是一个独立的焊接系统 。
1.4 自动化焊接的关键技术
自动化焊接技术是将电子技术、计算机技术、传感技术、现代控制技术引入到焊接机械运动的控制中，也就是利用传感器检测焊接过程的焊接运动，将监测信息输入控制器，通过信号处理，得到能够实现预期运动的控制信号，由此来控制执行装置，实现焊接自动化。焊接自动化的关键技术主要包括：机械技术、传感技术、伺服传动技术、自动控制技术和系统技术等。
1） 机械技术
机械技术就是关于焊接机械的机构以及利用这些机构传递运动的技术。在焊接自动化中，焊接机械装置主要由焊接工装夹具、焊接变位机、焊接操作机、焊接工件输送装置以及焊接机器人等。焊接机械技术就是根据焊接工件结构特点、焊接工艺过程的要求应用经典的机械理论与工艺，借助于计算机辅助技术，设计并制造出先进、合理的焊接装置，实现自动焊接过程中的机构运动。
2）传感技术
传感技术是自动化系统的感受器官。传感与检测是实现闭环自动控制、自动调节的关键环节。传感器的功能越强，系统的自动化程度就越高。焊接自动化中的传感器有很多种，有关机械运动量的传感器主要有位移、位置、速度、角度等传感器。
3）伺服传动技术
执行装置的控制技术称为伺服传动技术。伺服传动技术对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。
4）自动控制技术
焊接自动化中的自动控制技术主要指：基本控制理论；在控制理论指导下，根据焊接工艺和质量的要求，对具体的控制装置或系统进行设计；设计后的系统仿真、现场调试；最终使研制的系统可靠地投入焊接工程应用。
5）系统技术
系统技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术。从系统的目标出发将整个焊接自动化系统分解成若干个相互关联的功能单元。以功能单元为子系统进一步分解，生成功能更为单一的子功能单元，逐层分解，直到最基本的功能单元。以基本功能单元为基础，实现系统需要的各个功能设计。
2.自动化焊接的发展现状及前景展望
2.1自动化焊接的发展现状
目前我国的焊接自动化率还不足30%，同发达工业国家的近80%相比差距甚远。可以预计在未来的10年内，国内自动化焊接技术的水平将以前所未有的速度发展。
随着数字化技术日益成熟，代表自动化焊接技术的数字焊机、数字化控制技术业已面世并已稳步地进入市场。三峡工程、西气东输工程、航天工程、船舶工程等国家大型基础工程,有力地促进了先进焊接工艺特别是焊接自动化技术的发展与进步。汽车及零部件的制造对焊接的自动化程度要求日新月异。我国焊接产业逐步走向“高效、自动化、智能化”。目前我国的焊接自动化率还不足30%，同发达工业国家的近80%差距甚远。从20世纪末国家逐渐在各个行业推广自动焊的基础焊接方式——气体保护焊，来取代传统的手工电弧焊，现已初见成效。可以预计在未来的10年，国内自动化焊接技术将以前所未有的速度发展。20世纪90年代以来，我国焊接界把实现焊接过程的机械化、自动化作为战略目标，已经在各行业的科技发展中付诸实施，在发展焊接生产自动化和过程控制智能化，研究和开发焊接生产线及柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造技术等方面，取得了长足的进步。高效、节能并能够自动调节焊接参数的智能型逆变焊机将逐渐取代手弧焊机和普通晶闸管焊机，而且焊机的操作趋向于简单化、智能化，以符合当今淡化操作技能的趋势。在汽车、造船、工程机械和航空航天等领域，适用于不同场合的智能化焊接机器人较为广泛的应用，大幅度提高了焊接质量和生产效率。在我国，目前汽车、船舶、管建、家电等行业焊接自动化的发展相对来说较好，到2005年，船厂的高效率焊接要达到80％以上，其中二氧化碳焊接应用率达到55％，焊接机械化率、自动化率要达到70％左右。
国外如欧美、日本等发达国家早在20世纪80年代便在石油、化工、造船、建筑、电力、汽车、机械等行业采用数字控制的小车式自动气保焊机，代替人工进行焊接生产。近年来，国内几家企业开发了几种类似的自动焊接小车，但在结构和功能上均属低端产品，在数字控制、焊接参数预置和专家系统自动调用等方面均为空白。成都焊研科技有限责任公司把开发适合和满足我国工业企业焊接生产要求的高端自动焊接设备作为己任，在吸收和借鉴国外先进、成熟技术基础之上，经过近两年的研制工作，代表自主知识产权的第一代数控小车式自动焊机样机在成都焊研科技有限责任公司问世。该焊机具有携带方便、安装简单、操控灵活、智能化程度高等特点，通过微机控制的多种焊接模式和专家程序，可在不同焊接位置满足多种焊接工艺要求焊缝的焊接。
2.2自动化焊接的前景展望
电子技术、计算机微电子信息和自动化技术的发展，推动了焊接自动化技术的发展。特别是数控技术、柔性制造技术和信息处理技术等单元技术的引入，促进了焊接自动化技术革命性的发展。
(1)焊接过程控制系统的智能化是焊接自动化的核心问题之一，也是我们未来开展研究的重要方向。我们应开展最佳控制方法方面的研究，包括线性和各种非线性控制。最具代表性的是焊接过程的模糊控制、神经网络控制，以及专家系统的研究。
(2)焊接柔性化技术也是我们着力研究的内容。在未来的研究中，我们将各种光、机、电技术与焊接技术有机结合，以实现焊接的精确化和柔性化。用微电子技术改造传统焊接工艺装备，是提高焊接自动化水平的根本途径。将数控技术配以各类焊接机械设备，以提高其柔性化水平和质量控制水平，是我们当前的一个研究方向；另外，焊接机器人与专家系统的结合，实现自动路径规划、自动校正轨迹、自动控制熔深等功能，是我们近期研究的重点。
(3)焊接控制系统的集成是人与技术的集成和焊接技术与信息技术的集成。集成系统中信息流和物质流是其重要的组成部分，促进其有机地结合，可大大降低信息量和实时控制的要求。注意发挥人在控制和临机处理的响应和判断力，建立人机对话的友好界面，使人和自动系统和谐统一，是集成系统的不可低估的因素。
(4)提高焊接电源的可靠性、质量稳定性和可控性，以及优良的动感特性，也是我们着重研究的课题。应开发研制具有调节电弧运动、送丝和焊枪姿态，能探测焊缝坡口形状、温度场、熔池状态、熔透情况，适时提供焊接规范参数的高性能焊机，并应积极开发焊接过程的计算机模拟技术。总之，使焊接技术由“技艺”向“科学”演变，是实现焊接自动化的一个重要方面。
本世纪的头二十年，将是焊接行业飞速发展的有利时期。我们广大焊接工作者任重而道远，务必树立知难而上的决心，抓住机遇，为我国焊接自动化水平的提高而努力奋斗。
1.自动化焊接技术
1.1自动化焊接的概念
自动化焊接主要指焊接生产过程的自动化。它是一个综合性的焊接与工艺问题，其主要任务是：在采用先进的焊接、检验和装配工艺过程的基础上，建立不需要人直接参与焊接过程的焊接加工方法和工艺法案，以及焊接机械设备和焊接系统的结构与配置。焊接自动化的核心是实现没有人直接参与的自动焊接过程。
自动化焊接有两方面的含义：一是焊接工序的自动化，二是焊接生产的自动化。焊接生产的自动化是指焊接产品的生产过程，包括从备料、切割、装配、焊接、检验等工序组成的焊接生产全过程的自动化。只有实现了焊接生产全过程的自动化，才能得到稳定的焊接质量和均衡的焊接生产节奏以及较高的焊接生产率。而单一焊接工序的自动化是焊接生产自动化的基础。
1.2自动化焊接的主要设备及特点
焊接生产过程的自动化和机械化的关键工序:第一,全部使用自动控制装置和机械装置来实现来替代焊接作业的手工操作;第二,物流、机械手及变位机械来完成将焊件的搬运和位移采用;第三,完成焊接作业将会采用较高的生产节拍和高效的焊接方法进行;第四,通过精确的自动控制和准确的机械动作,进而来确保持持续的稳定的焊接质量。按照目前世界发达国家的焊接装备水平,可将其概括为如下几个特点:
1)标准化、通用化、系列化
对于大批量生产的典型常用接头形式,如板材接缝、筒体环缝、圆筒环缝、管对接和管子管板接头等,现在已经开发出相对应的的标准型自动化焊接专机,这种焊接机械具有焊接效率高、质量稳定的优点。在经过多年产品研发积累,固得公司终于开发出了300~3000mm的纵缝焊、工件回转环形焊机、卧式单枪(双枪)环缝焊、三轴数控焊接机床和焊枪回转环形焊机等等。
2)多功能化
其为充分发挥大型自动化焊接设备的效率创造了有利条件已将其设计成适用于多种焊接方法和焊接工艺。如单丝、双丝、MIG/MAG-TIG等离子弧焊、多丝埋弧焊。
3)智能化控制和自适应
焊接过程的全自动控制比传统的金属切削加工要复杂得多。全自动控制必须考虑焊件接缝装配间隙误差,几何形状的偏差以及焊件在焊接过程中的热变形。所以我们需要采用各种自适应控制系统和传感器技术。
4)组合化和大型化
对于大型、中型焊接结构生产过程的自动化,已研制成功各种大型自动化焊接设备。如中重型厚壁容器焊接中心、机床车厢总装焊接中心、集装箱外壳整体焊接中心等等。
5)高质量、高精度、高可靠性
焊接机器人和精密焊接操作向高精度、高质量发展,行走机构的定位精度为0.1,移动速度的控制精度为0.1,与焊接机器人配套的焊接变位机的最高的重复走位精度为0.05。固得公司已经研发出来的摩托车的车架机器人工作站,以高质量的、高水平广泛应用于江门大长江、重庆建设中。
1.3自动化焊接系统
自动化焊接就是用焊接机械装置来代替人进行焊接。典型的机器人自动化焊接系统主要由如下部分构成：机器人、变位机、各种传感器、控制器、自动焊机（包括焊接电源、焊枪等）等。其基本构成单元是：机械装置、执行装置、能源、传感器、控制器和自动焊机。
1）机械装置
机械装置是能够实现某种运动的机构，配合自动焊机进行焊接加工装置，如机器人、变位机、悬臂操作机等。
2）执行装置
执行装置是驱动机械装置运动的电动机或液压、气动装置等。
3)能源
能源是驱动电动机的电源等。
4）传感器
传感器是检测机械运动、焊接参数、焊接质量的传感器。
5）控制器
控制器主要是用于机械运动控制的计算机、单片机、可编程控制器以及电子控制系统。
6）自动焊机
自动焊机包括焊接电源、送丝机、焊枪等。它是一个独立的焊接系统 。
1.4 自动化焊接的关键技术
自动化焊接技术是将电子技术、计算机技术、传感技术、现代控制技术引入到焊接机械运动的控制中，也就是利用传感器检测焊接过程的焊接运动，将监测信息输入控制器，通过信号处理，得到能够实现预期运动的控制信号，由此来控制执行装置，实现焊接自动化。焊接自动化的关键技术主要包括：机械技术、传感技术、伺服传动技术、自动控制技术和系统技术等。
1） 机械技术
机械技术就是关于焊接机械的机构以及利用这些机构传递运动的技术。在焊接自动化中，焊接机械装置主要由焊接工装夹具、焊接变位机、焊接操作机、焊接工件输送装置以及焊接机器人等。焊接机械技术就是根据焊接工件结构特点、焊接工艺过程的要求应用经典的机械理论与工艺，借助于计算机辅助技术，设计并制造出先进、合理的焊接装置，实现自动焊接过程中的机构运动。
2）传感技术
传感技术是自动化系统的感受器官。传感与检测是实现闭环自动控制、自动调节的关键环节。传感器的功能越强，系统的自动化程度就越高。焊接自动化中的传感器有很多种，有关机械运动量的传感器主要有位移、位置、速度、角度等传感器。
3）伺服传动技术
执行装置的控制技术称为伺服传动技术。伺服传动技术对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。
4）自动控制技术
焊接自动化中的自动控制技术主要指：基本控制理论；在控制理论指导下，根据焊接工艺和质量的要求，对具体的控制装置或系统进行设计；设计后的系统仿真、现场调试；最终使研制的系统可靠地投入焊接工程应用。
5）系统技术
系统技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术。从系统的目标出发将整个焊接自动化系统分解成若干个相互关联的功能单元。以功能单元为子系统进一步分解，生成功能更为单一的子功能单元，逐层分解，直到最基本的功能单元。以基本功能单元为基础，实现系统需要的各个功能设计。
2.自动化焊接的发展现状及前景展望
2.1自动化焊接的发展现状
目前我国的焊接自动化率还不足30%，同发达工业国家的近80%相比差距甚远。可以预计在未来的10年内，国内自动化焊接技术的水平将以前所未有的速度发展。
随着数字化技术日益成熟，代表自动化焊接技术的数字焊机、数字化控制技术业已面世并已稳步地进入市场。三峡工程、西气东输工程、航天工程、船舶工程等国家大型基础工程,有力地促进了先进焊接工艺特别是焊接自动化技术的发展与进步。汽车及零部件的制造对焊接的自动化程度要求日新月异。我国焊接产业逐步走向“高效、自动化、智能化”。目前我国的焊接自动化率还不足30%，同发达工业国家的近80%差距甚远。从20世纪末国家逐渐在各个行业推广自动焊的基础焊接方式——气体保护焊，来取代传统的手工电弧焊，现已初见成效。可以预计在未来的10年，国内自动化焊接技术将以前所未有的速度发展。20世纪90年代以来，我国焊接界把实现焊接过程的机械化、自动化作为战略目标，已经在各行业的科技发展中付诸实施，在发展焊接生产自动化和过程控制智能化，研究和开发焊接生产线及柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造技术等方面，取得了长足的进步。高效、节能并能够自动调节焊接参数的智能型逆变焊机将逐渐取代手弧焊机和普通晶闸管焊机，而且焊机的操作趋向于简单化、智能化，以符合当今淡化操作技能的趋势。在汽车、造船、工程机械和航空航天等领域，适用于不同场合的智能化焊接机器人较为广泛的应用，大幅度提高了焊接质量和生产效率。在我国，目前汽车、船舶、管建、家电等行业焊接自动化的发展相对来说较好，到2005年，船厂的高效率焊接要达到80％以上，其中二氧化碳焊接应用率达到55％，焊接机械化率、自动化率要达到70％左右。
国外如欧美、日本等发达国家早在20世纪80年代便在石油、化工、造船、建筑、电力、汽车、机械等行业采用数字控制的小车式自动气保焊机，代替人工进行焊接生产。近年来，国内几家企业开发了几种类似的自动焊接小车，但在结构和功能上均属低端产品，在数字控制、焊接参数预置和专家系统自动调用等方面均为空白。成都焊研科技有限责任公司把开发适合和满足我国工业企业焊接生产要求的高端自动焊接设备作为己任，在吸收和借鉴国外先进、成熟技术基础之上，经过近两年的研制工作，代表自主知识产权的第一代数控小车式自动焊机样机在成都焊研科技有限责任公司问世。该焊机具有携带方便、安装简单、操控灵活、智能化程度高等特点，通过微机控制的多种焊接模式和专家程序，可在不同焊接位置满足多种焊接工艺要求焊缝的焊接。
2.2自动化焊接的前景展望
电子技术、计算机微电子信息和自动化技术的发展，推动了焊接自动化技术的发展。特别是数控技术、柔性制造技术和信息处理技术等单元技术的引入，促进了焊接自动化技术革命性的发展。
(1)焊接过程控制系统的智能化是焊接自动化的核心问题之一，也是我们未来开展研究的重要方向。我们应开展最佳控制方法方面的研究，包括线性和各种非线性控制。最具代表性的是焊接过程的模糊控制、神经网络控制，以及专家系统的研究。
(2)焊接柔性化技术也是我们着力研究的内容。在未来的研究中，我们将各种光、机、电技术与焊接技术有机结合，以实现焊接的精确化和柔性化。用微电子技术改造传统焊接工艺装备，是提高焊接自动化水平的根本途径。将数控技术配以各类焊接机械设备，以提高其柔性化水平和质量控制水平，是我们当前的一个研究方向；另外，焊接机器人与专家系统的结合，实现自动路径规划、自动校正轨迹、自动控制熔深等功能，是我们近期研究的重点。
(3)焊接控制系统的集成是人与技术的集成和焊接技术与信息技术的集成。集成系统中信息流和物质流是其重要的组成部分，促进其有机地结合，可大大降低信息量和实时控制的要求。注意发挥人在控制和临机处理的响应和判断力，建立人机对话的友好界面，使人和自动系统和谐统一，是集成系统的不可低估的因素。
(4)提高焊接电源的可靠性、质量稳定性和可控性，以及优良的动感特性，也是我们着重研究的课题。应开发研制具有调节电弧运动、送丝和焊枪姿态，能探测焊缝坡口形状、温度场、熔池状态、熔透情况，适时提供焊接规范参数的高性能焊机，并应积极开发焊接过程的计算机模拟技术。总之，使焊接技术由“技艺”向“科学”演变，是实现焊接自动化的一个重要方面。
本世纪的头二十年，将是焊接行业飞速发展的有利时期。我们广大焊接工作者任重而道远，务必树立知难而上的决心，抓住机遇，为我国焊接自动化水平的提高而努力奋斗。