曹 正

（山東兗礦智能制造有限公司，鄒城 273599）

隨著工業(yè)技術發(fā)展水平的不斷提高，工業(yè)機器人在工業(yè)領域的應用日趨廣泛。根據《2022 年世界機器人報告》，2021 年我國機器人密度（萬名產業(yè)工人對應的機器人保有量）達到322 臺，位居世界第5，如圖1 所示。焊接機器人是執(zhí)行焊接、切割、熱噴涂等命令的工業(yè)機器人，在現(xiàn)代工業(yè)制造中應用廣泛，其具有的諸多優(yōu)勢使得機器人焊接逐步取代人工焊接成為趨勢。焊接機器人通常由機器人本體系統(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]。機器人焊接的關鍵技術包括本體技術、電源技術、傳感技術、協(xié)調控制技術以及離線編程技術等[2]。

圖1 2021 年制造業(yè)機器人密度（前6）

1 焊接機器人技術的發(fā)展與應用現(xiàn)狀

1.1 焊接機器人的發(fā)展

在數(shù)控技術的基礎上，第一項工業(yè)機器人專利申請在1954 年獲批，此后工業(yè)機器人技術不斷發(fā)展。焊接機器人于20 世紀60 年代誕生，經過示教再現(xiàn)、離線編程和智能焊接3 個階段的發(fā)展，目前數(shù)量約占工業(yè)機器人的1/3，在工業(yè)生產中具有重要地位。焊接機器人是機器人焊接技術的核心，通常是高自由度、強非線性與剛柔耦合的多體系統(tǒng)。機器人的焊接步驟如圖2 所示。

圖2 機器人的焊接步驟

1.1.1 示教再現(xiàn)焊接機器人

示教也稱引導，指機器人由用戶引導，完成整個焊接過程并記憶用戶指令（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)示教動作，完成焊接命令。但是，示教再現(xiàn)型機器人依賴于用戶經驗，對外部環(huán)境的適應性較差，焊件的缺陷多，熔透差。因為定位誤差累積和結構件熱變形，實際焊縫的軌跡存在偏差且無法自動修正，所以要求焊接工件不易變形并具有較高的一致性。

1.1.2 基于傳感技術的離線編程焊接機器人

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

1.1.3 智能焊接機器人

焊接技術已經由最初的手工技術發(fā)展為先進的專門科學，常見的焊接方式有埋弧焊、手工電弧焊、二氧化碳氣體保護焊、焊接機器人等[5]。簡單的機器人焊接越來越不適合現(xiàn)代生產，這是因為焊接過程本身是非線性和多變量耦合的，同時含有大量不確定性。機器人不能像人一樣快速適應復雜工況，難以實現(xiàn)精確控制。焊接制造業(yè)具有多批次、小批量的特點，存在環(huán)境惡劣、高技術人才缺乏等問題，焊接技術的智能化成為提升產量、質量的關鍵。對于小、中批量的生產，與人工機械化相比，自動化生產的單位執(zhí)行成本最優(yōu)。

基于焊接任務的智能規(guī)劃、焊接傳感與動態(tài)過程的智能控制以及機器人系統(tǒng)配套技術的進步，研制出智能焊接機器人。自主學習和自主思考是智能焊接機器人的典型特征。通過先進的技術融合，面向不同的作業(yè)場景、任務、工藝，能夠實現(xiàn)自主、自動，高效完成焊接任務，并保證焊接質量[6]。

智能焊接機器人在機械結構件生產中具有諸多優(yōu)勢，通過編程，可使機器人按照設定的路徑和工藝參數(shù)進行焊接操作。焊接過程中產生的缺陷有表面氣孔、咬邊、未焊透等，工業(yè)中智能焊接機器人的應用使得飛濺明顯減小、焊縫表面光滑、成型均勻、不存在咬邊，可以提高生產效率，顯著提高焊接質量。此外，智能焊接機器人在降低廢品率的同時，可以適配復雜的焊接任務，提升生產安全性。對于危險、惡劣的工作環(huán)境，如船舶、核電站的維護、維修工作中，工業(yè)機器人不可或缺[7]。

1.2 焊接工藝發(fā)展趨勢

1.2.1 手工焊接和機器人焊接長期共存

手工焊接與機器人焊接在未來相當長的時期內將共同存在、共同進步，手工焊接仍是復雜環(huán)境、復雜工藝產品生產的首選。機器人技術在未來會不斷提升，手工焊接與機器人焊接會合作更加密切、應用更加廣泛、焊接質量更加優(yōu)良。中低端手工焊接會逐漸被淘汰，對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

焊接技術不斷進步保證了焊接效率和焊接質量的提升，生產生活等行業(yè)對產品的要求將愈發(fā)嚴苛，焊接工藝水平也會逐步提高。多機器人協(xié)同工作、人工與機器人協(xié)同工作將成為有效的處理方式，機器人技術也將朝著智能化、柔性化的方向發(fā)展。自主學習、自主思考、自主決策是對智能化機器人的要求，而靈活多變、剛柔并濟是對柔性化機器人的要求。焊接機器人將在解決復雜工況、惡劣施工環(huán)境等問題方面發(fā)揮著重要作用。

2 焊接質量控制

焊接的行業(yè)標準通常要求焊接外觀光滑、美觀，焊縫寬度一致。另外，焊接金相質量、焊接金屬和焊接頭的力學性能及化學成分都有對應的行業(yè)標準。對于焊接質量的控制通常包括4 個方面。

2.1 焊接人員

焊接人員的技術水平是決定焊接質量的主導因素，會直接影響焊接工藝的結果。加強人員培訓，提高操作人員的專業(yè)素養(yǎng)和技術水平，可以使焊接機器人以固定的速度和方向進行焊接，保證焊縫的一致性和質量，從而具有較高的精度和穩(wěn)定性。

2.2 焊前準備

優(yōu)化結構件的結構設計，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)復雜外形，選取合理的拼接方式、焊接點和焊接數(shù)量，降低后續(xù)離線程序編程或機器人自主決策的難度，提高生產效率。其次，優(yōu)化工藝參數(shù)和焊接順序，保證用材質量，選取合適的焊接環(huán)境，必要時采取保護措施，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，避免磕碰、劃擦等影響結構件外觀和質量。最后，注重設備的焊前檢查，檢查設備軟件、硬件狀況，確保程序、參數(shù)不出錯。

2.3 焊中控制

焊接過程是焊接的關鍵階段，也是問題集中出現(xiàn)的階段，裂縫、焊渣飛濺和焊接金屬熱效應是焊接中的常見問題，對于焊接過程的細節(jié)管理是提高焊接質量的關鍵。首先，由于焊接應力的存在，焊接接頭處容易產生裂縫，須在焊接過程中實時控制并及時修補。焊渣飛濺如不及時清理容易凝固在結構件表面，出現(xiàn)結疤，影響結構件外觀和使用。其次，在大規(guī)模焊接工作開始前，應進行焊接試驗，了解不同材料、不同加工方式等造成的焊接表現(xiàn)的細微差別，及時調整方案與工藝，做好應對措施。最后，使用適當?shù)臋C械輔助焊接，對于不同的焊接場景和結構件，需要采取不同的機械輔助，以彌補人力勞動存在的不穩(wěn)定性和焊接機器人功能上的不足，降低勞動強度。

2.4 焊后處理

完善焊后處理程序，增加保護措施，避免因保護不當影響成品質量。選擇適宜的冷卻時間，避免因冷卻時間過短損傷焊點。根據材料特性對焊點進行相應的后處理，如細微切割、鍍層、打磨、敲打等。同時，加強成品儲存和運輸保護，減少投入使用前受到的力學和化學損傷，避免造成不必要的損失[8]。

3 結語

焊接工藝一直是現(xiàn)代制造工藝中不可或缺的一部分，焊接機器人的使用是現(xiàn)代焊接技術的重要標志之一，其在生產效率、焊接質量、適應性和空間利用方面具有一定優(yōu)勢，能夠在集中單位成本的基礎上降低工作成本。我國機器人產業(yè)應突破技術壁壘，增強材料、加工工藝等基礎研發(fā)力度，提升自主創(chuàng)新能力和核心競爭力，加速向中高端市場邁進。