智能焊接技术在机械制造中的应用

2023-03-27张安乐

科技创新与应用 2023年8期

张安乐

（中国铁建高新装备股份有限公司，昆明 650215）

作为国民经济发展程度衡量指标之一的机械行业，在信息技术的推动下取得了长足进步，产业附加值进一步提高，更好地适应了发展现代化的需求，助力着工业4.0 的实现。焊接是重型机械制造的关键技术之一，对产品质量、可靠性和安全性起着重要作用。“面对新型的竞争激烈的市场环境，重型机械行业逐步向专业化、装备化、智能化和自动化发展，来应对产品升级的需求。[1]”

传统机械企业的发展道路一直是劳动密集型，劳动力成本低、工作环境差、对人力技术依赖性强。但随着社会和新技术的发展，企业发展的性质已由劳动密集型转变为技术密集型。机械产品需要现代化，并转化为生产技术。随着信息技术的快速发展，在机械设备生产中有必要融入智能化焊接技术，逐步取代现有的低级阶段技术，持续优化现场环境，提升生产效率。

1 智能焊接技术的概念和功能层次

智能焊接是指焊接过程中设备和相关零件的智能化和信息化更新。智能焊接的核心是应用“传感—决策—执行”来控制焊接过程参数。同时，多个传感器在工作中被应用，能够全面掌控复杂和准确的流程信息并及时做出改善。焊接系统和操作员系统之间的智能人机交互来实现，其具体流程和关键技术点如图1、图2 所示。

图1 智能焊接技术基本框架

图2 智能焊接技术关键点

在智能焊接技术的操作中，主要涉及以下几个层次的功能。

1.1 连接层

获得准确有效的焊接过程信息是在CPSS 中创建智能焊接系统的关键。在焊接现场检查焊接参数（电流、电压等）、焊接质量（温度场、电压等）和焊接尺寸。

因此，有必要创建无线传感器网络，并在焊接系统中使用虚拟传感器（焊接电压、焊接电流和焊接网络通信流等）来实现工艺参数的网络识别。一个位置传感器网络可以与另一个位置实现即时的信息交流，传感器和所在网络之间的即时交流实现了多个工作环节之间的控制与交互，为收集结构数据提供良好的基础。例如，如果更多的机器人调整大型薄壁零件的焊接曲线和焊接过程，则需要调整每个臂上传感器之间的连接，以获得有关加工零件的更准确信息。

1.2 数据解释层

在数据解释层可以将工作流程数据转化为信息层，大大提升了数据收集和运用能力。多传感器数据分析和多源数据集成可以有效防止信息过多和不足，提高测试信息的可靠性。该系统可以直接从收集的信息中获得信息，包括但不限于数据分类、趋势预测和意见反馈等工作。同时，智能焊接系统能够从收集到的信息分析子系统的状态和存在的问题，以实现对焊接过程信息的独立感知。

1.3 信息层

在信息层能够高效理解物理过程的状态，设计相关工作模型，使智能系统能够更好地识别部件性能和工作状态。例如，可以准确评估获取信息的准确性，并根据信息和分析结果做出决定。根据所建立的模型进行系统状态预测和评估，进而做出改进方案设计。例如，焊接尺寸测量网络可以使用预测算法提高焊接尺寸控制器的性能。此外，通过网络共享、云计算等信息技术，可以获得不同施工条件下的信息处理和处理参数。例如，通过外部系统访问焊接过程参数的云数据库，不仅可以提高系统的智能化水平，还可以远程自动监控焊接过程。

1.4 认知层

实现焊接过程智能化的有效途径是基于焊接过程知识实现、表达和做出独立决策。由于机器的智能化水平不高，大多数焊接工艺问题仍然需要由合格的操作员决定。在这方面，运用分段焊接系统能够提升机器运作水平，独立完成相对简单的决策过程，并监督相关工作的完成效率。为了高效处理系统运作问题，机器需要获取信息，运用容易理解的语言实现人机沟通，运用计算机来解决复杂流程问题。在实践中要提高机器人的学习能力，自主模拟相关工作过程，逐渐积累实践经验。

1.5 自主调节层

根据认知层中提供的信息，自主调节层需要控制执行机构来实现相应的实践行动。要求智能焊接及其具备自主监测和改变参数信息的能力。针对焊接过程中干扰因素多、不确定因素强的问题，控制器要能够满足自主调试、抗干扰等功能。可以通过监督控制、回弹控制等方式来演绎决策信息，深度融合物理世界和虚拟世界的工作。“由于智能焊接过程各焊接参数相对稳定，焊接参数变化受人为的影响因素少，焊缝成型美观，因此焊接质量较手工焊接要高且稳定。[2]”

2 自动化焊接技术在机械制造中的应用策略

2.1 自动化焊接专机

焊机主要包括焊接系统、机械系统和电气控制系统。组装和拆卸需要手动或机械操作。待加工工件通过焊接装置放置，并自动起拱。手动或自动驱动、移动、扭转和拆卸零件。焊接系统主要包括电源、焊枪，机械系统包括主机构、紧固件和辅助件等。电气系统主要控制灯具位置部件移动。在大规模生产过程中，公司通常使用自动设备工作。自动焊接技术主要是焊接控制在焊接过程中的最佳应用。在工作过程中，可以在自动焊机上安装传感器和电子电路，控制生产过程。此外，自动焊机可以根据生产过程的具体需要进行定制。生产过程中通常采用双层焊接工艺。图3、图4 是现在工业生产中常用的智能焊接系统和专机示意图。

从图3、图4 可以看出，焊接专机不仅提高了工作效率，而且有效地改善了焊接材料的断裂问题，这与焊接材料的机械性能密切相关。双面焊接技术也可用于各种焊接条件，如直线和曲线，以提高焊接性能。在实际应用中，焊接工艺引起的焊接变形越小，大面积生产工艺的质量越高。例如，它可以用来制造汽车发动机。汽车发动机和燃料发动机之间有明显的区别。这些都是汽车的主要部件，但发动机的质量直接影响到汽车的节能和环保。好的电机可以更好地控制扭矩和旋转方向。因此，将自动焊接技术应用到发动机的生产中，以提高发动机的整体质量。同时，自动焊机采用智能技术，其基本工作模式体现在传感器的应用中。智能化的焊接专机在满足以上功能的同时，还能够运用高等级的传感器，如视觉、触觉和光敏等，来配合计算机、软件和数据库，进一步实现智能化的参数调整。与焊接机器人相比，焊接专机的性价比更高，对焊件的直线和曲线有更强的适应性，适合批量生产和运用。在实践中具备效率高、变形小和质量稳定等优势，且操作简便、成本低廉、过程安全，在实际工程中的运用范围很广。

图3 智能焊接工作站样貌

图4 智能焊接专机基本结构

2.2 工件监测

随着中国的经济水平逐渐提高，传统的产品识别技术已不能满足现代技术发展的需要。主要原因是现有的加工件检测技术是手动检测，检测水平参差不齐。此外，手动测试还涉及大量人力资源投资和不必要的成本。另一方面，由于相关工人缺乏专业培训，在测试过程中存在一些差异，最终产品的质量不在同一水平。此外，该测试是一项长期操作，许多员工在监测期间重返工作岗位，注意力下降，这在一定程度上影响了最终质量。在这种情况下，工业过程需要改进性能测试。“工业焊接技术是自动控制和人工智能技术相结合的一种新的工作模式，是一系列进入新时代的自动化产品，大大提高了工业生产、制造和加工的工作水平和效率，加强了一系列产品的缺陷检测和质量检验管理。[3]”例如，集成图像处理技术可以提高工作效率，降低劳动力成本，支持企业发展。

2.3 焊接机器人

中国已经进入了信息时代。将网络技术引入焊接自动化，可以通过数字化和智能化，特别是通过计算机网络技术，有效地提高焊接自动化的效率。“机器人智能装备焊接设备的研制，已是焊接设备的发展趋势，柔性集成、智能制造已是工业制造技术的趋势，现代机器人智能装备焊接制造，是自动化焊接的重要发展环节及工业制造技术前进的动力。[4]”

自动焊接的有效应用必须依靠声学设备。这是连接智能和数字技术的唯一途径。在实际应用中，焊接规范应符合实际要求，使焊接产品在焊接过程中不变形。我国的焊机生产技术虽小，但品种十分丰富。为了提高焊接技术水平，促进中国工程行业的可持续发展，需要及时优化和升级焊接技术，以适应不同的条件。机器人焊接在一定程度上提高了中国工程行业的发展质量。焊接机器人具有灵活性、智能性和高精度的特点。为了提高企业的生产效率和社会影响，有必要在机械生产领域引入焊接机器人（图5）。

图5 智能焊接机器人的工作流程

此外，焊接机器人的应用成本高，因此我国尚未广泛采用。在机械生产过程中，这种自动化生产模式可以有效提高工作效率和焊接速度。但是，我们不能过分追求效率而忽视质量，其对社会的发展有着不可磨灭的影响。为确保自动焊接的质量，焊接设备必须符合标准，并严格检查所有环节，充分发挥技术赋能优势。“对于变形较大的焊缝，后续需要继续研究焊接工艺自适应，通过实时改变焊接电流、电压和送丝速度等工艺参数，确保焊缝可较好填充。[5]”

3 智能焊接技术的未来发展展望

过去，重型机械行业的焊接是手动进行的，焊接质量取决于实际技术水平和焊工自身的素质。焊接质量控制技术是利用视觉控制方法监测焊接熔池的变化，实时调整机器人的位置，以便呈现更好的焊接形状。焊接质量控制技术主要包括焊接管更换、建模和焊接过程控制。电解槽的交换控制是焊接模具质量控制的1个重要组成部分。从视觉传感器对焊接过程进行实时监测，可直接反映焊接过程的焊接行为。此外，还确定了焊接参数、焊接成形规则及焊接模型，从而为控制器的设计奠定了基础。焊接质量控制技术是利用现代神经网络、模糊组件和原始组件的智能模拟技术开发的。加深对焊接过程的理解，建立一个更加精确的焊接过程。模型焊接过程质量控制技术将在未来的基础建设中得到进一步发展。

工业4.0 是智能焊接技术发展的机遇和挑战。介绍了基于产业链的4.0 系统和基于CPSS 的5C 系统的基本结构，分析了各阶段智能焊接的基本技术。最后，将讨论智能焊接技术的演变。在工业系统4.0 中，智能焊接的发展不仅限于智能解决方案和焊接过程控制。学习灵活和个性化的焊接系统，在计算机和信息技术的发展下保持行业活力。随着中国制造业向更高水平发展，主导信息技术革命的智能和数字应用支持焊接机器人和重型机械的智能和自动控制系统在新时代的互联。开发新的智能焊接技术，智能焊接技术的广泛运用能够取代部分人力工作，进一步提升生产效率，帮助产业提高经济效益。有效支持中国重型机械行业的技术改造和附加值，并向智能化方向发展。