周安亮，王德成

（機械科學研究總院，北京 100044）

輕量化材料焊接車間智能化要素分析

周安亮，王德成

（機械科學研究總院，北京 100044）

本文從輕量化材料焊接最終目標和需求、數(shù)字化和智能化技術(shù)發(fā)展趨勢、焊接車間柔性構(gòu)建三個維度出發(fā)，結(jié)合先進制造車間智能化和焊接工藝數(shù)字化技術(shù)發(fā)展趨勢，分析得出了輕量化材料焊接車間智能化需滿足的焊接控制管理實時化、焊接過程質(zhì)量控制閉環(huán)化、焊接性分析數(shù)據(jù)化、焊接工藝分析智能化、快速互換裝夾（柔性化）、焊縫質(zhì)量檢測工具化、焊接生產(chǎn)管理數(shù)字化、焊接基礎數(shù)據(jù)庫無紙化八大基本要素，并對這些要素分別進行了闡述，相關(guān)結(jié)論可以作為焊接車間智能化改造或新建的參考。

焊接工藝；焊接車間；智能化；輕量化材料；戰(zhàn)略研究

輕量化材料在汽車、航空、航天、高速列車等領(lǐng)域有廣泛的應用，如鋁合金在波音777飛機上的應用比例達到70%，在空客A380上的應用比例達到61%[1]，高速動車大量采用蜂窩或泡沫結(jié)構(gòu)鋁合金蒙皮，采用輕質(zhì)化和更高性能替代材料及新成型工藝已成為工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的主流。汽車的重量每減輕10%，油耗可降低6%～8%，排放隨之降低4%[2]。常見的輕量化材料有高強度鋼材、鋁合金、鎂合金、碳纖維材料、工程塑料等，輕量化金屬及金屬合金材料仍占主導地位，輕量化材料應用已經(jīng)成為制造業(yè)關(guān)注的焦點[3]。輕量化材料焊接加工是輕量化材料結(jié)構(gòu)件加工的最主要加工工藝之一，如汽車車身、飛機的壁板、高鐵的夾層板等[4]。區(qū)別于傳統(tǒng)的鋼材連接焊接，輕量化材料焊接加工的質(zhì)量直接影響到相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和制造周期，對焊接工藝的質(zhì)量控制要求更高[5]。輕量化材料焊接工藝的發(fā)展迫切需要改變當前焊接產(chǎn)品質(zhì)量依賴于操作工技能的現(xiàn)狀，應用數(shù)字化和智能化技術(shù)手段與輕量化材料焊接知識庫，實現(xiàn)焊接工藝參數(shù)優(yōu)化以及焊接缺陷識別，消除焊接裂紋、變形等不可控因素，提升焊接精度，轉(zhuǎn)變焊接生產(chǎn)模式，支撐輕量化材料焊接產(chǎn)品的高質(zhì)量、高效率制造。

一、傳統(tǒng)輕量化材料焊接車間現(xiàn)狀及問題

長期以來，我國的輕量化材料焊接工藝雖能滿足現(xiàn)役產(chǎn)品的基本生產(chǎn)需求，但生產(chǎn)能力和技術(shù)水平相對落后，質(zhì)量穩(wěn)定性不高，手工作業(yè)占比較大，導致產(chǎn)生諸多問題[6]。近些年來，在一些制造流程中部分應用了自動化焊接設備，實現(xiàn)了輕量化材料焊接工藝的機械化、半自動化，效率也明顯得到了提升[7～11]。但在夾裝、測量等輔助環(huán)節(jié)，自動化焊接參數(shù)選擇與過程控制等大多采用基于手工和經(jīng)驗的傳統(tǒng)方式，依舊存在產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性不足、效率偏低的困境。以國內(nèi)某輕量化材料零部件企業(yè)的生產(chǎn)焊接工藝為例，其當前焊接車間的主要制造技術(shù)手段如圖1所示。圖1所示的焊接工藝流程以及生產(chǎn)現(xiàn)狀只能滿足質(zhì)量要求不高的輕量化材料焊接需求，或成品率和產(chǎn)量要求不高的市場需求。

從圖1可知，傳統(tǒng)輕量化材料焊接車間主要存在三大問題：①產(chǎn)品質(zhì)量控制未形成閉環(huán)，很大程度上仍主要依賴技術(shù)工人的技能，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性不高；②受參數(shù)優(yōu)化水平和檢測手段、調(diào)度方式、裝夾方式、缺陷判定方式落后等因素的影響，生產(chǎn)效率較低；③工藝設計和產(chǎn)品可制造性分析仍然依賴于個人的知識與經(jīng)驗，新產(chǎn)品工藝往往需要不斷“試錯”以獲得可行的工藝方案，產(chǎn)品焊接制造柔性不足，生產(chǎn)線快速復制能力弱。傳統(tǒng)輕量化材料焊接車間向智能焊接車間轉(zhuǎn)型的要素主要集中在提升產(chǎn)品一致性、增加制造柔性、提高制造效率三個維度。

二、輕量化材料焊接車間智能化要素分析

在工業(yè)發(fā)達國家，汽車、飛機等領(lǐng)域的制造企業(yè)廣泛應用了自動化技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能技術(shù)、信息技術(shù)、機器人技術(shù)等，逐步實現(xiàn)了制造車間的數(shù)字化和智能化[12,13]。其中較為典型的要素有：①以產(chǎn)品及車間數(shù)字化建模與仿真實現(xiàn)產(chǎn)品或裝備的快速開發(fā)，其中部分產(chǎn)品或零件實現(xiàn)了一次開發(fā)成功，縮短了產(chǎn)品的研制周期，實現(xiàn)了快速響應制造；②以制造現(xiàn)場的數(shù)字化和網(wǎng)絡化實現(xiàn)對生產(chǎn)設備運行參數(shù)和生產(chǎn)系統(tǒng)故障的過程監(jiān)控、檢測、顯示，甚至實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程的智能化分析、調(diào)度和控制；③以制造裝備單元的精密化和智能化實現(xiàn)車間的智能化，如波音公司的數(shù)字化車間大量應用了自動化輔助裝備和數(shù)字化制造技術(shù)，實現(xiàn)制造時間減少66%、裝配工裝減少90%的成效[14]。對比國外較為典型的智能車間的要素和國內(nèi)傳統(tǒng)輕量化材料焊接車間的主要問題，形成圖2所示的要素圖譜。

圖1 我國當前焊接車間的制造技術(shù)手段

由圖2可知，為實現(xiàn)輕量化材料焊接產(chǎn)品一致性、制造柔性、制造效率的提升，焊接車間智能化應采取仿真建模、數(shù)字化和網(wǎng)絡化、智能化制造單元等先進且成熟的技術(shù)手段，解決對技術(shù)人員技能的依賴、現(xiàn)場制造信息未閉環(huán)、檢測手段落后、調(diào)度方式落后、在線分析手段缺失等問題，輕量化材料焊接車間智能化需滿足技術(shù)發(fā)展維度、目標需求維度、車間構(gòu)建維度三要素。

結(jié)合國外智能焊接技術(shù)和工藝發(fā)展情況，選取某汽車焊接智能車間項目（見圖3）對輕量化材料焊接車間智能化要素進行分析。該智能焊接車間完成了對焊接設備的驅(qū)動和控制系統(tǒng)的配置，對焊接方法、工藝參數(shù)及范圍進行定義；建立了有關(guān)數(shù)據(jù)庫，存儲并匯編現(xiàn)有各種焊接生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，通過安裝于焊接設備的智能終端與操作者交互通信，逐步充實數(shù)據(jù)庫，供各焊接工作站共享；按照預置的焊件母材種類規(guī)格、焊接方法、焊接材料種類和規(guī)格等原始數(shù)據(jù)，編制優(yōu)化焊接工藝參數(shù)的程序；按照工件形狀、尺寸和接縫預設的偏差界限，編制自動修正和補償程序；按照焊接工藝參數(shù)實時的檢測參數(shù)與標準預置參數(shù)之間的偏差，編制自動控制焊縫質(zhì)量的程序、工藝參數(shù)失控的警報程序和參數(shù)顯示及記錄程序；按照焊接過程實時攝制的焊接區(qū)圖像以及焊接電弧和焊道形狀參數(shù)編制遠程監(jiān)控的程序；對焊接設備的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)、送絲機及焊接電源編制故障自動診斷報警和修復程序；焊接設備的控制系統(tǒng)與分布式控制系統(tǒng)（DCS）操作站之間建立數(shù)據(jù)通信聯(lián)絡，完成數(shù)控程序的管理、分配，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集，加工過程的監(jiān)控和遠程診斷功能[15]。

從車間構(gòu)建和目標需求維度，智能焊接車間由DCS統(tǒng)一控制和調(diào)配，系統(tǒng)根據(jù)管理層下達的生產(chǎn)任務，預置各制造單元動作程序和擬檢測數(shù)據(jù)，確定整個制造流程，最終啟動工作程序?qū)崿F(xiàn)焊接指令，并將加工過程中的參數(shù)實時采集到主控制單元，進行在線檢測、質(zhì)量控制、焊接工藝過程監(jiān)控、分析和工序優(yōu)化調(diào)整。從實現(xiàn)焊接調(diào)度和控制管理角度，焊接生產(chǎn)管理數(shù)字化、控制管理實時化是焊接車間智能化構(gòu)建的基本要素；從焊接設備快速調(diào)整和柔性切換以及焊接質(zhì)量保證角度，快速互換裝夾（柔性化），焊縫質(zhì)量檢測工具化是焊接車間智能化構(gòu)建的基本要素。

圖2 輕量化材料焊接車間智能化要素圖譜

圖3 汽車車身智能焊接車間

從焊接工藝技術(shù)發(fā)展維度，數(shù)字化和智能化焊接技術(shù)帶來了焊接車間設備的集成和簡化，產(chǎn)品質(zhì)量的精確、可靠。圍繞著焊接質(zhì)量、焊接效率、焊接飛濺等持續(xù)改進焊接控制技術(shù)，國外廠商Fronius、ESAB、Lincoln率先實現(xiàn)了全數(shù)字化在焊接設備的應用，微處理器的精確運算控制焊接的各項性能以及工作過程，即數(shù)字化和智能化焊接變得集成、簡化。與傳統(tǒng)依賴焊接工人的焊接工藝相比，數(shù)字化和智能化焊接可同時實現(xiàn)熔化極惰性氣體保護焊接（MIG）/熔化極活性氣體保護電弧焊接（MAG）/機器人焊接/非熔化極惰性氣體鎢極保護焊接（TIG）、手工電弧焊等多種功能在一臺機器上實現(xiàn)，在極短時間內(nèi)響應電弧長度的變化，控制變得前所未有的精確、可靠。焊接設備的軟件升級可應用于不同場合的需要，保證焊接質(zhì)量的一致性和焊縫成型的美觀。伴隨著微處理器的精確運算，內(nèi)部集成了大量的專家系統(tǒng)，可實現(xiàn)各種焊接規(guī)范，實現(xiàn)精確的起弧收弧。比如OTC（歐地希）WB-M350L焊接機型，專注于數(shù)字電源控制下焊接工藝的改善，實現(xiàn)焊接同MAG一樣低飛濺，比同類焊機減少80%的飛濺物，提高了工件的表面質(zhì)量。又如Fronius公司的Transplus synergic 2700/4000/5000系列產(chǎn)品在一臺焊機上實現(xiàn)了MIG/MAG、TIG和手工電弧焊等多種焊接方法，可存儲近80個焊接程序，還可以通過網(wǎng)絡進行工藝管理和控制軟件升級[16]。從技術(shù)發(fā)展目標需求維度，焊接過程質(zhì)量控制閉環(huán)化、焊接基礎數(shù)據(jù)庫無紙化、焊接性分析數(shù)據(jù)化、焊接工藝分析智能化是焊接車間智能化的基本要素。

三、輕量化材料焊接車間智能化基本要素

從上述要素分析可知，輕量化材料焊接車間智能化需從數(shù)字化和智能化技術(shù)發(fā)展維度、焊接最終目標和需求維度、焊接車間柔性構(gòu)建維度，滿足焊接控制管理實時化、焊接過程質(zhì)量控制閉環(huán)化、焊接性分析數(shù)據(jù)化、焊接工藝分析智能化、快速互換裝夾（柔性化）、焊縫質(zhì)量檢測工具化、焊接生產(chǎn)管理數(shù)字化、焊接基礎數(shù)據(jù)庫無紙化八大基本要素，分別對應實現(xiàn)如下八大基本要素系統(tǒng)。

1.輕量化材料焊接控制管理系統(tǒng)

輕量化材料焊接控制管理系統(tǒng)是以車間設備信息采集、工業(yè)現(xiàn)場信息、車間網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)統(tǒng)計為對象建立的焊接生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)，實現(xiàn)焊接運行的狀況、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、警告的記錄存儲，基于焊接設備的故障分類、基于焊接產(chǎn)品質(zhì)量下降對系統(tǒng)故障原因等進行智能分析、故障預警和診斷，處理出初步結(jié)果供運行和管理人員參考。輕量化材料焊接控制管理系統(tǒng)是焊接車間數(shù)據(jù)收集和管控的主要平臺。

2.輕量化材料焊接過程質(zhì)量控制系統(tǒng)

輕量化材料焊接過程質(zhì)量控制系統(tǒng)是以高精度在線測量為基礎，并基于在線檢測數(shù)據(jù)替代人工檢測和調(diào)整補償，動態(tài)調(diào)整裝配裝夾系統(tǒng)、調(diào)整裝配流程、優(yōu)化裝配工藝等，實現(xiàn)焊接過程工藝參數(shù)的動態(tài)閉環(huán)控制。常見的有采用激光傳感器跟蹤焊接過程，采用焊接路徑自適應技術(shù)、視覺傳感的焊縫成形控制技術(shù)、弧長自適應控制技術(shù)、恒壓力自適應控制技術(shù)等，實現(xiàn)輕量化材料焊縫軌跡、焊縫間隙、傳輸控制協(xié)議（TCP）位姿等焊接工藝參數(shù)的記錄，反饋至上位機自適應調(diào)整機器人焊接路徑、焊接工藝參數(shù)，達到焊接的自適應閉環(huán)控制，輔以質(zhì)量分析系統(tǒng)、故障分析系統(tǒng)的智能化分析實現(xiàn)焊接質(zhì)量可追溯。此外，還有基于視覺的焊縫自適應控制系統(tǒng)，通過選擇合適的減光、濾光系統(tǒng)，獲取熔池圖像；基于輕量化材料特定焊接工藝和焊接工件材料開發(fā)的魯棒性圖像處理算法，提取焊縫熔池視覺特征，給出與焊接過程穩(wěn)定和質(zhì)量控制相關(guān)的特征信息；并基于焊縫熔池動態(tài)幾何尺寸、焊縫前段間隙和焊接熔透等信息，運用模糊辨識、粗糙集理論對焊接過程進行知識建模，并設計控制焊縫成形及質(zhì)量的智能控制策略。焊接過程質(zhì)量控制系統(tǒng)是實現(xiàn)輕量化材料焊接信息閉環(huán)、焊接質(zhì)量一致性以及焊接智能化的基本前提。

3.輕量化材料焊接性分析專家系統(tǒng)

焊接性分析專家系統(tǒng)是以輕量化材料試驗數(shù)據(jù)庫、焊接方法選擇、焊接裂紋敏感性分析數(shù)字化結(jié)果等為對象建立的數(shù)據(jù)庫。其中，輕量化材料試驗數(shù)據(jù)庫將對常用鋁合金、薄壁鋼等輕量化材料焊接性試驗數(shù)據(jù)進行整理和歸類，并對數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式進行數(shù)字化存儲和管理，技術(shù)人員可直接通過該數(shù)據(jù)庫查詢相關(guān)輕量化材料焊接性試驗數(shù)據(jù)；焊接方法選擇是以提供的基本需求信息為輸入，輔助綜合分析為手段，從質(zhì)量、效率及成本等因素間對焊接方法進行遴選，尋求最佳結(jié)果。焊接裂紋敏感性分析是以焊接工藝與焊接過程敏感性為關(guān)聯(lián)，應用模糊推理等手段綜合分析，并給出裂紋大小和位置的產(chǎn)生狀況預測。焊接性分析專家系統(tǒng)是提升制造效率、保障產(chǎn)品一致性的重要依據(jù)。

4.輕量化材料焊接工藝分析專家系統(tǒng)

焊接工藝分析專家系統(tǒng)是以輕量化材料焊接工藝知識和焊接工藝推理機為對象建立的數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)一方面能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化材料焊接工藝自動化和智能化設計，涉及輕量化材料的常用焊接方法、材料的各種牌號、焊接材料選擇、焊接接頭設計、焊接工藝規(guī)范參數(shù)推薦[17]；另一方面能夠系統(tǒng)通過獲取焊接方法、材料牌號、焊接材料、焊接接頭等工藝知識，與現(xiàn)有推薦工藝進行比較，豐富焊接工藝知識庫，完善焊接工藝推理機制[18]。工藝分析專家系統(tǒng)是實現(xiàn)焊接自動化和智能化、提高焊接效率的前提。

5.輕量化材料焊接快速互換裝夾系統(tǒng)

輕量化材料焊接快速互換裝夾系統(tǒng)是借鑒機器人和輔助自動化設備比較成熟的汽車行業(yè)的柔性裝夾方式，克服傳統(tǒng)焊接裝夾只能應對單一品種、焊接工裝數(shù)量龐大、存儲管理復雜、換工裝耗時長等難題，采用統(tǒng)一的設計規(guī)范和標準，設計組合式、模塊化的柔性焊接工裝，提高互換性，實現(xiàn)一裝多用，實現(xiàn)機械快速定位和電氣快速切換。快速互換裝夾系統(tǒng)是實現(xiàn)焊接自動化、提升焊接效率、增強焊接制造柔性的重要因素。

6.輕量化材料焊縫質(zhì)量檢測系統(tǒng)

輕量化材料焊縫質(zhì)量檢測系統(tǒng)是區(qū)別于目前采用膠片成像、缺陷大小及類別人工判斷的現(xiàn)狀，采用X射線[19]、集成超聲相控陣等數(shù)字化實時成像系統(tǒng)[20]，亦或采用激光傳感系統(tǒng)實現(xiàn)對焊接缺陷的高精度自動檢測和判斷，以實現(xiàn)對焊接過程質(zhì)量的追溯[21]。焊縫質(zhì)量檢測作為焊縫質(zhì)量的有效控制手段穿插于焊接的各個環(huán)節(jié)，也是下一道焊接工序的通行證。輕量化材料焊縫質(zhì)量檢測工具的先進性、檢測的實時性和檢測效率對全焊接制造周期起著至關(guān)重要的作用。

7.輕量化材料焊接生產(chǎn)管理系統(tǒng)

輕量化材料焊接生產(chǎn)管理是以電子看板技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)等為基礎，通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）提供的工程數(shù)據(jù)庫及其應用接口，對企業(yè)資源計劃（ERP）、制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)

（MES）、計算機輔助工藝過程設計（CAPP）和計算機輔助制造（CAM）等系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)同設備互相聯(lián)系和交互，為焊接智能車間業(yè)務信息的獲取與處理的速度和準確性提供支撐，實現(xiàn)快速響應制造能力和精細化管理。輕量化材料焊接生產(chǎn)管理系統(tǒng)是焊接車間信息、設備、人員調(diào)度和管控的核心平臺。

8.輕量化材料焊接基礎數(shù)據(jù)庫

焊接基礎數(shù)據(jù)庫是以焊接母材、焊接材料、焊接工藝、焊接標準、焊接缺陷等為對象建立的數(shù)據(jù)庫。其中，焊接母材數(shù)據(jù)庫主要存儲焊接母材的化學成分、熱物理性能及力學性能，工藝人員無需翻閱紙質(zhì)版標準和手冊，可直接查詢焊接母材的相關(guān)數(shù)據(jù)。焊接材料數(shù)據(jù)庫主要存儲焊接材料及焊接材料生產(chǎn)信息的相關(guān)數(shù)據(jù)指標，工藝人員可大幅度降低焊接材料選擇難度，直接查詢相關(guān)焊接材料的數(shù)據(jù)信息及生產(chǎn)廠家的聯(lián)系方式。焊接工藝數(shù)據(jù)庫既包含類似的焊接工藝，又包含焊接工藝設計基礎知識，工藝人員可查詢此數(shù)據(jù)庫，直接調(diào)用成熟工藝數(shù)據(jù)或使用工藝數(shù)據(jù)作為參考。焊接標準數(shù)據(jù)庫可方便工藝人員查詢相關(guān)標準制。焊接缺陷數(shù)據(jù)庫存儲焊接生產(chǎn)中的各類焊接缺陷，便于用戶快速查詢分析?；A數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)產(chǎn)品一致性的重要保障。

四、結(jié)語

本文描述了傳統(tǒng)焊接車間制造技術(shù)手段和存在的問題，并結(jié)合國外汽車、飛機先進的制造車間要素，以焊接最終目標和需求、數(shù)字化和智能化技術(shù)發(fā)展趨勢、焊接車間柔性構(gòu)建三個維度作為焊接車間智能化要素的基本維度，總結(jié)汽車領(lǐng)域某先進智能焊接車間項目的智能化功能，并結(jié)合焊接工藝數(shù)字化和智能化技術(shù)發(fā)展趨勢，分析得出焊接車間智能化的八大基本要素，并描述了焊接車間智能化對應的八大基本要素系統(tǒng)，為焊接行業(yè)及企業(yè)進行車間數(shù)字化和智能化改造或建設提供參考。

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Factor Analysis of Lightweight Material Welding Workshop Intelligentization

This paper conducts strategic research on the following three dimensions: fi nal purpose and demand of lightweight material welding; development trends of digitized and intelligentized technology; and fl exible construction of the welding workshop. By combining these dimensions with the technology development trends of advanced workshop intelligentization and welding process digitization, eight basic factors that lightweight welding workshop intelligentization should satisfy are obtained, including welding control management real-time transformation, quality control while welding closed loop transformation, welding analysis datamation, welding technology analysis intelligentization, rapid interchangeable clamping ( fl exibility), welding line quality inspection instrumentalization,welding production management digitization, and welding foundation database paperless transformation. Furthermore, this paper systematically explains these factors, and provides a related conclusion that could be used in reference to the improvement or new establishment of welding workshop intelligentization.

welding technology; welding workshop; intelligentization; lightweight material; strategic research

TG42

A

2017-07-17；

2017-09-29

周安亮，機械科學研究總院，工程師，主要研究方向為智能制造和基礎工藝；E-mail: 15888812999@qq.com

中國工程院咨詢項目“基礎制造工藝與智能化技術(shù)融合發(fā)展戰(zhàn)略研究”(2015-ZCQ-01)

本刊網(wǎng)址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.05.018