数字化焊机发展趋势分析

HEATS

　　先进制造技术的一个重要发展趋势是工艺设计从经验判断走向定量分析，其方法就是将数值模拟技术与物理模拟和人工智能技术相结合，确定工艺参数，优化工艺方案，预测加工质量，使生产过程从“理论-实验-生产”转变为“理论-计算机模拟-生产”。

/ ]4 A( Y) D2 g

　　随着人工智能技术、计算机视觉技术、数字化信息处理技术、机器人技术的溶入，促使弧焊技术向着焊接工艺高效化，焊接电源控制数字化、焊接质量智能化以及生产过程机器人化方向发展。本项申请课题即属于这一领域重要研究内容。

# T6 l0 C4 U* z5 \ 1 m* `4 W Y! K! p2 K( ^; y

　　趋势判断和需求分析

$ ~5 [7 E, V7 @$ L- q( t! A4 @+ d( _ M& G m! l/ { n0 y8 r: j) U7 l

　　2l世纪制造业趋于全球化、网络化、集成化、虚拟化、异地化、数字化，计算机、信息技术的快速发展将促进制造领域逐渐与其融合，焊接作为制造领域中重要的材料加工和结构

8 t, N. s3 O4 Y V1 x" U

　　生产力，也正在与信息技术紧密结合，由于焊接过程的多变性和复杂性，利用数字化技术，使焊接设备从简单的机电产品变成一种精密加工仪器，将是焊接设备发展方向。

　　焊机的数字化包括两方面的内容。一是主电路的数字化，另一个是控制电路的数字化。

8 x5 N& t/ i; i. e! v1 ^

　　逆变技术的出现为焊机的主电路数字化提供了条件。焊接电源从模拟式焊机发展到逆变式焊机，实际上是完成了主电路从模拟到数字化的跨越。焊接电源主电路的数字化使得焊接电源至少在两方面的性能得到了提高：①焊接电源的功率损耗大大减少，使得焊接电源的效率达到90%以上。②随着工作频率的提高，回路输出电流的纹波更小，响应速度更快，因此焊机可以获得更好的动态响应特性。

3 b$ |0 b+ t8 s% _1 W$ a" s. D7 q 4 ^2 N% c& D9 w. k

　　早在70年代初逆变器已应用于中频加热领域。1982年瑞典ESAB公司率先推出了晶闸管弧焊逆变器产品之后，美国的Lincoln、Miller、Powcon公司，芬兰的Kemppi，瑞士的ELTRON，日本的大坂变压器公司等国际著名的焊接设备公司都相继推出了各自的弧焊逆变器产品。1981年在德国埃森举办的世界焊接与切割博览会上，首次展出了4个厂家的晶闸管式和晶体管式弧焊逆变器，主要用于焊条电弧焊、低压引弧式钨极氨弧焊和CO2气体保护焊，最大电流为350A。到了1989年在同样的博览会上已有30多个厂家展出弧焊逆变器。除场效应管式、晶体管式弧焊逆变器以较大的比例增长之外，开始出现IGBT式弧焊逆变器，最大容量500A，其用途进一步扩展到等离子切割等领域。

j* z- _+ d# o: Q1 _) L4 E ) Q+ D' R3 y( l) K: I) a

　　1993年，在德国埃森国际焊接与切割博览会上，展出了各种规格和用途的弧焊逆变器，其应用范围包括手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊、C02焊等。容量在130-630A之间，逆变频率为2-2OkHz。其中，额定电流130A，负载持续率35%的场效应管式强焊逆变器，重量仅有4Kg，逆变频率为100-130KHz。

g+ p6 ?9 M% I4 i6 ^

　　据调查，到1996年日本日立公司IGBT逆变焊机已占其生产的MIG/MAG焊机的70%，占TIG焊机的95%以上，占切割机的100%。IGBT式逆变焊接电源将成为未来逆变焊机的发展方向。

' P& @* Z8 B2 n3 f1 } ) Z8 r7 I. e* V

　　在我国，弧焊逆变器的发展是十分快的，前景也十分可观，70年代末我国着手研制晶闸管式弧焊逆变器，80年代初取得初步成果。上海威特力焊接设备制造有限公司是专业生产IGBT逆变焊接电源和专用焊接设备的高科技企业，在逆变焊机的生产领域在国内有很高的知名度。

. V m4 H' M/ e, | D' S

　　20世纪90年代末奥地利Fronius全数字化焊机进入中国市场，数字化焊机的发展引起了广泛的关注。与模拟控制系统相比，数字化弧焊电源具有以下显著特点：

4 C( \8 X2 A0 L+ u1 j( S O. y

　　①拓宽功能。电源外特性山软件灵活控制，容易实现一机多用，对于自动焊机，可以增加焊接参数预置、记忆与再现等功能。利用精确的数字控制，采用电子电抗器和波形控制等技术能实现高效气体保护焊，包括高速焊接和高熔敷率焊接。

. s8 ]6 _/ \2 G' |. O) C& F! z3 ^' P

　　②适应性强。利用计算机的存储功能和高速、高精度数字信号处理技术，可以使焊机向多功能化和智能化发展，便于在焊机中引入自适应控制、模糊控制、神经网络控制等现代控制方法，进行焊接参数的优化、焊接质量的控制等。

S( P0 [- a6 K% i, a* x$ F" S 0 b9 B% g. S$ Y5 L5 K3 E

　　③操作性好。利用单片机及专用数字信号处理器的高速计算能力和丰富的外部接口与通讯能力，在引入模糊控制等智能控制技术的基础上可以实现简单的焊接参数一元化调整，实现逆变焊机的“傻瓜式”操作。

　　④易于开发。许多任务既能通过硬件、也能通过软件完成，可以用一台电源为基础，通过配合不同的控制箱，利用积木方式构成不同类型的焊机。焊接电源的开发周期短、成本也低。

- Q) `9 |! P+ x. q- m

　　⑤便于升级。同一类型的焊机，功能的改进可以只通过软件设计来实现，对现今技术更新特别快的时代，可以大大提高焊机的使用寿命和使用范围。在为焊接专机配套时，可以灵活改变焊机的性能，便于实现专机专配。

6 g, Q/ T3 i/ \$ C- D0 f / G6 K, d: x# q( D- }- U, a

　　数字化焊接电源控制系统的研制开发将为上海威特力焊接设备制造有限公司系列化高档焊机生产奠定基础。同时，由于采用了数字化控制技术，焊接电源已不再是单纯的焊接能量提供源，还应具有数字操作系统平台、多特性适应调整、送丝驱动外设及接口、焊接参数动态自适应调整、过程稳定质量原评定、保护及自诊断提示以及远程网络监控、生产质量管理等功能，焊接电源的概念实际上已拓宽为焊接电源系统。因此，在学术水平和使用价值方面都具有重要意义。数字化焊机在国内的研究仅处于实验室阶段，但数字化焊机凭借无与伦比的强大优势，必将成为焊接设备的主流，是未来之星。【MechNet】