弧焊技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

引言
    弧焊技術(shù)是現(xiàn)代焊接技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有的焊接生產(chǎn)領(lǐng)域。近年來隨著市場競爭的日趨激烈，提高焊接生產(chǎn)的生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化越來越得到焊接生產(chǎn)企業(yè)的重視。而人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、數(shù)字化信息處理技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)的溶入，也促使弧焊技術(shù)正向著焊接工藝高效化、焊接電源控制數(shù)字化、焊接質(zhì)量控制智能化、焊接生產(chǎn)過程機(jī)器人化的方向發(fā)展。
1 焊接工藝高速高效化
    以實(shí)現(xiàn)高速度、熔敷率、高質(zhì)量的焊接工藝為目標(biāo)，國內(nèi)外在多絲多弧焊接工藝、多元?dú)怏w保護(hù)焊接工藝、活性化焊接新工藝等方面開展了廣泛而深入的研究。
1.1 多絲多弧焊接新工藝
    傳統(tǒng)的弧焊工藝（如TIG焊、CO2焊）一般采用單電源供電或單焊絲的方式，近年來日本、瑞士、德國等公司在多根焊絲配以單個(gè)或多個(gè)電源方面進(jìn)行焊接開展了大量的研究工作，在提高焊接生產(chǎn)速度和金屬熔敷率方面取得了一些實(shí)用化的成果。
    日本的藤村告史開發(fā)的多絲焊接系統(tǒng)采用電流相位控制的脈沖焊接焊絲，電弧在三條焊絲上輪流燃燒，在保證電弧挺度的同時(shí)，通過調(diào)節(jié)各焊絲之間的位置關(guān)系及其焊接方向的夾角，來改變能量分布，使焊接過程穩(wěn)定，從而減少咬邊及駝峰等成形缺陷。該方法可用于角焊縫的高速焊接，焊速可以達(dá)到1.8 m/min。
    為了避免一個(gè)電弧時(shí)熱量過于集中，電流太大時(shí)發(fā)生燒穿，日本IHH發(fā)明了雙弧TIG焊法，其原理如圖1所示。兩個(gè)電極是四方形的，中間用絕緣材料絕緣，另外外加熱絲補(bǔ)充；三者都采用脈沖電流，兩個(gè)電極的脈沖和基值電流時(shí)間由同步器協(xié)調(diào)至正好互補(bǔ)，但電流值不同。在橫焊時(shí)兩個(gè)電極一上一下，上電極電流小，下電極電流大，可以進(jìn)行窄間隙焊接。
    日本在54屆IIW年會(huì)上發(fā)表的雙絲MAG焊工藝，其原理是用熔池過熱多余的熱量來熔化填充焊絲，增加熔敷率，同時(shí)用大電流提高焊接速度。在焊接電流大，焊接速度快的施焊條件下，由于填充絲吸收了熱量，母材熱影響區(qū)熱輸入大為減少，減少了性能惡化和變形，也改善了焊縫成形。如圖2所示，前面的焊絲產(chǎn)生電弧，后面的填充絲直接插入熔池，流入熔池的電流有一小部分倒過來通過填充絲流入地線。由于兩根焊絲的電流相反，熔滴在反向電流產(chǎn)生的磁場排斥作用下向前傾斜，而使填充絲能順利送入熔池，填充絲下部導(dǎo)管用陶瓷保溫，增加熔化率。
    德國CLOOS公司開發(fā)的適用于中厚板焊接的TANDEM高速雙絲焊絲設(shè)備，將兩根焊絲按一定的角度放在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的焊槍里，兩根焊絲分別由各自的電源供電，除送絲速度可以不同外，其它所有的參數(shù)（如焊絲的材質(zhì)、直徑，是否加脈沖等）都可以彼此獨(dú)立設(shè)定，從而保證電弧工作在最佳狀態(tài)。與其它雙絲焊技術(shù)相比，不僅可以提高熔敷速度，大大提高焊接效率，而且由于兩根焊絲處于同一熔池，降低了氣孔敏感性，改善了焊縫質(zhì)量。正常條件下，TANDEM雙絲焊工藝的焊接速度可達(dá)2~6 m/min，熔敷率約20 kg/h，配用電源60％暫載率，電流2×550 A，最高脈沖電流可達(dá)150 0 A。
    1998年，美國Kentucky大學(xué)發(fā)明了一種能顯著增加熔深的而且成本低廉的雙面雙弧焊接工藝（DSAW）。DSAW焊接方法有效地提高了電弧穿透力，增加了熔深；減小了熱影響區(qū)的尺寸；降低了試件厚度方向的溫度梯度，從而有利于減小熱變形。其不足之處在于：該工藝需要同時(shí)在工件的正反面進(jìn)行焊接，在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性；由于其背面不能加墊板等，因而無法應(yīng)用于薄板焊接，而只能用于中等厚度板的直接對(duì)接焊接。
    激光的高能量密度可用來提高焊接效率，但焊接工藝中遇到的問題主要是由于光束直徑很細(xì)，要求坡口裝配間隙小于0.5 mm，跟蹤精度要求高，同時(shí)在尚未形成熔池時(shí)熱效率很低。這些問題可以通過激光－MIG復(fù)合焊解決。由于 MIG焊的復(fù)合，熔池寬度增加使得裝配要求降低，焊縫跟蹤容易，由MIG電弧可以解決初始熔化問題，從而可以減少使用的激光器的功率。同時(shí)MIG焊的氣流也可以解決激光焊金屬蒸汽的屏蔽問題，MIG焊便于加入填充焊絲，從而可以避免表面凹陷形成的咬邊。而激光焊的深熔、快速、高效、低熱輸人特點(diǎn)仍保持。
    三菱重工最近開發(fā)了一種可快速實(shí)現(xiàn)坡口焊接和鋁合金焊接的復(fù)合 YAG激光焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)將激光光束和電弧電極同軸合成在一個(gè)焊接電極頭中，充分發(fā)揮了激光焊接和電弧焊接的各自優(yōu)點(diǎn)，降低了激光焊對(duì)坡口定位精度的要求，可以焊接的間隙達(dá)到0.8 mm的坡口；同時(shí)由于電弧減緩了激光照射部分的急劇冷卻，可防止焊接鋁合金是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋及氣孔等。
    奧地利Fronius公司開發(fā)的最新的高速GMA焊接系統(tǒng)，采用兩套電源兩套送絲系統(tǒng)，送絲速度、焊接電流、焊接電壓及兩條焊絲燃弧與短路的相對(duì)時(shí)序關(guān)系均可以分別控制。采用該系統(tǒng)，用1.2mm焊絲焊接2.3mm厚鋁板時(shí)的焊接速度可以達(dá)到2m/min。
1.2 活性化TIG焊接技術(shù)
    普通TIG電弧進(jìn)行不銹鋼、鈦合金、鋁合金等材料焊接時(shí)，由于電弧熱量分散及電弧力數(shù)值低等原因，通常單層焊接只能夠獲得較小的熔深。對(duì)于厚度較大的板材或管材焊接，需背面完全熔透時(shí)，就要進(jìn)行坡口加工并采用多層焊接。多年來國外一些機(jī)構(gòu)（如英國TWI、美國EWI、烏克蘭PATON）就如何提高TIG焊效率問題進(jìn)行了研究，并逐步提出了“活性化TIG焊（A-TIG焊）”的概念。近來國內(nèi)有關(guān)單位在此領(lǐng)域也開展了一些研究工作。對(duì)A-TIG焊中的“電弧收縮”現(xiàn)象和“熔池表面張力變化”現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。實(shí)驗(yàn)表明，把某種物質(zhì)成分的活性劑涂敷在被焊件母材焊接區(qū)，正常規(guī)范下焊接熔深大幅度提高，比如不銹鋼材料的焊接，其單層熔深可以增加一倍以上，6mm厚度試板不開坡口可以一次焊透�；�于其在提高焊接生產(chǎn)效率方面的顯著效果，活性化焊接技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。
1.3 改變保護(hù)氣體成分提高焊接速度
    瑞典的AGA公司通過改變保護(hù)氣體成分來提高焊接速度，采用高速送絲、大干伸長和低氧化性氣體MISON8（該公司專利產(chǎn)品），焊速可達(dá)1~2 m/min。
    奧地利的Fronius公司代理的專利技術(shù)T.I.M.E焊接工藝，采用大干伸長來增加熔化焊絲的電阻熱，采用O2、CO2、He、Ar四元保護(hù)氣體，在連續(xù)大電流區(qū)間獲得了穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流過渡形式，使其焊絲熔敷率較傳統(tǒng)MAG焊工藝提高2~3倍，達(dá)到430 g/min。
1.4 小結(jié)
    焊接過程中為形成熔池并保持熔池的穩(wěn)定性，需要電弧提供足夠的瞬時(shí)功率和熱輸入。這一瞬時(shí)功率值應(yīng)該保持在一個(gè)范圍，過低則無法形成連續(xù)焊道，過高則會(huì)造成駝峰、咬邊等缺陷。傳統(tǒng)的單絲電弧焊很難通過加大電流的方式來提高焊速，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量的高速高效化焊接，必須在增加對(duì)母材和焊絲的總能量輸入的同時(shí)，合理配置用于形成熔池和熔化焊絲的瞬時(shí)功率，即應(yīng)該在保持足夠的對(duì)熔池的瞬時(shí)輸入功率的前提下，盡可能多的增加用于熔化焊絲的瞬時(shí)功率，以提高熔敷效率。
    上面所述的多絲多弧焊接工藝，實(shí)質(zhì)是改變了焊接過程中的瞬時(shí)功率分配。多元?dú)怏w提高焊接速度的工藝，也是在保證良好的焊縫保護(hù)的前提下，增加焊絲熔焊率來實(shí)現(xiàn)的�；钚曰�焊接技術(shù)是通過改變表面張力分布來影響熔池金屬的流動(dòng)方式、改變電弧氣氛來影響電弧形態(tài)，從而以增加焊縫熔深、改善焊縫成形的途徑來提高焊接效率。
2 焊接電源控制數(shù)字化
2.1 CO2焊接電源控制
    早期的CO2短路過渡焊接電源采用一般采用恒壓外特性。為實(shí)現(xiàn)其一元化控制，首先要通過大量的焊接工藝試驗(yàn)，以獲得最高的短路過渡頻率為目標(biāo)確定電弧電壓與焊接電流之間的線性匹配關(guān)系。使用中，采用單個(gè)旋鈕在調(diào)節(jié)焊接電流的同時(shí)按照匹配關(guān)系確定電弧電壓，從而降低飛濺，保證焊縫成形良好。
    但是影響CO2短路過渡過程的因素很多，以焊接電流和電弧電壓的最優(yōu)匹配關(guān)系為基礎(chǔ)的一元化調(diào)節(jié)很難克服短路過渡過程的隨機(jī)性及干伸長、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等因素的影響，為此研究了一種基于單片機(jī)的電弧電壓自尋優(yōu)模糊控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以操作者所選擇的焊接電流為唯一的設(shè)定參數(shù)，自動(dòng)對(duì)電弧電壓進(jìn)行以實(shí)現(xiàn)最高短路過渡頻率為目標(biāo)的自尋優(yōu)，使得此類焊機(jī)實(shí)現(xiàn)了以真正的單旋鈕調(diào)節(jié)為特征的一元化控制。
    20世紀(jì)80年代以來人們逐漸認(rèn)識(shí)到CO2短路過渡中的短路電流和瞬時(shí)短路是造成飛濺的兩個(gè)主要因素，通過對(duì)短路過渡過程各階段電流波形的快速而精確的控制可以有效地降低飛濺、改善焊縫成形。具體的控制思想為：在燃弧末期和短路初期減小電流以減少瞬時(shí)短路，在短路末期將其電流降低以減少短路液橋爆斷引起的飛濺，燃弧初期減小電流以減少引弧沖擊引起的飛濺，燃弧中期施加電流脈沖以增加熔深、改善焊縫成形。基于上述思想，分別從外特性控制、波形參數(shù)優(yōu)化控制、表面張力過渡控制技術(shù)等方面開展了相應(yīng)的研究工作，獲得了良好的工藝效果。
    在波形控制的基礎(chǔ)上，研究了一種智能化的CO2焊接電源自尋優(yōu)控制器，其基本功能是：以電流為唯一的設(shè)定參數(shù)，通過在線檢測(cè)、計(jì)算短路過渡特征參數(shù)以及一元化自適應(yīng)微調(diào)，使特征參數(shù)和焊接規(guī)范調(diào)整到合適的范圍內(nèi)，使焊接電源處于和諧穩(wěn)定、綜合性能較好的工作狀態(tài)，同時(shí)對(duì)短路過渡初期和末期的電流波形及燃弧初始階段的電流波形進(jìn)行控制，以進(jìn)一步的減少飛濺、改善焊接電源性能。
2.2 脈沖MIG焊接電源控制
    脈沖MIG焊接電源輸出的電流波形，它包括基值電流、峰值電流、基值電流時(shí)間、峰值電流時(shí)間、峰值電流上升斜率、峰值電流下降斜率等參數(shù)，因而參數(shù)設(shè)置與匹配比較復(fù)雜。Amin等最早提出了Synergic控制法，根據(jù)送絲速度的變化自動(dòng)匹配電流脈沖參數(shù)，從而使熔化速度和送絲速度相適應(yīng)，其不足之處在于系統(tǒng)對(duì)弧長擾動(dòng)無能為力。為此，QH-ARC 103控制法采用多折線外特性，成功實(shí)現(xiàn)了弧長的閉環(huán)控制。由于上述兩種方法并沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)熔滴過渡的精確控制，一個(gè)脈沖周期內(nèi)可能過渡一個(gè)熔滴，也可能過渡多個(gè)熔滴，無法保證熔滴過渡的均勻一致性。于是，出現(xiàn)了在保持單元電流脈沖能量恒定的前提下，對(duì)弧壓和送絲速度均進(jìn)行反饋控制的綜合控制法，從而實(shí)現(xiàn)了一脈一滴控制。更進(jìn)一步，還通過調(diào)節(jié)峰值電流和基值電流的時(shí)間來克服干伸長對(duì)熔化速度和熔滴體積的影響，在保證一脈一滴過渡的同時(shí)還保證每個(gè)熔滴的體積基本不變，從而使得熔滴過渡過程更加均勻、穩(wěn)定。
2.3 數(shù)字化焊接電源
    1994年公司的Lahnsteiner. Robert指出現(xiàn)代GMAW焊接電源應(yīng)滿足多方面的不同需求，如：適合于短路過渡焊接、脈沖焊接、射流過渡焊接和高熔敷率焊接等焊接工藝的合理的焊接電源外特性可以通過原邊工作于開關(guān)狀態(tài)的逆變電源實(shí)現(xiàn)；大量的焊接規(guī)范參數(shù)的設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)Synergic控制（一元化控制）以使焊接電源便于操作；為滿足新的質(zhì)量控制要求，焊接電源必須實(shí)時(shí)記錄焊接規(guī)范參數(shù)、識(shí)別偏差量等。
    基于上述思想，伴隨著新型的功能強(qiáng)大的數(shù)字信息處理器DSP的出現(xiàn)，F(xiàn)ronius公司推出了全數(shù)字化焊接電源，隨后Panosonic等公司也推出了各自的數(shù)字化焊接電源產(chǎn)品，并相繼進(jìn)入中國市場。數(shù)字化焊接電源實(shí)現(xiàn)了柔性化控制和多功能集成，具有控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、產(chǎn)品一致性好、功能升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)。如Fronius公司的Transplus synergic 2700/4000/5000>系列產(chǎn)品在一臺(tái)焊接上實(shí)現(xiàn)了MIG/MAG、TIG和手工電弧焊等多種焊接方法，可存儲(chǔ)近80個(gè)焊接程序，實(shí)時(shí)顯示焊接規(guī)范參數(shù)，通過單旋鈕給定焊接規(guī)范參數(shù)和電流波形參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)熔滴過渡和弧長變化的精確控制。同時(shí)，此類焊接電源還可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工藝管理和控制軟件升級(jí)。
    就控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，數(shù)字化焊接電源的控制部分由單片機(jī)和DSP共同構(gòu)成。單片機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體管理及給定參數(shù)的輸出，而逆變器的PWM信號(hào)產(chǎn)生和電流、電壓的PI控制則由DSP完成。與傳統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成的PWM信號(hào)發(fā)生器和PI控制器相比，基于軟件方式實(shí)現(xiàn)的控制器具有更大的靈活性。 
2.4 小結(jié)
    焊接電源的發(fā)展與電力電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展密不可分。從硬件電路角度看，數(shù)字化電源借助DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了PID控制器和PWM信號(hào)發(fā)生電路的數(shù)字化。隨著實(shí)現(xiàn)了模擬電路和數(shù)字電路有機(jī)結(jié)合的混模電路的出現(xiàn)，預(yù)計(jì)不久的將來分立式的模擬電路將逐步為高度集成的數(shù)字化混模電路所取代。而焊接電源和功率模塊的設(shè)計(jì)制造也可根據(jù)需要以數(shù)字化的方式完成。焊接電源的能量控制由電流、電壓、時(shí)間的協(xié)同方式來完成，具體表現(xiàn)為輸出波形的數(shù)字化。另一個(gè)重要的發(fā)展方向是焊接制造數(shù)字化，即用噴墨打印機(jī)的方式，根據(jù)用戶需求以細(xì)小熔滴的方式直接堆積為三維零件。
3 焊接質(zhì)量控制智能化
3.1 焊縫自動(dòng)跟蹤
    在焊縫自動(dòng)跟蹤方面，傳感器提供著系統(tǒng)賴以進(jìn)行處理和控制所必須的有關(guān)焊縫的信息，電弧傳感具有其它方法所不可比擬的技術(shù)優(yōu)、成本低的特點(diǎn)。電弧傳感器的基本原理是從弧長變化所引起的電弧參數(shù)的變化中獲取電弧掃描時(shí)焊矩高度的變化，并根據(jù)焊矩與焊縫的幾何關(guān)系導(dǎo)出焊矩與焊縫的相對(duì)位置等被傳感量。開發(fā)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器采用特制的空心電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)掃描焊矩小巧靈活，調(diào)節(jié)方便，機(jī)械振動(dòng)小，焊矩可達(dá)性好，具有較強(qiáng)的適用性和較高性價(jià)比。該傳感器已成功地檢測(cè)焊縫焊矩橫向與高低方向偏差及焊縫坡口表面輪廓線。
    一種基于結(jié)構(gòu)光的視覺傳感系統(tǒng)被開發(fā)。激光器產(chǎn)生的線結(jié)構(gòu)光投射到工件表面，經(jīng)反射后由線陣CCD接收。焊縫坡口附近的特征點(diǎn)A-B-C-D-E在線陣CCD上的對(duì)應(yīng)成像為a-b-c-d-e點(diǎn)。經(jīng)過計(jì)算可以描述出焊縫坡口的截面形式和具體尺寸。目前此類系統(tǒng)已在焊縫跟蹤、坡口形狀與接頭形式檢測(cè)、多道焊排道等方面得到應(yīng)用。
    采用CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)獲取焊接區(qū)域的視覺圖像，通過計(jì)算機(jī)對(duì)視覺圖像進(jìn)行分析和處理，同時(shí)從視覺圖像信號(hào)中提取出焊縫偏差和弧長信息，從而建立了一種精密脈沖TIG焊焊接系統(tǒng)。通過選用合適波長的濾光片和合理的攝像機(jī)拍攝時(shí)刻，系統(tǒng)可以獲得清晰的焊縫視覺圖像。視覺圖像中同時(shí)反映了熔池、焊道、電弧及鎢極的成像等焊接信息。經(jīng)過圖像處理后，對(duì)三者的空間相對(duì)位置進(jìn)行解耦運(yùn)算，可以分別得到熔池中心（弧斑）與焊縫中心的偏差及弧長信息。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于由厚度為0.33mm的3mm×4mm矩形管螺旋盤繞而成的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管縮比件的精密焊接，取得了較好的工藝效果。
3.2 熔滴過渡控制
    GMAW焊接時(shí)在熔滴的電弧根部形成能夠發(fā)射弧光的金屬蒸汽源，當(dāng)縮頸破裂之后，覆蓋整個(gè)熔滴根部的弧光立即熄滅，跳到焊絲的新頂端，這大大減小了電弧發(fā)射光通量。熔滴過渡后，弧光通量增加�；�于這一現(xiàn)象，檢測(cè)脈沖GMAW焊接過程中電弧光通量的改變，來檢測(cè)熔滴過渡，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)了“一脈一滴”控制。
    ZhangY.M.研究了MIG焊熔滴受激過渡的控制方法。通過峰值電流向基值電流的快速切換來激勵(lì)熔滴的分離，隨即監(jiān)測(cè)熔滴的運(yùn)動(dòng)，在檢測(cè)到熔滴下端具有快速與熔池接近的趨勢(shì)時(shí)，迅速將焊接電流由基值切換至峰值，使熔滴在下向動(dòng)量及強(qiáng)電磁收縮力的作用下脫離焊絲端部，由于利用了熔滴向下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量，因而無需傳統(tǒng)脈沖MIG焊接方法中迫使熔滴脫離焊絲的大電流，避免了焊接過程中熔滴隨機(jī)過渡現(xiàn)象的出現(xiàn)。
    短路CO2焊接熔滴形狀及尺寸是影響焊接工藝性能和焊縫質(zhì)量的重要因素。為了分析影響熔滴尺寸的因素和規(guī)律，了解熔滴控制效果，建立了以He-Ne激光器為背光照明的熔滴高速攝像研究系統(tǒng)。高速攝像機(jī)以每秒955幀的速度，每次連續(xù)拍攝8000幀熔滴圖像。通過對(duì)熔滴尺寸與電弧信號(hào)相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)短路前熔滴體積及燃弧能量的隨機(jī)性分布是造成熔滴尺寸不均勻分布的重要原因，而熔滴尺寸與其對(duì)應(yīng)的再燃弧電壓有著良好的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上，確定了將再燃弧能量作為逐個(gè)熔滴尺寸控制的反饋量，通過控制燃弧能量，來實(shí)現(xiàn)熔滴尺寸閉環(huán)控制的方案，取得了較好的控制效果。
3.3 焊縫成形控制
    山東大學(xué)建立了基于CCD攝像機(jī)的脈沖TIG焊接熔池幾何參數(shù)計(jì)算機(jī)視覺信息檢測(cè)系統(tǒng)，從試件正面采集到比較清晰的熔池區(qū)圖像信號(hào)，從而檢測(cè)出熔池的熔寬、熔池半長、熔池后部面積、熔池后拖角等幾何參數(shù)。
    R.Kovacevic等開發(fā)了一個(gè)基于視覺傳感與控制的TIG全熔透焊焊縫熔合狀態(tài)閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CCD攝像機(jī)從焊縫正面獲取熔池圖像，借助圖像信號(hào)處理算法和模糊神經(jīng)模型測(cè)量、預(yù)測(cè)正面及背面熔寬信息，從而控制焊縫熔合狀態(tài)。
    英國的J.S.Smith和J.Lucas等采用計(jì)算機(jī)視覺傳感技術(shù)在脈沖TIG焊的焊道面積跟蹤、焊道輪廓檢測(cè)、多道焊排道、窄間隙焊等方面開展了大量的研究工作。1991年開發(fā)成功正面焊道面積控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CCD攝像機(jī)在電弧電流的在基值的3 ms的間隔期間獲取焊道視覺圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得出實(shí)際焊道面積與目標(biāo)焊道面積達(dá)偏差信息，通過調(diào)節(jié)脈沖電流時(shí)間來控制正面焊道面積。
    通過周期性的減少M(fèi)IG焊的焊接電流，在小電流期間攝取熔池圖像，排除了弧光干擾，獲得了清晰的熔池圖像。從圖像中可以直接提取熔池寬度，實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)焊接電流，從而控制焊接熔深。
    與TIG、MIG焊的視覺圖像檢測(cè)相比，CO2焊熔池信息的視覺檢測(cè)相對(duì)困難一些，必須解決攝像機(jī)的固定工作時(shí)序與短路發(fā)生的隨機(jī)性之間的矛盾，避開電弧閃爍和飛濺、煙塵的干擾問題。在熔滴短路階段弧光及飛濺的干擾較小，是獲取熔池圖像的最佳時(shí)期，為此研制了CO2焊短路熔池視覺圖像傳感系統(tǒng)，并設(shè)了專門的攝像機(jī)開始及結(jié)束時(shí)刻的同步邏輯控制電路。經(jīng)過圖像處理可以提取出熔池面積、熔池長度、熔池寬度及熔池輪廓曲線等焊接過程信息，建立了熔池幾何參數(shù)與焊接規(guī)范參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)CO2焊視覺傳感與質(zhì)量控制奠定了基礎(chǔ)。
3.4 小結(jié)
    通過上面的例子可以發(fā)現(xiàn)，視覺傳感以其靈敏度和測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、信息豐富、抗電場和強(qiáng)磁場干擾能力強(qiáng)、與工件無接觸等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代傳統(tǒng)的電弧式、機(jī)械式等傳感方式，在焊接質(zhì)量控制中發(fā)揮越來越重要的作用。事實(shí)上，熟練的焊工在焊接過程中也主要通過視覺信息來完成相關(guān)的焊接操作與控制。因而，借助于視覺圖像和人工智能處理技術(shù)的焊接過程的自動(dòng)控制或智能控制是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。與此同時(shí)降低視覺系統(tǒng)的成本、提高大容量視覺信息的處理速度、實(shí)現(xiàn)多信息融合與高精度的算法是急需解決的技術(shù)關(guān)鍵。
4．焊接生產(chǎn)機(jī)器人化
    目前應(yīng)用廣泛的焊接機(jī)器人大多屬于示教再現(xiàn)型機(jī)器人，操作者通過示教盒在直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系中移動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)，使焊矩沿焊接軌跡運(yùn)動(dòng)，在焊矩路徑上記錄示教的位置、焊矩姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)，并生成一個(gè)連續(xù)執(zhí)行全部操作的示教程序。此類機(jī)器人不適合在太空、深海、放射性環(huán)境等特殊環(huán)境下自主作業(yè)，不具備對(duì)工件裝配誤差、焊接過程中的熱變形等環(huán)境和對(duì)工作對(duì)象變化自適應(yīng)能力。新一代的具有視覺傳感功能的，能夠自動(dòng)制訂運(yùn)動(dòng)軌跡、焊矩姿態(tài)和焊矩參數(shù)的智能機(jī)器人成為未來的發(fā)展方向。
    一套基于雙目立體視覺的機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)被開發(fā)，該系統(tǒng)將雙目攝像機(jī)安裝在機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，使其能跟隨焊槍沿焊縫走向一起移動(dòng)，采用自然光作為視覺系統(tǒng)的光源。經(jīng)典的計(jì)算機(jī)三維視覺重構(gòu)采用兩個(gè)圖像平面上特征點(diǎn)匹配法確定對(duì)象的三維坐標(biāo)，對(duì)于焊縫來說，坡口邊緣內(nèi)外不存在明確的特征點(diǎn)，所以無法使用特征點(diǎn)匹配法。針對(duì)在局部圖像窗口中，焊縫可以近似為直線段的特點(diǎn)，作者設(shè)計(jì)了一種簡化的特征匹配算法來計(jì)算焊縫三維坐標(biāo)，并通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高了精度和速度。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直線和曲線焊縫的路徑規(guī)劃。
    焊縫空間位置的檢測(cè)與焊矩姿態(tài)的規(guī)劃是影響機(jī)器人全位置自動(dòng)焊接質(zhì)量的重要因素。在研制開發(fā)成功的焊矩位置和焊矩姿態(tài)自動(dòng)識(shí)別調(diào)整系統(tǒng)中，利用分形理論有效地排除了飛濺、銹斑等因素的干擾，結(jié)合數(shù)學(xué)物理模型，較經(jīng)典的邊緣檢測(cè)算法在速度和精度上都有了很大的提高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意焊縫的三維空間描述。同時(shí)，借助于大量實(shí)驗(yàn)得出不同焊矩姿態(tài)對(duì)應(yīng)的焊接規(guī)范數(shù)據(jù)庫，使得機(jī)器人在任意空間位置焊接時(shí)，保持最優(yōu)的焊矩姿態(tài)及焊矩規(guī)范參數(shù)，保證全位置焊接中焊縫成形的穩(wěn)定、美觀。
    對(duì)于諸如馬鞍型焊縫的復(fù)雜工件的機(jī)器人焊接，焊縫形狀、焊接位置和各示教點(diǎn)的過渡情況對(duì)焊接質(zhì)量有很大的影響，必須保證運(yùn)動(dòng)軌跡、焊槍姿態(tài)和各點(diǎn)焊接參數(shù)的合理匹配。傳統(tǒng)的在線示教編程和機(jī)器人語言編程技術(shù)以無法很好的滿足實(shí)際需要，因而離線編程技術(shù)的研究對(duì)弧焊機(jī)器人的推廣應(yīng)用具有更重要的意義。所謂的機(jī)器人離線編程就是通過建立機(jī)器人及其環(huán)境物的幾何模型，以機(jī)器人編程語言描述機(jī)器人任務(wù)，通過推理獲取機(jī)器人作業(yè)所需的各種參數(shù)，然后對(duì)編程的結(jié)果進(jìn)行三維圖形動(dòng)畫仿真，離線調(diào)試機(jī)器人程序的正確性，最后生成機(jī)器人控制所需的各種實(shí)際控制參數(shù)。文獻(xiàn)針對(duì)弧焊機(jī)器人，在CAD和MARC-WORLD的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)工件特征提取及幾何建模、空間焊縫姿態(tài)規(guī)劃、焊接參數(shù)規(guī)劃、機(jī)器人程序自動(dòng)生產(chǎn)、機(jī)器人圖形仿真和通訊進(jìn)行了初步研究。設(shè)計(jì)的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，采用視覺方法進(jìn)行實(shí)時(shí)焊縫跟蹤，既保證了離線編程結(jié)果的可用性，同時(shí)可用多邊形逼近的方法來簡化工件的模型，從而降低了對(duì)工件坡口和裝配精度的要求，改善了弧焊機(jī)器人的易用性和實(shí)用性。建立了一種由建模器、任務(wù)編輯器、任務(wù)規(guī)劃器和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真等基本模塊組成的弧焊機(jī)器人任務(wù)級(jí)離線編程系統(tǒng)，提高了離線編程的工作效率。建立了一個(gè)具有特征建模和無碰撞路徑規(guī)劃功能的機(jī)器人弧焊CAD/CAM系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)幾何造型、焊接參數(shù)規(guī)劃、焊接路徑規(guī)劃、圖形仿真、約束檢查、程序編輯和傳感修正等功能，顯著的提高了編程效率和編程質(zhì)量。
    以Deneb、Rotisy 等商業(yè)化的機(jī)器人仿真軟件為基礎(chǔ)，通過對(duì)機(jī)器人工作單元、工件、工裝夾具、車間環(huán)境的三維建模，可以很方便的進(jìn)行虛擬環(huán)境下的焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)軌跡、路徑規(guī)劃、焊槍姿態(tài)、環(huán)境約束等問題的仿真研究，有效地提高了以焊接機(jī)器人為核心的生產(chǎn)線的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的效率。清華大學(xué)為用戶建立的“轎車車身機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線”、“高速、輕軌列車鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線”及“球底焊接機(jī)器人系統(tǒng)”三維實(shí)體模型。
    當(dāng)前焊接機(jī)器人的應(yīng)用多局限于結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，而在一些非結(jié)構(gòu)化環(huán)境如大型球罐制造、長輸油管道焊接及水電站水輪機(jī)葉片修復(fù)等野外作業(yè)中，傳統(tǒng)的固定式機(jī)器人已無法滿足要求，開發(fā)適合于特殊非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境的特種機(jī)器人成為機(jī)器人工業(yè)應(yīng)用研究的重要發(fā)展方向。清華大學(xué)和北京石油化工學(xué)院合作研制成功一種新型智能全位置球罐焊接機(jī)器人。該機(jī)器人主要由磁吸式全位置行走機(jī)構(gòu)、CCD光電軌跡跟蹤系統(tǒng)與接觸式高度跟蹤系統(tǒng)、焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、微機(jī)智能控制系統(tǒng)等組成。機(jī)器人自重20kg，載重50~70kg；有四個(gè)自由度，可以在球罐表面的各種空間位置完成前進(jìn)、后退、拐彎等運(yùn)行方式；視覺系統(tǒng)檢測(cè)精度可達(dá)±0.5mm；機(jī)器人焊縫跟蹤精度可達(dá)±0.5mm，運(yùn)行速度為0.5~5m/min。清華大學(xué)與中石油管道局合作開發(fā)的長輸管線環(huán)縫全位置自動(dòng)焊接機(jī)器人，該機(jī)器人通過定位軌道沿環(huán)縫運(yùn)動(dòng)，除完成一般的焊接作業(yè)外，還具有焊接規(guī)劃參數(shù)及其相關(guān)控制參數(shù)的離線編程和焊接過程監(jiān)測(cè)等功能。
    與普通的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、裝配等定點(diǎn)操作的機(jī)器人相比，弧焊機(jī)器人對(duì)末端執(zhí)行器（焊槍）的運(yùn)動(dòng)軌跡要求有嚴(yán)格的精度，空間位置焊接時(shí)的焊槍姿態(tài)及焊接規(guī)范在整個(gè)軌跡上都需要連續(xù)調(diào)整。為此，焊接機(jī)器人應(yīng)該有配套的視覺系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等控制單元，來克服因裝配、變形等因素引起的位置和精度誤差，以實(shí)現(xiàn)真正的高質(zhì)量的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)。在焊接自動(dòng)化的發(fā)展過程中，還應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到：實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人化的前提條件是下料、工裝等配套工序的作業(yè)精度必須嚴(yán)格控制在允許的范圍內(nèi)，至少目前機(jī)器人作業(yè)還難以達(dá)到或超過高級(jí)焊工的水平，各種研究和開發(fā)工作的開展正是為了努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
5 結(jié)束語
    社會(huì)的進(jìn)步對(duì)制造加工技術(shù)不斷提出新的要求，計(jì)算機(jī)視覺、人工智能、機(jī)器人等新興學(xué)科的飛速發(fā)展為傳統(tǒng)制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供了很好的基礎(chǔ)。隨著與現(xiàn)代高科技相互交叉滲透，生產(chǎn)過程自動(dòng)化中的主要發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在高效化、智能化、數(shù)字化和機(jī)器人化等方面，弧焊工藝及設(shè)備也不例外。本文綜述的內(nèi)容只是其中很少一部分，希望能夠起到促進(jìn)交流，共同提高的作用。