数字化焊接技术发展趋势分析

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

随着汽车市场的快速发展，对生产效率及生产质量的要求不断提高，以工业机器人为主体的自动化设备被迅速推广应用到焊接生产线中，不仅能够更好地适应三维空间焊点的可达及焊缝轨迹的变化，保证了焊接接头质量的稳定性和一致性，从而保证了焊接结构件的安全性和可靠性，同时对车间现场孤光、高温及粉尘等作业环境也能更好适应。因此，机器人等自动化设备的投入使用对车间生产的高度柔性生产亦有极大提升，增强了生产系统对新产品的适应能力。

而数字化技术的融入，必将进一步提升汽车制造业的发展进步。所谓数字化技术，即以计算机软硬件为主体技术手段，以信息的离散化表达、传递、处理、存储以及执行等信息科学理论方法为基础的集成技术。数字化焊接技术在此基础上发展起来，将数值计算、数值分析和实时控制等数字处理及微机控制的基本功能融入焊接过程及焊接工艺，进而实现数字化焊接。数字化焊接技术的应用推广，将有利于提升焊接过程和焊接质量的稳定性，有效控制飞溅等产生。而随着视觉技术、人工智能技术等新兴学科与机器人技术的进一步融合，必将促使焊接技术向着实现焊接过程的数据化、焊接质量智能化的方向发展，以达到较好的柔性和监控效果。

1 焊接数据库

目前，数据库技术在装备制造领域应用已经较为成熟，如热处理加工数据库、压力成型数据库等，通过建立相应的数据库，可以对相关领域的数据信息进行科学的分类管理并提供高效的查询。早在20世纪，日欧等国就已经开始注意收集汇总焊接数据并建立焊接数据库。与其他数据库类似，焊接数据库也具有数据库本身的一些特征，从组成上可以分成前台人机界面、后台数据库、后台管理系统三大组成部分；从涵盖数据种类上又可以大致分为焊接工艺、焊接平台应用数据库、焊接材料数据库，个别公司甚至建立焊接设备管理数据库、焊接生产技术数据库以及焊接操作工档案管理数据库等。总的来说，现有通用的焊接数据库可以分为焊接基础数据库和焊接CAPP系统。焊接基础数据库包含焊接过程的基本数据及焊接的通用标准和规范，如焊接母材、焊接设备、焊接工艺参数等；而焊接CAPP系统主要管理焊前工艺文件。通过焊接数据库，方便使用者快速地查阅焊接相关数据进而对焊接工艺进行设计，能够极大地提升工作效率和焊接质量，为焊接专家系统提供基础，进而实现焊接生产过程的数字化管理。图1为焊接数据库构成图。

图1 焊接数据库构成

2 焊接专家系统

所谓专家系统通过汇总某一领域内众多专家的经验和理论，进而模仿专家的推理判断方法，针对该领域的复杂问题进行分析解决的计算机软件系统。专家系统的应用，能够有效减少决策时间，同时提高决策的准确性。焊接专家系统在焊接数据库的基础上，收集众多焊接规范及实践成功经验，如焊接方法、焊接参数（电流、电压及板厚）、坡口形状、送丝速度等。通过焊接专家系统，普通操作者只需要输入其中几项参数就能获取到最佳的焊接参数设计，进而将参数自动下达到焊接控制器进行焊接操作。

目前，汽车制造行业常用的几种焊接专家系统主要如下：（1）焊接工艺专家系统。能够根据输入的焊接条件（如被焊接材料类型、焊接工艺方法、焊接接头形式等）进行焊接工艺设计及焊接参数优化。（2）焊接缺陷诊断专家系统。能够通过焊接的缺陷特征或者针对已经检测出的焊接缺陷，快速判断缺陷类型和成因分析。（3）焊接过程控制专家系统。主要根据焊接过程检测装置，对焊接位置偏差的检测、对焊接熔透情况的检测、对焊接变形的检测等，进行实时焊接工艺和焊接装置调整的专用系统。（4）焊接机器人专家系统。主要根据焊接机器人的特点，与焊接检测装置和焊接专家系统结合使用，实现专家系统对焊接机器人的智能控制。

3 数字化焊接仿真

数字化工厂技术即通过计算机仿真技术、虚拟现实技术以及信息化技术等，以实际生产状态为基础，在计算机中对生产过程进行虚拟设计，进而评估和优化整个生产过程。数字化焊接仿真是数字化工厂技术的重要一环，一方面，通过对基本物理特征量的描述，依据数值模拟技术对焊接过程进行模拟和求解，包括熔池形态、传热特性、变形预测等，从而可以对焊接过程（焊接接头的组织性能、力学性能等）进行全面的定量分析处理，预测可能产生的成产缺陷并最终优化工艺方案和和焊接过程，保障工件品质；另一方面，通过仿真分析，可以离线进行焊接生产过程可行性分析，完成生产线布局规划动态仿真，优化焊接路径并消除干涉，缩短在线调试时间，进而加速汽车开发周期。图2为焊接过程仿真图。

图2 焊接过程仿真

4 结语

数字化焊接技术是计算机技术与焊接技术相互融合的产物，其发展必然以服务于焊接生产为目的。目前，数字化焊接技术已经取得了一系列发展和成果，但是更多的是以相对独立的焊接设备系统存在，需要更多的智能化、数字化技术的融入结合，以使数字化焊接技术为数字化汽车制造乃至汽车制造全生命周期服务。可以预见，未来数字化焊接的发展趋势：（1）网络化。将独立的数字化焊接设备组成网络，实现工艺调试、质量监控网络化。（2）智能化。随着人工神经网络、模糊控制以及专家系统等人工智能技术在控制领域的应用，人工智能已经越来越为人熟知，如将模糊控制应用于焊缝跟踪，BP神经网络应用于焊接质量监控等，人工智能的应用必将有利于焊接工艺的优化及焊接缺陷的预测。（3）柔性化。数字化焊接技术需要将多种工艺集于一身，以其为基础组成的焊接加工系统具备一定的柔性，可以一定程度上满足不同材质、不同工件对焊接工艺的不同需要。