弧焊的技术发展现状

1、弧焊技术发展现状清华大学机械工程系 陈强 孙振国 0 引言弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分，其应用范围几乎涵盖了所有的焊接生产领域。近年来随着市场竞争的日趋激烈，提高焊接生产的生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化、智能化越来越得到焊接生产企业的重视。而人工智能技术、计算机视觉技术、数字化信息处理技术、机器人技术等现代高新技术的溶入，也促使弧焊技术正向着焊接工艺高效化、焊接电源控制数字化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方向发展。1 焊接工艺高速高效化以实现高速度、熔敷率、高质量的焊接工艺为目标，国内外在多丝多弧焊接工艺、多元气体保护焊接工艺、活性化焊接新工艺等方面

2、开展了广泛而深入的研究。1.1 多丝多弧焊接新工艺传统的弧焊工艺（如TIG焊、CO2焊）一般采用单电源供电或单焊丝的方式，近年来日本、瑞士、德国等公司在多根焊丝配以单个或多个电源方面进行焊接开展了大量的研究工作，在提高焊接生产速度和金属熔敷率方面取得了一些实用化的成果。图1 三丝焊接系统示意图日本的藤村告史开发的多丝焊接系统（如图1所示）采用电流相位控制的脉冲焊接焊丝，电弧在三条焊丝上轮流燃烧，在保证电弧挺度的同时，通过调节各焊丝之间的位置关系及其焊接方向的夹角，来改变能量分布，使焊接过程稳定，从而减少咬边及驼峰等成形缺陷。该方法可用于角焊缝的高速焊接，焊速可以达到1.8 m/min1。为了避

3、免一个电弧时热量过于集中，电流太大时发生烧穿，日本IHH发明了双弧TIG焊法，其原理如图2所示。两个电极是四方形的，中间用绝缘材料绝缘，另外外加热丝补充；三者都采用脉冲电流，两个电极的脉冲和基值电流时间由同步器协调至正好互补，但电流值不同。在横焊时两个电极一上一下，上电极电流小，下电极电流大，可以进行窄间隙焊接2。图2 高效双弧TIG焊图3 双丝MAG焊日本在54届IIW年会上发表的双丝MAG焊工艺，其原理是用熔池过热多余的热量来熔化填充焊丝，增加熔敷率，同时用大电流提高焊接速度。在焊接电流大，焊接速度快的施焊条件下，由于填充丝吸收了热量，母材热影响区热输入大为减少，减少了性能恶化和变形，也改

4、善了焊缝成形。如图3所示，前面的焊丝产生电弧，后面的填充丝直接插入熔池，流入熔池的电流有一小部分倒过来通过填充丝流入地线。由于两根焊丝的电流相反，熔滴在反向电流产生的磁场排斥作用下向前倾斜，而使填充丝能顺利送入熔池，填充丝下部导管用陶瓷保温，增加熔化率2。图4 双面双弧焊德国CLOOS公司开发的适用于中厚板焊接的TANDEM高速双丝焊丝设备，将两根焊丝按一定的角度放在一个特别设计的焊枪里，两根焊丝分别由各自的电源供电，除送丝速度可以不同外，其它所有的参数（如焊丝的材质、直径，是否加脉冲等）都可以彼此独立设定，从而保证电弧工作在最佳状态。与其它双丝焊技术相比，不仅可以提高熔敷速度，大大提高焊接效

5、率，而且由于两根焊丝处于同一熔池，降低了气孔敏感性，改善了焊缝质量。正常条件下，TANDEM双丝焊工艺的焊接速度可达2-6 m/min，熔敷率约20 kg/h，配用电源60暂载率，电流2×550A，最高脉冲电流可达1500A3。图5 激光MIG复合焊图6 MIG/MAG复合焊接系统1998年，美国Kentucky大学发明了一种能显著增加熔深的而且成本低廉的双面双弧焊接工艺（DSAW）。DSAW焊接方法有效地提高了电弧穿透力，增加了熔深；减小了热影响区的尺寸；降低了试件厚度方向的温度梯度，从而有利于减小热变形。其不足之处在于：该工艺需要同时在工件的正反面进行焊接，在实际应用中有很大的局

6、限性；由于其背面不能加垫板等，因而无法应用于薄板焊接，而只能用于中等厚度板的直接对接焊接4。 激光的高能量密度可用来提高焊接效率，但焊接工艺中遇到的问题主要是由于光束直径很细，要求坡口装配间隙小于0.5 mm，跟踪精度要求高，同时在尚未形成熔池时热效率很低。这些问题可以通过激光MIG复合焊解决（如图5所示）。由于 MIG焊的复合，熔池宽度增加使得装配要求降低，焊缝跟踪容易，由MIG电弧可以解决初始熔化问题，从而可以减少使用的激光器的功率。同时MIG焊的气流也可以解决激光焊金属蒸汽的屏蔽问题，MIG焊便于加入填充焊丝，从而可以避免表面凹陷形成的咬边。而激光焊的深熔、快速、高效、低热输人特点仍保持

7、5。图7 高速GMA焊接系统图8 双丝双弧高速GMA焊接熔滴过渡过程三菱重工最近开发了一种可快速实现坡口焊接和铝合金焊接的复合 YAG激光焊接系统（如图6所示）。该系统将激光光束和电弧电极同轴合成在一个焊接电极头中，充分发挥了激光焊接和电弧焊接的各自优点，降低了激光焊对坡口定位精度的要求，可以焊接的间隙达到0.8 mm的坡口；同时由于电弧减缓了激光照射部分的急剧冷却，可防止焊接铝合金是产生结晶裂纹及气孔等6。 奥地利Fronius公司开发的最新的高速GMA焊接系统（如图7所示），采用两套电源两套送丝系统，送丝速度、焊接电流、焊接电压及两条焊丝燃弧与短路的相对时序关系（如图8所示）均可

8、以分别控制7。采用该系统，用1.2mm焊丝焊接2.3mm厚铝板时的焊接速度可以达到2m/min。 1.2 活性化TIG焊接技术温 度 温 度 熔池表面熔池截面(a) 无活性剂(b) 有活性剂图10 活性剂引起的“熔池表面张力变化”(a) 无活性剂(b) 有活性剂图9 活性剂引起的“电弧收缩”现象(b) 有活性剂(a) 无活性剂图11 TIG焊与A-TIG焊的熔深对比普通TIG电弧进行不锈钢、钛合金、铝合金等材料焊接时，由于电弧热量分散及电弧力数值低等原因，通常单层焊接只能够获得较小的熔深。对于厚度较大的板材或管材焊接，需背面完全熔透时，就要进行坡口加工并采用多层焊接。多年来国外一些机

9、构（如英国TWI、美国EWI、乌克兰PATON）就如何提高TIG焊效率问题进行了研究，并逐步提出了“活性化TIG焊（A-TIG焊）”的概念。近来国内有关单位在此领域也开展了一些研究工作。文献8对A-TIG焊中的“电弧收缩”现象（如图9所示）和“熔池表面张力变化”现象（如图10所示）的内在机理进行了详细分析。实验表明，把某种物质成分的活性剂涂敷在被焊件母材焊接区，正常规范下焊接熔深大幅度提高，比如不锈钢材料的焊接，其单层熔深可以增加一倍以上，6mm厚度试板不开坡口可以一次焊透（如图11所示）。基于其在提高焊接生产效率方面的显著效果，活性化焊接技术具有良好的发展前景。1.3 改变保护气体成分提高焊

10、接速度 瑞典的AGA公司通过改变保护气体成分来提高焊接速度，采用高速送丝、大干伸长和低氧化性气体MISON8（该公司专利产品），焊速可达1-2 m/min9。奥地利的Fronius公司代理的专利技术焊接工艺，采用大干伸长来增加熔化焊丝的电阻热，采用O2、CO2、He、Ar四元保护气体，在连续大电流区间获得了稳定的旋转射流过渡形式，使其焊丝熔敷率较传统MAG焊工艺提高2-3倍，达到430 g/min10。 1.4 小结焊接过程中为形成熔池并保持熔池的稳定性，需要电弧提供足够的瞬时功率和热输入。这一瞬时功率值应该保持在一个范围，过低则无法形成连续焊道，过高则会造成驼峰、咬边等缺

11、陷。传统的单丝电弧焊很难通过加大电流的方式来提高焊速，要实现稳定的高质量的高速高效化焊接，必须在增加对母材和焊丝的总能量输入的同时，合理配置用于形成熔池和熔化焊丝的瞬时功率，即应该在保持足够的对熔池的瞬时输入功率的前提下，尽可能多的增加用于熔化焊丝的瞬时功率，以提高熔敷效率。上面所述的多丝多弧焊接工艺，实质是改变了焊接过程中的瞬时功率分配。多元气体提高焊接速度的工艺，也是在保证良好的焊缝保护的前提下，增加焊丝熔焊率来实现的。活性化焊接技术是通过改变表面张力分布来影响熔池金属的流动方式、改变电弧气氛来影响电弧形态，从而以增加焊缝熔深、改善焊缝成形的途径来提高焊接效率。2 焊接电源控制数字化2.1

12、 CO2焊接电源控制早期的CO2短路过渡焊接电源采用一般采用恒压外特性。为实现其一元化控制，首先要通过大量的焊接工艺试验，以获得最高的短路过渡频率为目标确定电弧电压与焊接电流之间的线性匹配关系。使用中，采用单个旋钮在调节焊接电流的同时按照匹配关系确定电弧电压，从而降低飞溅，保证焊缝成形良好。但是影响CO2短路过渡过程的因素很多，以焊接电流和电弧电压的最优匹配关系为基础的一元化调节很难克服短路过渡过程的随机性及干伸长、电网电压波动等因素的影响，为此文献11研究了一种基于单片机的电弧电压自寻优模糊控制系统。系统以操作者所选择的焊接电流为唯一的设定参数，自动对电弧电压进行以实现最高短路过渡频率为目标

13、的自寻优，使得此类焊机实现了以真正的单旋钮调节为特征的一元化控制。80年代以来人们逐渐认识到CO2短路过渡中的短路电流和瞬时短路是造成飞溅的两个主要因素，通过对短路过渡过程各阶段电流波形的快速而精确的控制可以有效地降低飞溅、改善焊缝成形。具体的控制思想为：在燃弧末期和短路初期减小电流以减少瞬时短路，在短路末期将其电流降低以减少短路液桥爆断引起的飞溅，燃弧初期减小电流以减少引弧冲击引起的飞溅，燃弧中期施加电流脉冲以增加熔深、改善焊缝成形。基于上述思想，文献12-15分别从外特性控制、波形参数优化控制、表面张力过渡控制技术等方面开展了相应的研究工作，获得了良好的工艺效果。在波形控制的基础上，文献1

14、6研究了一种智能化的CO2焊接电源自寻优控制器，其基本功能是：以电流为唯一的设定参数，通过在线检测、计算短路过渡特征参数以及一元化自适应微调，使特征参数和焊接规范调整到合适的范围内，使焊接电源处于和谐稳定、综合性能较好的工作状态，同时对短路过渡初期和末期的电流波形及燃弧初始阶段的电流波形进行控制，以进一步的减少飞溅、改善焊接电源性能。2.2 脉冲MIG焊接电源控制图12 脉冲MIG焊电流波形示意图脉冲MIG焊接电源输出的电流波形如图12所示，它包括基值电流、峰值电流、基值电流时间、峰值电流时间、峰值电流上升斜率、峰值电流下降斜率等参数，因而参数设置与匹配比较复杂。Amin等最早提出了Syner

15、gic控制法，根据送丝速度的变化自动匹配电流脉冲参数，从而使熔化速度和送丝速度相适应，其不足之处在于系统对弧长扰动无能为力17。为此，QH-ARC 103控制法采用多折线外特性，成功实现了弧长的闭环控制18。由于上述两种方法并没有实现对熔滴过渡的精确控制，一个脉冲周期内可能过渡一个熔滴，也可能过渡多个熔滴，无法保证熔滴过渡的均匀一致性。于是，出现了在保持单元电流脉冲能量恒定的前提下，对弧压和送丝速度均进行反馈控制的综合控制法，从而实现了一脉一滴控制。更进一步，文献19还通过调节峰值电流和基值电流的时间来克服干伸长对熔化速度和熔滴体积的影响，在保证一脉一滴过渡的同时还保证每个熔滴的体积基本不变，

16、从而使得熔滴过渡过程更加均匀、稳定。2.3 数字化焊接电源 1994年，Fronius公司的Lahnsteiner. Robert指出现代GMAW焊接电源应满足多方面的不同需求，如：适合于短路过渡焊接、脉冲焊接、射流过渡焊接和高熔敷率焊接等焊接工艺的合理的焊接电源外特性可以通过原边工作于开关状态的逆变电源实现；大量的焊接规范参数的设计必须实现Synergic控制（一元化控制）以使焊接电源便于操作；为满足新的质量控制要求，焊接电源必须实时记录焊接规范参数、识别偏差量20等。图13 弧长精确控制示意图图14 数字化焊接电源控制系统原理图基于上述思想，伴随着新型的功能强大的数字信息处理器DSP的出现

17、，Fronius公司推出了全数字化焊接电源，随后Panosonic等公司也推出了各自的数字化焊接电源产品，并相继进入中国市场。数字化焊接电源实现了柔性化控制和多功能集成，具有控制精度高、系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方便等优点。如Fronius公司的Transplus synergic 2700/4000/5000系列产品在一台焊接上实现了MIG/MAG、TIG和手工电弧焊等多种焊接方法，可存储近80个焊接程序，实时显示焊接规范参数，通过单旋钮给定焊接规范参数和电流波形参数，可以实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制（如图13所示）。同时，此类焊接电源还可以通过网络进行工艺管理和控制软件升级7

18、。就控制系统结构而言，数字化焊接电源的控制部分由单片机和DSP共同构成（如图14所示）21。单片机负责系统的总体管理及给定参数的输出，而逆变器的PWM信号产生和电流、电压的PI控制则由DSP完成。与传统的硬件电路构成的PWM信号发生器和PI控制器相比，基于软件方式实现的控制器具有更大的灵活性。2.4 小结焊接电源的发展与电力电子技术、信号处理技术及计算机控制技术的发展密不可分。从硬件电路角度看，数字化电源借助DSP技术实现了PID控制器和PWM信号发生电路的数字化。随着实现了模拟电路和数字电路有机结合的混模电路的出现，预计不久的将来分立式的模拟电路将逐步为高度集成的数字化混模电路所取代。而焊接

19、电源和功率模块的设计制造也可根据需要以数字化的方式完成。焊接电源的能量控制由电流、电压、时间的协同方式来完成，具体表现为输出波形的数字化。另一个重要的发展方向是焊接制造数字化，即用喷墨打印机的方式，根据用户需求以细小熔滴的方式直接堆积为三维零件。3 焊接质量控制智能化3.1 焊缝自动跟踪图15 空心电动机旋转扫描焊矩在焊缝自动跟踪方面，传感器提供着系统赖以进行处理和控制所必须的有关焊缝的信息，电弧传感具有其它方法所不可比拟的技术优、成本低的特点。电弧传感器的基本原理是从弧长变化所引起的电弧参数的变化中获取电弧扫描时焊矩高度的变化，并根据焊矩与焊缝的几何关系导出焊矩与焊缝的相对位置等被传感量。文

20、献22开发的旋转电弧传感器采用特制的空心电动机旋转扫描焊矩（如图15所示）小巧灵活，调节方便，机械振动小，焊矩可达性好，具有较强的适用性和较高性价比。该传感器已成功地检测焊缝焊矩横向与高低方向偏差及焊缝坡口表面轮廓线。 123451 焊缝棱线 2 熔池 3 电弧 4 钨极 5测出的焊缝中心线图17 TIG焊焊缝图像及其处理 (a) yOriginal imge(b)（c）图16 基于结构光的关系传感系统如图16所示文献23开发了一种基于结构光的视觉传感系统。激光器产生的线结构光投射到工件表面，经反射后由线阵CCD接收。焊缝坡口附近的特征点A-B-C-D-E在线阵CCD上的对应成像为a-b-c-

21、d-e点。经过计算可以描述出焊缝坡口的截面形式和具体尺寸。目前此类系统已在焊缝跟踪、坡口形状与接头形式检测、多道焊排道等方面得到应用24-28。采用CCD摄像机实时获取焊接区域的视觉图像，通过计算机对视觉图像进行分析和处理，同时从视觉图像信号中提取出焊缝偏差和弧长信息，文献29从而建立了一种精密脉冲TIG焊焊接系统。通过选用合适波长的滤光片和合理的摄像机拍摄时刻，系统可以获得清晰的焊缝视觉图像（如图17所示）。图17(a)的视觉图像中同时反映了熔池、焊道、电弧及钨极的成像等焊接信息。经过图像处理后，对三者的空间相对位置进行解耦运算，可以分别得到熔池中心（弧斑）与焊缝中心的偏差及弧长信息。该系统

22、成功应用于由厚度为0.33mm的3mm×4mm矩形管螺旋盘绕而成的液体火箭发动机尾喷管缩比件的精密焊接，取得了较好的工艺效果。3.2 熔滴过渡控制GMAW焊接时在熔滴的电弧根部形成能够发射弧光的金属蒸汽源，当缩颈破裂之后，覆盖整个熔滴根部的弧光立即熄灭，跳到焊丝的新顶端，这大大减小了电弧发射光通量。熔滴过渡后，弧光通量增加。基于这一现象，检测脉冲GMAW焊接过程中电弧光通量的改变，来检测熔滴过渡，在此基础上可实现了“一脉一滴”控制，如图18所示30。图19 MIG焊熔滴受激过渡控制原理图18 基于弧光传感的MIG焊熔滴控制ZhangY.M.研究了MIG焊熔滴受激过渡的控制方法，如图1

23、9所示。通过峰值电流向基值电流的快速切换来激励熔滴的分离，随即监测熔滴的运动，在检测到熔滴下端具有快速与熔池接近的趋势时，迅速将焊接电流由基值切换至峰值，使熔滴在下向动量及强电磁收缩力的作用下脱离焊丝端部，由于利用了熔滴向下运动的动量，因而无需传统脉冲MIG焊接方法中迫使熔滴脱离焊丝的大电流，避免了焊接过程中熔滴随机过渡现象的出现31。图20 熔滴尺寸闭环控制效果对比（a）未控制时的熔滴尺寸分布（b）闭环控制后的熔滴尺寸分布短路CO2焊接熔滴形状及尺寸是影响焊接工艺性能和焊缝质量的重要因素。为了分析影响熔滴尺寸的因素和规律，了解熔滴控制效果，文献32建立了以He-Ne激光器为背光照明的熔滴高速

24、摄像研究系统。高速摄像机以每秒955帧的速度，每次连续拍摄8000帧熔滴图像。通过对熔滴尺寸与电弧信号相关参数的动态分析，发现短路前熔滴体积及燃弧能量的随机性分布是造成熔滴尺寸不均匀分布的重要原因，而熔滴尺寸与其对应的再燃弧电压有着良好的相关性。在此基础上，确定了将再燃弧能量作为逐个熔滴尺寸控制的反馈量，通过控制燃弧能量，来实现熔滴尺寸闭环控制的方案，取得了较好的控制效果（如图20所示）。3.3 焊缝成形控制山东大学建立了基于CCD摄像机的脉冲TIG焊接熔池几何参数计算机视觉信息检测系统，从试件正面采集到比较清晰的熔池区图像信号，从而检测出熔池的熔宽、熔池半长、熔池后部面积、熔池后拖角等几何参

25、数33。R.Kovacevic等开发了一个基于视觉传感与控制的TIG全熔透焊焊缝熔合状态闭环控制系统，该系统采用CCD摄像机从焊缝正面获取熔池图像，借助图像信号处理算法和模糊神经模型测量、预测正面及背面熔宽信息，从而控制焊缝熔合状态34。英国的和J.Lucas等采用计算机视觉传感技术在脉冲TIG焊的焊道面积跟踪、焊道轮廓检测、多道焊排道、窄间隙焊等方面开展了大量的研究工作35。1991年开发成功正面焊道面积控制系统，该系统采用CCD摄像机在电弧电流的在基值的3 ms的间隔期间获取焊道视觉图像，经计算机处理得出实际焊道面积与目标焊道面积达偏差信息，通过调节脉冲电流时间来控制正面焊道面积。Odd

26、field Even fieldOdd field<2ms<2ms2ms(a)(b)(c) time(a) (a) 工业CCD曝光时序 (b) 短路过渡时序 (c) 同步逻辑时序 (d) 典型的CO2熔池图像 图21 CO2熔池视觉传感系统同步逻辑及典型的熔池图像 (d) 文献36通过周期性的减少MIG焊的焊接电流，在小电流期间摄取熔池图像，排除了弧光干扰，获得了清晰的熔池图像。从图像中可以直接提取熔池宽度，实时的调节焊接电流，从而控制焊接熔深。与TIG、MIG焊的视觉图像检测相比，CO2焊熔池信息的视觉检测相对困难一些，必须解决摄像机的固定

27、工作时序与短路发生的随机性之间的矛盾，避开电弧闪烁和飞溅、烟尘的干扰问题。文献37 认为在熔滴短路阶段弧光及飞溅的干扰较小，是获取熔池图像的最佳时期，为此研制了CO2焊短路熔池视觉图像传感系统（如图21所示），并设了专门的摄像机开始及结束时刻的同步逻辑控制电路。该电路在接收到短路信号后开始曝光，保证每场只曝光一次，曝光时间为2ms（图中），对于短路时间小于2ms的非正常短路（图中）、短路开始2ms内出现跨场（图中）以及同一场中出现的第二次短路（图中）等现象自动加以屏蔽。图9（d）给出了系统拍摄到的CO2焊熔池图像，从图中可以清楚地识别出焊丝、熔池、熔渣、焊丝短路点（P）等特征，经过图像处理可以

28、提取出熔池面积、熔池长度、熔池宽度及熔池轮廓曲线等焊接过程信息，建立了熔池几何参数与焊接规范参数的对应关系，为实现CO2焊视觉传感与质量控制奠定了基础。 3.4 小结通过上面的例子可以发现，视觉传感以其灵敏度和测量精度高、动态响应特性好、信息丰富、抗电场和强磁场干扰能力强、与工件无接触等优点，逐步取代传统的电弧式、机械式等传感方式，在焊接质量控制中发挥越来越重要的作用。事实上，熟练的焊工在焊接过程中也主要通过视觉信息来完成相关的焊接操作与控制。因而，借助于视觉图像和人工智能处理技术的焊接过程的自动控制或智能控制是未来发展的必然趋势。与此同时降低视觉系统的成本、提高大容量视觉信息的处理

29、速度、实现多信息融合与高精度的算法是急需解决的技术关键。4焊接生产机器人化目前应用广泛的焊接机器人大多属于示教再现型机器人，操作者通过示教盒在直角坐标系和极坐标系中移动机器人各关节，使焊矩沿焊接轨迹运动，在焊矩路径上记录示教的位置、焊矩姿态、运动参数和工艺参数，并生成一个连续执行全部操作的示教程序。此类机器人不适合在太空、深海、放射性环境等特殊环境下自主作业，不具备对工件装配误差、焊接过程中的热变形等环境和对工作对象变化自适应能力。新一代的具有视觉传感功能的，能够自动制订运动轨迹、焊矩姿态和焊矩参数的智能机器人成为未来的发展方向。123图22 机器人空间全位置焊接效果图（3）（2）（1）图23

30、 马鞍型焊缝示意图文献38开发了一套基于双目立体视觉的机器人路径规划系统，该系统将双目摄像机安装在机器人的末端执行器上，使其能跟随焊枪沿焊缝走向一起移动，采用自然光作为视觉系统的光源。经典的计算机三维视觉重构采用两个图像平面上特征点匹配法确定对象的三维坐标，对于焊缝来说，坡口边缘内外不存在明确的特征点，所以无法使用特征点匹配法。针对在局部图像窗口中，焊缝可以近似为直线段的特点，作者设计了一种简化的特征匹配算法来计算焊缝三维坐标，并通过人工神经网络提高了精度和速度。该系统可以实现对直线和曲线焊缝的路径规划。 焊缝空间位置的检测与焊矩姿态的规划是影响机器人全位置自动焊接质量的重要因素。在研制开发成

31、功的焊矩位置和焊矩姿态自动识别调整系统中，文献39利用分形理论有效地排除了飞溅、锈斑等因素的干扰，结合数学物理模型，较经典的边缘检测算法在速度和精度上都有了很大的提高，实现了对任意焊缝的三维空间描述。同时，借助于大量实验得出不同焊矩姿态对应的焊接规范数据库，使得机器人在任意空间位置焊接时，保持最优的焊矩姿态及焊矩规范参数，保证全位置焊接中焊缝成形的稳定、美观（如图22）。 对于诸如马鞍型焊缝（如图23）的复杂工件的机器人焊接，焊缝形状、焊接位置和各示教点的过渡情况对焊接质量有很大的影响，必须保证运动轨迹、焊枪姿态和各点焊接参数的合理匹配。传统的在线示教编程和机器人语言编程技术以无法很好的满足实

32、际需要，因而离线编程技术的研究对弧焊机器人的推广应用具有更重要的意义。所谓的机器人离线编程就是通过建立机器人及其环境物的几何模型，以机器人编程语言描述机器人任务，通过推理获取机器人作业所需的各种参数，然后对编程的结果进行三维图形动画仿真，离线调试机器人程序的正确性，最后生成机器人控制所需的各种实际控制参数。文献40针对弧焊机器人，在CAD和MARC-WORLD的基础上进行二次开发，对工件特征提取及几何建模、空间焊缝姿态规划、焊接参数规划、机器人程序自动生产、机器人图形仿真和通讯进行了初步研究。文献41设计的弧焊机器人离线编程系统，采用视觉方法进行实时焊缝跟踪，既保证了离线编程结果的可用性，同时

33、可用多边形逼近的方法来简化工件的模型，从而降低了对工件坡口和装配精度的要求，改善了弧焊机器人的易用性和实用性。文献42建立了一种由建模器、任务编辑器、任务规划器和机器人运动仿真等基本模块组成的弧焊机器人任务级离线编程系统，提高了离线编程的工作效率。文献43建立了一个具有特征建模和无碰撞路径规划功能的机器人弧焊CAD/CAM系统，可以实现几何造型、焊接参数规划、焊接路径规划、图形仿真、约束检查、程序编辑和传感修正等功能，显著的提高了编程效率和编程质量。图24 基于虚拟现实技术的机器人装焊系统设计（1）轿车车身机器人装焊生产线（2）高速、轻轨列车钢结构机器人装焊生产线（3）球底焊接机器人系统以De

34、neb、Rotisy 等商业化的机器人仿真软件为基础，通过对机器人工作单元、工件、工装夹具、车间环境的三维建模，可以很方便的进行虚拟环境下的焊接机器人运动学、动力学、运动轨迹、路径规划、焊枪姿态、环境约束等问题的仿真研究，有效地提高了以焊接机器人为核心的生产线的规划、设计和试验的效率。图24给出了清华大学为用户建立的 “轿车车身机器人装焊生产线”、“高速、轻轨列车钢结构机器人装焊生产线”及“球底焊接机器人系统”三维实体模型。图25 智能球罐全位置焊接机器人图26 管道焊接机器人当前焊接机器人的应用多局限于结构化环境中，而在一些非结构化环境如大型球罐制造、长输油管道焊接及水电站水轮机叶片修复等野

35、外作业中，传统的固定式机器人已无法满足要求，开发适合于特殊非结构化工作环境的特种机器人成为机器人工业应用研究的重要发展方向。图25给出的是清华大学和北京石油化工学院合作研制成功一种新型智能全位置球罐焊接机器人44。该机器人主要由磁吸式全位置行走机构、CCD光电轨迹跟踪系统与接触式高度跟踪系统、焊枪摆动机构、微机智能控制系统等组成。机器人自重20Kg，载重50-70Kg；有四个自由度，可以在球罐表面的各种空间位置完成前进、后退、拐弯等运行方式；视觉系统检测精度可达±0.5mm；机器人焊缝跟踪精度可达±0.5mm，运行速度为0.5-5m/min。图26是清华大学与中石油管道局合

36、作开发的长输管线环缝全位置自动焊接机器人，该机器人通过定位轨道沿环缝运动，除完成一般的焊接作业外，还具有焊接规划参数及其相关控制参数的离线编程和焊接过程监测等功能45。 与普通的搬运、点焊、装配等定点操作的机器人相比，弧焊机器人对末端执行器（焊枪）的运动轨迹要求有严格的精度，空间位置焊接时的焊枪姿态及焊接规范在整个轨迹上都需要连续调整。为此，焊接机器人应该有配套的视觉系统、专家系统等控制单元，来克服因装配、变形等因素引起的位置和精度误差，以实现真正的高质量的自动化焊接生产。在焊接自动化的发展过程中，还应该清醒地认识到：实现焊接机器人化的前提条件是下料、工装等配套工序的作业精度必须严格控制在允许

37、的范围内，至少目前机器人作业还难以达到或超过高级焊工的水平，各种研究和开发工作的开展正是为了努力实现这一目标。 5 结束语社会的进步对制造加工技术不断提出新的要求，计算机视觉、人工智能、机器人等新兴学科的飞速发展为传统制造业的技术进步提供了很好的基础。随着与现代高科技相互交叉渗透，生产过程自动化中的主要发展趋势体现在高效化、智能化、数字化和机器人化等方面，弧焊工艺及设备也不例外。本文综述的内容只是其中很少一部分，希望能够起到促进交流，共同提高的作用。 参考文献1、殷树言，徐鲁宁，丁京柱. 熔焊极气体保护焊的高效化研究. 焊接技术，2000，29(12):4-72、陈剑虹.

38、汽车连接新工艺54届国际焊接年会综述（2）. 焊接，2000（4）：5-73、4、Zhang, Y.M.; Pan, C.; Male, A.T. Improved microstructure and properties of 6061 aluminum alloy weldments using a double-sided arc welding process. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2000, 31(10): 2537-2543 5、陈剑虹. 汽车连接新工艺54届国际焊接年会综述（1）. 焊接，2000（4）：5-96、赵春英. 复合YAG激光焊接电极头. 焊接，2000（4）：47、8、杨春利. 发展中的活性化焊接技术. 第三届计算机在焊接中的应用技术交流会论文集，中国上海, 2000年11月, p298-303 9、10、殷树言，徐鲁宁，丁京柱. 熔化极气体保护焊的高效化研究，第三届计算机在焊接中的应用技术交流会论文集，中国上海, 2000年1