覃江繁

摘 要：焊接机器人的出现，让人类的双手得到了解放。而焊接机器人焊接工艺对汽车车身焊缝质量有着至关重要的影响。本文首先叙述国内外焊接机器人的发展现状和存在的焊接问题，并对焊接工艺的难度进行了讨论。最后对智能焊接机器人的发展趋势进行了展望，提出了未来智能机器人的研究方向。

关键词：焊接机器人 自动焊工艺 智能控制

1 引言

近年来，随着我国工业技术的快速发展，世界汽车生产发展的趋势向多品种、小批量的生产转化，为了满足汽车消费者广泛而多样化的需求，适应汽车市场的激烈竞争，必须依赖先进自动化及智能技术。而车身焊接时，焊接工艺的设计直接关系到焊接精度和焊接实时性的提高。

焊接工艺是焊接流程中最重要的一个环节，它是利用电能或者其他能源转化为热能实现材料焊接的一种热加工方法[1]。随着工业自动化行业的快速发展，焊接不断被认为是改善产品寿命成本、质量和可靠性的重要手段，并且对提高产品的市场竞争力有着重要作用[2]。

2 工程焊接在国内外的应用趋势

2.1 焊接工艺国外研究状况

世界各主要工业发达国家都非常重视发挥焊接研究机构的作用，基本上都形成以大学研究所为中心，并应用到企业中去的研究开发体系，希望采用先进焊接技术来提高产品的生产质量、提高生产效率、降低生产成本，以此来和劳动力多且价格低廉的国家进行市场竞争。

其中美国EWI公司[3]制定“在线焊接指南”，并且通过对天然气管道的焊接进行实验验证。日本大阪大学（Osaka University）的Masahito MOCHIZUKI等利用力学建模和模拟技术，研究焊接过程和热输入条件对焊缝引起的角度畸变影响，从而确定在焊接工艺中影响角变形的主导因素[4]。滑铁卢大学（University of Waterloo）的N.Sreenivasan[5]研究了激光焊接方式对980不锈钢的焊缝成形影响。芬兰的拉彭兰塔理工大学学者阐述了异种金属熔焊的基本原理，对不同类型的金属如不锈钢、碳钢和低合金钢进行实验及总结，并得出焊接工艺是影响异种金属焊接的重要因素[6]。Joffin George[7]等学者开发一种用于地下管道裂缝检测和机器人焊接的工艺，由此解决了在管道等空间狭小的地域进行焊接与维护的局限性操作问题。

2.2 焊接工艺国内研究状况

我国对机器人焊接工艺的研究相比发达国家来说起步较晚，地域差异性较大，存在工艺落后、依赖人工才能完成设备加工的现象[8]。近年来，我国对于机器人焊接工艺研究与开发的同时，对于弧焊电源、仿真技术以及智能控制等也不断投入大量的研究，并不断进行创新[9]，部分产品已接近国际先进水平。目前国内焊接工艺主要分为四种，分别为电弧焊焊接工艺、氩弧焊焊接工艺、激光焊焊接工艺、气体保护焊焊接工艺[10]，其中气体保护焊主要分类如图1所示。

江苏科技大学[11]对于马鞍形管接口坡口角度随空间位置变化而变化的问题进行了大量工艺研究，通过运用机器人智能焊接，得到高质量的焊缝。

王晓峰[12]通过人工神经网络，通过焊缝位姿的焊枪角度匹配工艺参数，提升零件的焊缝质量。中车株洲电力机车有限公司的黄家庆[13]通过改变的Ar和CO2混合气体配比（体积比为4：1），改善了焊接零件强度。

3 车身弧焊焊接工艺缺点

焊接机器人虽然解放了焊接工人的双手，提高了生产效率。但是目前还无法做到柔性焊接，汽车主机厂焊接机器人还需依靠专业的工程师编程，普通车间工人无法完成机器人焊接编程，如图2所示车身焊接机器人。面临焊接结构和材料及工艺方法的多样性、焊接生产环境的复杂性和时变性、以及先进制造领域不断提出的高标准新要求等诸多挑战，现有的焊接系统难以应对，大量重要的焊接作业尚无法真正实现柔性焊接。因为焊接过程的路径规划样式多种多样，选用时要根据接头形式、间隙、焊缝的空间位置等方面确定需要的焊接样式，对于普通用户来说，难以具备相应的焊接知识。最根本的原因是焊道自动识别及跟踪控制不精确，仿真环境到实际环境的迁徙算法不精准。

4 展望

未来的焊接机器人将会越来越智能，焊接机器人不仅能够取代工人进行焊接，还能模仿人脑进行复杂多变的自适应焊接。为了实现焊接机器人的柔性焊接，需要克服传统机器人单一特征决策方法适用性低、精度欠佳等弊端。激光视觉示教的焊接路径规划主要包括激光视觉模块、焊接路径规划模块以及机器人焊接模块，其中弧焊机器人焊接路径规划设计框架如图3所示。

在智能化焊接过程中，充分利用不同特征信息实时纠正焊道轨迹偏移，自适应调整焊接过程的工艺参数，对维持焊接过程稳定性、保证焊接接头质量。设想未来焊接数据库按照一定的焊接条件（如接头类型、坡口类型等）进行索引，自动匹配得到适合的焊接路径样式与对应的焊接工艺参数，并调用焊接路径规划模块，进行焊接路径插补。最后结合焊接模块将焊接路径插补点下发配合数字焊机协同操作实现焊接作业，有效提升焊道轨迹检测结果的准确性和鲁棒性。

参考文献：

[1]宋显中.我国焊接工艺的现状及其发展[J]. 科技視界，2014（14）：95.

[2]兰月.国外焊接技术创新状况[J].电源技术应用，2009（12）：74-75.

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[5]MOCHIZUKI M，OKANO S. Effect of Laser Welding on Formability of DP980 steel[J]. ISIJ Int， 2018（58）：153-158.

[6] MVOLA B， KAH P， MARTIKAINEN J， et al. State-of-the-art of advanced gas metal arc welding processes： Dissimilar metal welding[Z]. London， England： SAGE Publications， 2015： 229， 1694-1710.

[7] GEORGE J， NAVEEN N， MADHAVA PANICKER P R. Manipulator robot for crack detection and welding in underground process pipes， 2014[C]. IEEE.

[8] Dinesh Elayaperumal， Young Hoon Joo，Robust visual object tracking using context-based spatial variation via multi-feature fusion，Information Sciences，Volume 577，2021，Pages 467-482，ISSN 0020-0255.

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[9]韩帅.发展趋势研究[J]. 科技展望，2016（04）：52.

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[11]王晓峰，陈焕明.弧焊机器人焊接姿态与工艺参数联合规划[J].焊接技术，2008（06）：29-31.

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[13]楊永波，崔彤，秦伟涛等.焊接机器人工作站系统中焊接工艺的设计[J].焊接， 2015（08）：43-45.

[14]Shengli Li，Napat Vajragupta， Abhishek Biswas， Wenshen Tang， Hao Wang， Aleksander Kostka， Xinqi Yang， Alexander Hartmaier，Effect of microstructure heterogeneity on the mechanical properties of friction stir welded reduced activation ferritic/martensitic steel，Scripta Materialia，Volume207，2022，114306，ISSN 1359-6462.