数字化焊接技术研究现状与趋势
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数字化焊接技术研究现状与趋势
摘要：随着电子技术、计算机技术的快速发展，数字化技术已经逐渐渗透到焊接的各个环节。数字化焊接技术是多种技术的集成应用，包括机器人技术、传感技术、CAD/CAPP技术、网络技术、智能控制技术、数字建模技术等。
关键词：数字化；焊接工艺；发展趋势
伴随着现代信息技术的应用，数字化概念越来越清晰的呈现在了人们面前。所谓的数字技术通常主要是指根据计算机互联网为技术手段，根据信息的离散化程度以及传感和处理等学科理论方式为基础的集成技术。数字化技术作为信息技术的核心，也是两化融合的关键，是发展最为迅速的信息化技术，数字化焊接技术主要是数字化技术和焊接工艺技术相互结合而成的一类数字化应用技术，主要是包括了焊接装备数字化以及焊接工艺数字化等方面。
一、焊接技术概述
焊接技术是在高温或高压条件下，利用焊丝或焊条等相关的焊接材料焊接两块及以上的木材，将两块木材焊接成一个整体。焊接技术是一种传统的制造业工艺。焊接技术在工业中的应用时间尚短，但焊接技术发展速度较快。当前，焊接技术已经成为促进我国经济发展的关键力量。焊接技术正逐渐向数字化、智能化方向发展。当前，焊接技术中最为突出的技术就是数字化技术。所谓数字化技术特指利用互联网技术、计算机技术，通过信息离散化的方式，表述、传感、传递、处理、存储、执行和集成等信息科学理论及科学方法为基础的集成化焊接技术。数字化焊接技术对于当代经济发展具有重要价值。数字化化焊接技术一方面保证了焊接质量，提升了焊接工作效率，另一方面还改善了焊接工作环境，避免工作环境对工人的影响，减轻或消除了职业病的危害，同时也降低焊工的劳动强度，焊接自动化可以在恶劣的环境下进行焊接作业，比如各种爬行焊接机器人、水下焊接机器人等类型机器人的应用可以减轻或避免焊接人员在焊接过程中所面临的危险。因为数字化焊接技术是通过计算机、互联网等电子系统进行控制，能够通过调整控制焊接的参数值。因此，数字化焊接技术加工制造的质量是稳定而一致的，焊接水平也是恒定的。即便在焊接中出现了指令问题，也可以通过电子系统进行改正。除上述之外，数字化焊接设备的焊剂保护效果相对较好，且对环境的破坏性较低。
二、焊接装备单元级数字化技术分析
1.数字化焊接设备分析。数字化焊接主要是在逆变焊接的基础上，根据数之间控制技术作为基础，采用数字信号处理器作为核心，主要是为0/1编码的数字信号代替模拟信号。从而能够获得具有着精密化以及网络化和高效化的信息焊接。数字化焊接是使电源、机器人以及冷却装置和人机交互变得更加方便，全数字化焊接包括了焊接电源数字化、送丝接数字化以及焊接面板数字化。不仅仅焊接电源自身采用了数字化控制系统，电源和工艺过程交互控制也采用了数字化控制系统，其主要的特点为焊接内置焊接专家系统和数据库，能够使使用人员实现一元化操作，能够快速准确的获得最优的焊接工艺规范参数，从而保证焊接工艺的品质。体现了数据帧焊接核心的能力，全数字化焊接还具有着远程故障诊断以及远程修复等拓展的功能。数字化环节电源和更高的控制精度以及良好的接口兼容性在数字化焊接技术中发挥出越来越重要的作用。
2.焊接跟踪技术。这种技术在主要是作为单元技术，同时也是数字化焊接的重要组成内容。现阶段主要的接缝跟踪可以分为电弧自传感跟踪以及激光—CCD跟踪。传统的机械以及其中激光-CCD跟踪据具有着灵活以及方便等优势，表现也是较为活跃。电弧自动传感跟踪主要是适用于熔化极气保护，焊枪摆动会引起弧长具有着规律的波动，能够引起焊接电流巨变，同步感知电流的变化量，能够获得焊枪和坡口横向高低方向出现偏差，实现了有线的调整，该方法不需要在焊枪上附加外部的装置，电弧自传感完全消除了盲点区域以及滞后的误差，实时性比较强，但是也存在着必须要摆焊以及适应面窄等不足。针对于激光—CCD传感器的机理来说，主要是三角测量的而远离，当激光条文投入到坡口表面的时候，形成了截面结合条纹，能够得到坡口几何以及位置的信息。
3.熔池视觉技术的分析。大家都知道，经验丰富的焊工能够通过观察熔池形貌的变化，进而调整手中焊枪的姿势来获得优质的焊缝。表面熔池视觉形貌承载着和焊接质量相关的很多信息。研究人员为了克服强弧光以及飞溅对熔池传感带来的影响，采用脉冲激光器快速照射熔池，利用经过窄滤光的CCD采集到了清晰的熔池图像，实现了焊缝形成的控制。研究人员针对PMIG焊熔池，进行了CCD视觉检测采集，提取了熔池二维的几何信息，并且研究人员传感器采集了铝合金TIG焊熔池，通过熔池亮度差检测熔池边缘，获得了稳定的熔池边缘，采用椭圆逼近的方法获取了熔池宽、长以及面积，效果比较好。国内外业开展了阴影恢复的方法、双目立体视觉发以及结构光三维视觉的方法等重建熔池恢复图像。上海交通大学的研究人采用阴影恢复技术得出了熔池的三维形貌，并且采用线性化近似求解简化了计算的过程，从而对处理的速度进行提高。
三、焊接工艺数字化技术
1.焊接工艺自动化设计系统。焊接工艺自动化设计系统的应用中，哈工大、锅炉厂针对锅炉和压力容器焊接数据库进行了详细设计和分析，建立了完整的数据库，包括钢材、焊接材料的性能分析等内容。焊接性实验结果包括CCT图等内容。结合JB4708标准对面向对象设计法进行了阐述，提出UML模型、三层结构等理论，在进行焊接工艺评定处理中具有较高实用性。如对车辆进行了焊接工艺辅助设计、品质评价体系方面的分析，提出焊接接头信息数据、工艺自动处理等功能，切实达到了多参数、多规则性的求解。
2.焊接模拟仿真技术。焊接数值模拟技术主要是借助基本物理特征量的描述来机械能焊接过程的模拟和求解，数值方法计算后可对焊接过程进行全面的定量分析处理。数值模拟、仿真处理、人工智能的结合对工艺参数的制定和优化起到了保障性功效，对工艺方案的制定、加工过程的预测、缺陷问题的防止等起到了积极影响，对保障工件品质起到了促进作用。借助该技术还可进行当下实验室内无法解决问题的分析和研究。新时期，数值模拟技术已经逐渐渗透到各个方面，包括熔池形态、传热特性、变形预测等。同时焊接接头的组织性能、力学性能等也有了较大进步，尤其是组织模拟方面逐步引入了新技术，包括蒙特卡洛法，模
拟效果良好。 3.车间级焊接数字化技术。（1）焊接物联网、工艺参数传感系统。车间级焊接数字化技术主要包括：装备智能化、生产管理网络化、接头质量透明化等。唐山松下借助焊机群组化管理与数字化信息技术进行了结合，建立了焊机网络监控体系，借助该网络体系可快速实现焊接信息、焊机数据和品质方面的管理，还可及时进行电流电压、时间、焊丝消耗量等方面的管理。时代科技企业借助CAN总线实现了设备和上位机的交互处理，建立了集中化控制系统。山东奥太系统将数字化焊机作为最小单元，建立了自动焊接系统，通过局域网逐渐实现了信息互通和控制处理。（2）焊接过程和焊缝质量的数字化评价技术。焊接过程属于一项高度复杂的变化过程，其稳定性、性能等一般会借助电流电压等进行展示。经由传感器设备等进行电流电压、熔池图像信号的采集，并针对相关数据进行实时动态分析。
随着当前信息技术的发展与应用，数字化理念越来越受到人们的重视。而数字化焊接技术结合了焊接技术与数字化技术，是一种数字化应用技术，能够有效的提高焊接的质量、可靠性、稳定性与焊接的效率，降低能量的消耗，缩短工时，减少支出成本。因此，数字化焊接技术的应用也在逐渐的扩大。本文主要分析了数字化焊接技术发展现状及趋势，以供参考。
参考文献：
[1]林丽.我国焊接生产现状与焊接技术的发展[J].船舶工程,2018,S1:15-24.
[2]蔡旭.数字化焊接车间的技术基础与结构[J].电焊机,2018.
