焊接機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和機(jī)器人焊接質(zhì)量控制

曹 正

（山東兗礦智能制造有限公司，鄒城 273599）

隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展水平的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。根據(jù)《2022 年世界機(jī)器人報(bào)告》，2021 年我國(guó)機(jī)器人密度（萬(wàn)名產(chǎn)業(yè)工人對(duì)應(yīng)的機(jī)器人保有量）達(dá)到322 臺(tái)，位居世界第5，如圖1 所示。焊接機(jī)器人是執(zhí)行焊接、切割、熱噴涂等命令的工業(yè)機(jī)器人，在現(xiàn)代工業(yè)制造中應(yīng)用廣泛，其具有的諸多優(yōu)勢(shì)使得機(jī)器人焊接逐步取代人工焊接成為趨勢(shì)。焊接機(jī)器人通常由機(jī)器人本體系統(tǒng)、焊接與焊接輔助系統(tǒng)、外部傳感系統(tǒng)、綜合處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成[1]。機(jī)器人焊接的關(guān)鍵技術(shù)包括本體技術(shù)、電源技術(shù)、傳感技術(shù)、協(xié)調(diào)控制技術(shù)以及離線編程技術(shù)等[2]。

圖1 2021 年制造業(yè)機(jī)器人密度（前6）

1 焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 焊接機(jī)器人的發(fā)展

在數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，第一項(xiàng)工業(yè)機(jī)器人專利申請(qǐng)?jiān)?954 年獲批，此后工業(yè)機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展。焊接機(jī)器人于20 世紀(jì)60 年代誕生，經(jīng)過(guò)示教再現(xiàn)、離線編程和智能焊接3 個(gè)階段的發(fā)展，目前數(shù)量約占工業(yè)機(jī)器人的1/3，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位。焊接機(jī)器人是機(jī)器人焊接技術(shù)的核心，通常是高自由度、強(qiáng)非線性與剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)。機(jī)器人的焊接步驟如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人的焊接步驟

1.1.1 示教再現(xiàn)焊接機(jī)器人

示教也稱引導(dǎo)，指機(jī)器人由用戶引導(dǎo)，完成整個(gè)焊接過(guò)程并記憶用戶指令（路徑、姿態(tài)等焊接參數(shù)），生成指令程序。示教完成后，可重現(xiàn)示教動(dòng)作，完成焊接命令。但是，示教再現(xiàn)型機(jī)器人依賴于用戶經(jīng)驗(yàn)，對(duì)外部環(huán)境的適應(yīng)性較差，焊件的缺陷多，熔透差。因?yàn)槎ㄎ徽`差累積和結(jié)構(gòu)件熱變形，實(shí)際焊縫的軌跡存在偏差且無(wú)法自動(dòng)修正，所以要求焊接工件不易變形并具有較高的一致性。

1.1.2 基于傳感技術(shù)的離線編程焊接機(jī)器人

在示教機(jī)器人的基礎(chǔ)上集成視覺(jué)、電弧、激光、力矩等傳感器，形成了基于傳感技術(shù)的離線編程焊接機(jī)器人，即第二代焊接機(jī)器人。視覺(jué)輔助焊接機(jī)器人的程序可分為焊前校準(zhǔn)、自主定位起焊點(diǎn)、視覺(jué)傳感、補(bǔ)償和控制等[3]。第二代焊接機(jī)器人對(duì)于簡(jiǎn)單工件的焊接可以實(shí)現(xiàn)離線或自主編程，但對(duì)于超過(guò)技術(shù)要求的工件變化，焊接質(zhì)量難以得到保證。焊接過(guò)程中，單一傳感器的使用很難檢測(cè)焊接質(zhì)量。例如，在焊接過(guò)程中，熔池形狀、溫度等信息僅在一定程度上反映某一方面的質(zhì)量信息[4]。

1.1.3 智能焊接機(jī)器人

焊接技術(shù)已經(jīng)由最初的手工技術(shù)發(fā)展為先進(jìn)的專門科學(xué)，常見的焊接方式有埋弧焊、手工電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、焊接機(jī)器人等[5]。簡(jiǎn)單的機(jī)器人焊接越來(lái)越不適合現(xiàn)代生產(chǎn)，這是因?yàn)楹附舆^(guò)程本身是非線性和多變量耦合的，同時(shí)含有大量不確定性。機(jī)器人不能像人一樣快速適應(yīng)復(fù)雜工況，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。焊接制造業(yè)具有多批次、小批量的特點(diǎn)，存在環(huán)境惡劣、高技術(shù)人才缺乏等問(wèn)題，焊接技術(shù)的智能化成為提升產(chǎn)量、質(zhì)量的關(guān)鍵。對(duì)于小、中批量的生產(chǎn)，與人工機(jī)械化相比，自動(dòng)化生產(chǎn)的單位執(zhí)行成本最優(yōu)。

基于焊接任務(wù)的智能規(guī)劃、焊接傳感與動(dòng)態(tài)過(guò)程的智能控制以及機(jī)器人系統(tǒng)配套技術(shù)的進(jìn)步，研制出智能焊接機(jī)器人。自主學(xué)習(xí)和自主思考是智能焊接機(jī)器人的典型特征。通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)融合，面向不同的作業(yè)場(chǎng)景、任務(wù)、工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)自主、自動(dòng)，高效完成焊接任務(wù)，并保證焊接質(zhì)量[6]。

智能焊接機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中具有諸多優(yōu)勢(shì)，通過(guò)編程，可使機(jī)器人按照設(shè)定的路徑和工藝參數(shù)進(jìn)行焊接操作。焊接過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷有表面氣孔、咬邊、未焊透等，工業(yè)中智能焊接機(jī)器人的應(yīng)用使得飛濺明顯減小、焊縫表面光滑、成型均勻、不存在咬邊，可以提高生產(chǎn)效率，顯著提高焊接質(zhì)量。此外，智能焊接機(jī)器人在降低廢品率的同時(shí)，可以適配復(fù)雜的焊接任務(wù)，提升生產(chǎn)安全性。對(duì)于危險(xiǎn)、惡劣的工作環(huán)境，如船舶、核電站的維護(hù)、維修工作中，工業(yè)機(jī)器人不可或缺[7]。

1.2 焊接工藝發(fā)展趨勢(shì)

1.2.1 手工焊接和機(jī)器人焊接長(zhǎng)期共存

手工焊接與機(jī)器人焊接在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)將共同存在、共同進(jìn)步，手工焊接仍是復(fù)雜環(huán)境、復(fù)雜工藝產(chǎn)品生產(chǎn)的首選。機(jī)器人技術(shù)在未來(lái)會(huì)不斷提升，手工焊接與機(jī)器人焊接會(huì)合作更加密切、應(yīng)用更加廣泛、焊接質(zhì)量更加優(yōu)良。中低端手工焊接會(huì)逐漸被淘汰，對(duì)于手工焊接人才提出了更高的要求。

1.2.2 焊接工藝水平逐步提高

焊接技術(shù)不斷進(jìn)步保證了焊接效率和焊接質(zhì)量的提升，生產(chǎn)生活等行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的要求將愈發(fā)嚴(yán)苛，焊接工藝水平也會(huì)逐步提高。多機(jī)器人協(xié)同工作、人工與機(jī)器人協(xié)同工作將成為有效的處理方式，機(jī)器人技術(shù)也將朝著智能化、柔性化的方向發(fā)展。自主學(xué)習(xí)、自主思考、自主決策是對(duì)智能化機(jī)器人的要求，而靈活多變、剛?cè)岵?jì)是對(duì)柔性化機(jī)器人的要求。焊接機(jī)器人將在解決復(fù)雜工況、惡劣施工環(huán)境等問(wèn)題方面發(fā)揮著重要作用。

2 焊接質(zhì)量控制

焊接的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通常要求焊接外觀光滑、美觀，焊縫寬度一致。另外，焊接金相質(zhì)量、焊接金屬和焊接頭的力學(xué)性能及化學(xué)成分都有對(duì)應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于焊接質(zhì)量的控制通常包括4 個(gè)方面。

2.1 焊接人員

焊接人員的技術(shù)水平是決定焊接質(zhì)量的主導(dǎo)因素，會(huì)直接影響焊接工藝的結(jié)果。加強(qiáng)人員培訓(xùn)，提高操作人員的專業(yè)素養(yǎng)和技術(shù)水平，可以使焊接機(jī)器人以固定的速度和方向進(jìn)行焊接，保證焊縫的一致性和質(zhì)量，從而具有較高的精度和穩(wěn)定性。

2.2 焊前準(zhǔn)備

優(yōu)化結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證使用功能的前提下優(yōu)化外形、拼接方案和工藝方案，能夠有效提高效率、減少成本。首先，避免出現(xiàn)復(fù)雜外形，選取合理的拼接方式、焊接點(diǎn)和焊接數(shù)量，降低后續(xù)離線程序編程或機(jī)器人自主決策的難度，提高生產(chǎn)效率。其次，優(yōu)化工藝參數(shù)和焊接順序，保證用材質(zhì)量，選取合適的焊接環(huán)境，必要時(shí)采取保護(hù)措施，避免環(huán)境溫度、空氣濕度造成的不良影響。再次，注重焊前保護(hù)，避免磕碰、劃擦等影響結(jié)構(gòu)件外觀和質(zhì)量。最后，注重設(shè)備的焊前檢查，檢查設(shè)備軟件、硬件狀況，確保程序、參數(shù)不出錯(cuò)。

2.3 焊中控制

焊接過(guò)程是焊接的關(guān)鍵階段，也是問(wèn)題集中出現(xiàn)的階段，裂縫、焊渣飛濺和焊接金屬熱效應(yīng)是焊接中的常見問(wèn)題，對(duì)于焊接過(guò)程的細(xì)節(jié)管理是提高焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。首先，由于焊接應(yīng)力的存在，焊接接頭處容易產(chǎn)生裂縫，須在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)控制并及時(shí)修補(bǔ)。焊渣飛濺如不及時(shí)清理容易凝固在結(jié)構(gòu)件表面，出現(xiàn)結(jié)疤，影響結(jié)構(gòu)件外觀和使用。其次，在大規(guī)模焊接工作開始前，應(yīng)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，了解不同材料、不同加工方式等造成的焊接表現(xiàn)的細(xì)微差別，及時(shí)調(diào)整方案與工藝，做好應(yīng)對(duì)措施。最后，使用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械輔助焊接，對(duì)于不同的焊接場(chǎng)景和結(jié)構(gòu)件，需要采取不同的機(jī)械輔助，以彌補(bǔ)人力勞動(dòng)存在的不穩(wěn)定性和焊接機(jī)器人功能上的不足，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.4 焊后處理

完善焊后處理程序，增加保護(hù)措施，避免因保護(hù)不當(dāng)影響成品質(zhì)量。選擇適宜的冷卻時(shí)間，避免因冷卻時(shí)間過(guò)短損傷焊點(diǎn)。根據(jù)材料特性對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的后處理，如細(xì)微切割、鍍層、打磨、敲打等。同時(shí)，加強(qiáng)成品儲(chǔ)存和運(yùn)輸保護(hù)，減少投入使用前受到的力學(xué)和化學(xué)損傷，避免造成不必要的損失[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

焊接工藝一直是現(xiàn)代制造工藝中不可或缺的一部分，焊接機(jī)器人的使用是現(xiàn)代焊接技術(shù)的重要標(biāo)志之一，其在生產(chǎn)效率、焊接質(zhì)量、適應(yīng)性和空間利用方面具有一定優(yōu)勢(shì)，能夠在集中單位成本的基礎(chǔ)上降低工作成本。我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)突破技術(shù)壁壘，增強(qiáng)材料、加工工藝等基礎(chǔ)研發(fā)力度，提升自主創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力，加速向中高端市場(chǎng)邁進(jìn)。