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重型车辆弧焊机器人 自动焊接技术
王克鸿，周琦
（南京理工大学材料科学与工程系，江苏 南京 210094）
摘 要：文章分析了重型车辆焊接的特点、难点和研究应用方向，综述了国内外重型 车辆焊接技术研究和应用现状。结合国防预研的技术成果，对应用最为广泛的重型车 辆自动焊接技术进行了较为全面的分析研究。重点分析了弧焊机器人单丝和双丝熔化 极氩弧焊工艺、焊缝接头的组织和性能，介绍了重型车辆气体保护焊工艺自动设计专 家系统，研究分析了基于视觉传感的激光焊缝自动跟踪和成型及质量的自动控制技 术。并对上述自动焊接技术的研究应用现状进行了较为深入的分析阐述。
关键词：重型车辆；弧焊机器人；熔化极气体保护焊；视觉传感；质量控制
Arc welding robot automatic weld for heavy vehicles
WANG Ke-hong，ZHOU Qi
（School of Material Science and Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）
Abstract: The characteristics, difficulties and research application direction of welding heavy vehicles were analyzed. Both the domestic
and abroad welding technology research and application of heavy vehicles was summarized. The most widely used automatic welding technology for heavy vehicles was analyzed and researched comprehensively combining the pre-research of national defense technology achievements. The arc robot single-wire and double-wire MIG welding process, the microstructure and properties of weld joint was major analyzed. The automatic gas shielded arc welding process design expert system for heavy vehicles was introduced.Laser welding automatic seam tracking based on visual sensor and automatic control technology of forming and quality is researched and analyzed. Furthermore, the application of above-mentioned automatic welding technology was analyzed in depth.
Keywords: heavy vehicles；arc welding robot；MIG GMAW；visual sensor；quality control
1 重型车辆行业自动焊接技术研究应用概述
重型车辆结构材料具有高硬度、高强度、高碳当量 特征，主体结构具有高拘束度、厚大件大坡口、大接缝 特征，且焊接接头组对偏差大，热处理变形又加重了组
对的困难，焊接性差，易产生裂纹等焊接缺陷，迫切需 要新型先进的高效自动焊接和适度智能控制技术。当前，
我国重型车辆行业已经开发应用了弧焊机器人自动焊取 代了手工焊、用熔化极气体保护焊技术取代了焊条电弧
作者简介 ：
王克鸿（1963—）男，安徽芜湖人，博士，教授，主要从事焊接过程自动控制、弧焊机器人智能化应用技术和机电一体化设备等方面的研究。
Email ：[email protected]
焊，取得了重要突破，在该技术成果的带动下，重型车 辆行业已建成数十套弧焊机器人工作站，自动焊接技术 由 20 世纪 50 年代提升到 90 年代中后期水平，焊接自 动化比例由 3% 以下提高到平均约 30%，行业已较为普 遍的采用气体保护焊工艺代替手工电弧焊，飞溅率（焊 丝直接损耗）约由 6%~12% 降到了 3%~4%，实现了跨 越式发展。各企业针对不同的产品特征仍不断的深入试 验研究自动焊接技术，以进一步提高重型车辆自动焊接 的比例、焊接效率和焊接质量。因目前的弧焊机器人均 为“试教再现”类型，虽称为机器人，但不具备任何智能，
采用了逐条“试教”的工作方式，焊前准备时间长，对 大硬度厚大高强钢（铝）构件组对和变形的偏差不能自 动适应，焊接自动化的比例较难大幅度提高，为此必须 深入开发采用适度智能控制的机器人自动焊接技术。
重型车辆结构适度智能焊接主要主要包括装甲构件 自动焊接工艺技术 ；深坡口大接缝激光自动跟踪技术 ； 焊接工艺、质量数据库和焊接工艺自动设计技术 ；基于 坡口尺寸及熔池视觉传感的成型及内部质量自动控制技 术 ；焊接工艺规划及离线编程技术 ；工艺和质量信息的 数字化传感、传输、监测与预测等数字化焊接技术。其 中装甲构件自动焊接工艺技术已获得成功应用，如单丝 自动焊接工艺技术已在重型车辆上获得应用，双丝自动 焊接工艺已在高新工程重型铝合金构件上获得应用 ；双 丝自动焊在重型车辆高强钢（铝）接头的工程化应用、
焊接工艺专家设计系统技术和深坡口大接缝激光自动跟 踪技术的工程化应用工作取得了重要进展，并开始在重 型车辆上应用 ；基于坡口尺寸及熔池视觉传感的成型质 量自动控制技术的研究工作取得了较重要的技术成果，
但仍需进行深化的工程化试验研究工作 ；其他智能控制 技术目前处于研究试验阶段。
2 国外重型车辆自动焊接技术研究应用现状
近年来，随着计算机技术、数字化信息处理技术、
机器人及智能技术等现代高新技术的发展，焊接技术正 向着焊接工艺高效高速化、焊接质量控制智能化、焊接 电源控制数字化、焊接生产过程机器人智能化的方向发 展。先进的焊接工艺、过程与质量的自动智能控制技术 不断出现，焊接技术水平得到极大的提高。国内外在弧 焊机器人接缝激光自动跟踪焊接、单双多丝高效高速脉 冲多元气体保护焊、基于视觉传感的智能焊接、焊接工 艺自动设计、智能规划和离线编程技术等方面开展了广
泛而深入的研究和应用。
先进国家重型车辆焊接技术发展迅速，传统的手工 焊、半自动焊和机械自动焊方法已被先进的机器人高效 脉冲多元气体保护高速高效焊自动焊接工艺方法所取代，
如熔化极脉冲多元气体保护焊、双丝及多丝焊、复合热 源焊等，已大量研究使用焊缝、熔池视觉等传感器对焊 接过程中接缝、熔池尺寸和质量状态等进行实时检测和 控制，传感器采集到信号通过先进的处理系统（如专家 系统及数据库）、模糊控制及智能系统进行处理，并对焊 接工艺参数进行实时调整，确保了焊接质量。如美国的 布雷德利战车炮塔采用了具有视觉传感和自适应能力的 炮塔机器人焊接单元，能自动发现存在的问题，6 个小 时焊接 1 个炮塔，实现了高效高速化焊接。再如美国利 马坦克厂采用机器人焊接工作站用于 M1A1、M1A2 坦克 车体及炮塔的焊接自动化，其焊接方法采用了脉冲多元 气体保护焊，应用了焊接过程的智能监控技术，具有高 焊接质量、高熔敷效率和快焊接速度的特点。先进国家 不断开发出智能控制型、全数字型焊接和过程控制设备，
典型的机器人焊接系统见图 1，适合于短路过渡、喷射过 渡、旋转射流过渡等，具有对工艺适应性强、熔敷率高 等特征，为重型车辆先进焊接工艺的发展提供了良好的 技术设备基础。
3 弧焊机器人高效富氩气保自动焊工艺研究与应用分析 国内针对重型车辆用数十种类、厚度的钢、铝合金 组合，数百个典型接头，试验研究了弧焊机器人自动焊 接和双丝自动焊接工艺，积累了丰富的技术、经验和数 据，进行了工程化应用开发，完成了焊接靶板抗冲击实
图1 欧洲机器人脉冲熔化极气保焊
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验、跑车和科目射击实验，技术成果已应用于数百重型 车辆的研制和生产中。研究应用表明 ：弧焊机器人自动 焊接工艺应采用脉冲熔化极单（双）丝氩弧焊技术、中 厚高强钢采用喷射过渡 MIG 焊工艺（行业称富氩气体保 护焊工艺），高强铝合金采用亚射流或射滴过渡单丝和双 丝 MIG 焊工艺，对薄板在环境温度较高时也可采用短路 过渡 MAG 焊工艺（采用 80% 氩 +20%CO2保护气）。欧 洲典型装甲车辆机器人系统照片见图 1，国内重型车辆
采用熔化极气体保护单、双丝自动焊产品见照片 2 和图 3，
机器人双丝焊接试件外、宏、微观组织见图 4、图 5，弧 焊机器人自动焊接工艺应用于高强钢（铝），能够获得优 质的焊缝接头。
4 重型车辆焊接工艺自动设计系统技术及应用分析
针对重型车辆焊接生产特点开发了焊接工艺自动设 计专家系统，可适用的焊接方法主要包括熔化极半自动 气体保护焊、熔化极全自动气体保护焊、机器人熔化极 气体保护焊、手工焊等，适用的焊接接头体系可参见表 1，
涵盖了重型车辆主要的焊接接头。
4.1 系统构成
系统基于 Client/Server（客户 / 服务器）结构，
其总体结构见图 6，用户通过界面输入焊接接头参 图2 双丝PMIG自动焊
图3 机器人脉冲熔化极气保焊
图4 重型车辆 机 器 人 焊 接 试 样 宏 、 外 观 和 微观组织照片
图5 机器人双丝 PMIG焊接熔滴过 渡和参数波形
表1 产品焊接接头的体系
接头形式 对接接头 角接接头
焊缝形式 对接焊缝 对接焊缝 角接焊缝
坡口形式
主：V型、双V型、
I型、X型；
辅：K型、折线型。
主：V型、单V型，
辅：K型、折线型 无坡口
坡口角度
V、双面V、X型：
50˚-70˚，
K型：45˚-60˚，
折线35°与15°
V、双V、X：
50˚-70˚；
单V 、 K ： 4 5 ˚ - 60˚，折线35˚与15˚
无
内外焊缝 无
二板大于180˚：
外焊缝 二板小于180˚：
内焊缝
二板大于180˚：
外焊缝 二板小于180˚：
内焊缝 焊透情况 主：焊透；辅：不
焊透
主：不焊透；辅：
焊透
不焊透，根部要 熔合
数信息，向功能层提出接头工艺设计请求，由功能层依 据不同工艺求解方式提供推理逻辑并响应工艺结果输出 服务，数据库提供知识载体的支撑服务。
系统采用 SQL Server 作为后台数据库来存储和维护 焊接工艺数据，并利用焊接工艺试验报告和专家知识建 立了一个混合推理的有效推理机制，既基于焊接工艺试 验的工艺卡推理机制和基于工艺规则的工艺卡推理机制。
4.2 焊接工艺自动设计系统功能和实现
系统具有重型车辆焊接接头信息管理模块，该模块利 用 TreeView 控件对焊接接头进行组织。实现树型结构，按 照三层结构来组织接头。其根节点对应产品，其子节点对 应部件，叶子节点对应具体的焊接接头。系统主界面见图 7，
工艺人员通过密码进入系统，自动建立产品树型结构，通 过人机对话输入相关接头信息，界面见图 8，系统通过数 据库自动形成接头图形、完成信息录入。该模块采用几何 特征（图形）来对接头 进行信息描述，每一个 特征都有一个名称和对 应的特征数据，特征名 称用来指定某特征（如 接 头 类 型， 坡 口 形 式 等），特征数据中包含 了特征的几何信息及工
艺 信 息（ 如 坡 口 角 度， 钝 边 厚度、间隙等），
方 便 了 构 造 接 头 图 和 推 理 接 头工艺规范。
系 统 还 具 有 焊 接 工 艺 卡 智 能 化 生 成 模 块， 数 据 录 入
后，系统由焊接方法，母材成份以及接头的几何信息到 数据库中查找相对应的实验报告。若完全匹配，则直接 生成焊接工艺卡。若相关，则按照特征参数进行就近匹配，
所得到的实验报告只是系统进行工艺卡推理的实验基础，
并不能简单采用，需系统从知识库中利用合适的规则，
知识进行推理，并将推理结果（接头规范）存放在工艺 卡数据库中，系统将该数据调出写在设计好的工艺卡模 板中指定的位置，实现了工艺内容的自动生成、输出和 打印，工艺卡片界面见图 9。
5 基于视觉传感的自动控制技术
基于视觉传感的自动控制技术目前主要有三方面的 用途，一是接缝自动跟踪，保证机器人或自动焊接时焊 枪和焊缝的自动对中，不焊偏，该技术在国外应用较为
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图6 焊接工艺自动设计系统的总体结构
图7 系统主界面
图8 接头信息输入和数据录入界面
图9 工艺卡输出界面
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普遍，国内也有很多成功事例，因重型车辆材质与结构 的特殊性，难度相对较大 ；二是成型的自动控制，检测 焊缝坡口几何参数调整焊接工艺参数，保证焊缝成型，
防止焊穿、未焊透等缺陷，国外也有相当的应用，国内 有一定的研究基础，在重型车辆上的应用尚未进行 ；三 是质量的自动监控，检测质量视觉特征信息，监测焊接 过程，可及时调整焊接参数，减少焊接缺陷的产生，国 外已开始应用，国内处于研究阶段。
5.1 基于接缝视觉传感的成型自动控制技术
针对弧焊机器人自动焊接，开发的基于视觉传感 自动控制系统结构示意见图 10。主要采用工业 C C D 和激光管作为视觉信号的传感器，复合滤光技术在近 红外波段传感焊缝坡口、熔池等的视觉图象，并通过 图象采集卡送入 C P U，经专用计算机图象处理软件获 得清晰的特征图象（如图 11），再经特征提取软件计 算处理，获得焊枪与焊缝坡口左右上下偏差量信息（目 前传感坡口偏差的尺寸精度在 0.2m m）、焊接过程稳 定性及质量信息，并以此特征信息为依据，采用智能 控制技术，调整焊接工艺参数和机器人焊枪运动参数，
能实现焊缝的自动跟踪、焊接过程和质量的自动控制。
激光接缝视觉传感自动跟踪技术通过工程化开发可在 兵器行业中应用推广，基于视觉传感的成型和质量的 自动控制技术通过深入研究和工程化开发可应用于装 甲车辆、弹药等行业。
5.2 基于熔池视觉传感的成型自动控制技术
本技术针对弧焊机器人自动焊接，采用工业 CCD 作 为视觉信号的传感器，依靠窄带和截止复合滤光技术在 近红外波段传感采集熔池、接缝等特征信息，并以特征 信息为控制量，实现弧焊机器人过程和成形质量的适度
智能控制。
典 型 喷 流、
短 路 和 双 丝 射 滴 过 渡 熔 池 图 像 见 图 12， 双 丝 射 滴、 射 流 熔 池 较 短 路 过 渡 时 熔 池 大，
熔 池 总 体 形 状 呈 不 对 称 椭 圆 形， 熔 池 图 像
最上方的弧形黑色边界是喷嘴正面投影，熔池头部被电 弧所覆盖，覆盖区域与电弧形态、规范大小、滤光效果 和光圈等因数有关，电弧视觉图像可分为上下二部分，
上部分呈近似锥形，下部分呈倒尖锥形。电弧二侧是熔 池区，其视觉图像灰度值明显高于其它熔池区域，熔池 的中后部存在剧烈灰度变化的区域，多次反复的观察和 试验证实了该区是浮渣，视觉图象表明弧光极其强烈的 双丝高强铝合金、高硬合金钢熔池也可获得清晰的视觉 图象。
通过视觉传感可获取焊接过程稳定性、焊缝成型过 程质量和成型缺陷产生过程的特征信息，如焊透焊穿质 量特征信息，见图 13，图 13a、b 尚无焊穿特征，至图 13c 开始出现焊穿特征、图 13d 出现了明显的焊穿特征，
适度智能控制可在出现图 13c 的时刻，即行调整焊接电 流、摆动参数等，可保证焊缝的成型质量。
不同熔点的异种金属焊接熔深情况也存在视觉特征，
见图 14，a 为低熔点金属未全熔化、b 为全部熔化、c 为基体发生熔化，智能控制须传感检测图 13b 的特征参 数，防止图 13c 特征现象出现，可保证熔深控制。其控 制模型为 ：
K=S×α>>K临，
且灰度突变（灰度变化 >80）数 n > 3 时 ；其中 S 为熔池面积，α为熔池后拖角，灰度指的是熔池视觉图 像的灰度数值。此时预示低熔点熔池熔化过量，高熔点 图10 基于视觉传感自动控制系统示意图
a.V型 b.U型 c.单V型 d.搭接 f.对接 图11 采集到的接缝图象
a 无焊穿 b 电弧下潜，无焊穿 c 焊穿前期 d 焊穿
图13 熔透焊穿视觉图像特征
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a 射流 b 短路
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c 双丝射滴
图12 熔池视觉图像
说，提高产品全生命周期尤其是设计初期的成本管理是成 本管理的重要途径。
4.4 提高工艺人员的成本意识
对于军工企业来说，成本意识相对比较淡漠。员工对 成本管理的职责认识不清，把它仅仅当成是财务部门的事，
认为与本部门和自身无关。因此，提倡低成本制造的理念，
就需要加大对财务制度、管理职责、成本重要性的学习宣 传力度，在工艺人员中树立并强化节约成本的意识，将低 成本制造的概念深入贯彻到工艺的每一个环节。一个非常 显著的实例就是工艺审查过程中的成本意识灌输。设计文 件的工艺性审查是在产品工程研制的每个阶段，对产品设 计的结构工艺性和电气工艺性进行全面审查，认真总结研 制过程的经验，将研制中发现的工艺性欠佳的问题充分反 映到设计文件中，并提出修改意见和建议，是改善产品设 计文件工艺性的主要途径。在这个过程中，如果工艺人员 具有成本意识，除了从工艺性的角度进行审查外，还会充 分考虑加工成本问题，从材料的种类、材料的规格、车间
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加工的规格等多方面考虑，在满足加工精度的情况下尽量 节约成本，并将此意见与设计人员进行必要的沟通，将成 本的概念灌输到设计文件中。
5 结论
企业在发展，科技在进步，降低成本、提高利润是 制造企业在市场经济下生存的必经之路。而工艺技术则 在低成本制造的过程中起着至关重要的作用。在材料消 耗工艺定额中树立成本控制的概念，持续不断的进行工 艺技术的优化工作、通过各种手段大力推进技术创新、
工艺信息化管理和工艺标准化，这些以工艺为核心的工 作是未来企业进行低成本制造、提高 可持续发展能力的 方向和捷径。
金属（基体）将暴露在 电弧之下，需调整焊接 工艺参数（焊接电流），
调整量的输出可根据智 能控制系统决定，可保 证无熔深焊接质量。
6 结论
（1） 采 用 弧 焊 机 器 人自动焊技术取代手工 焊，用熔化极气体保护 焊技术取代焊条电弧焊，
使重型车辆行业自动焊 接技术水平得到大幅度 提升。
（2）弧焊机器人单 丝富氩气体保护焊、双 丝熔化极自动焊已成功用于重型车辆高强钢（铝合金）
大型构件，焊缝外观和内在质量明显优于手工电弧焊。
（3）重型车辆气体保护焊接工艺专家系统实现了焊接 工艺的自动设计）且具有工艺文件的双推理输出，为重型 车辆制造企业提供了焊接工艺自动化、信息化设计平台。
（4）基于视觉传感的焊缝坡口自动跟踪和基于熔池 的成型适度智能控制技术已突破了关键技术，在部分产 品中获得了应用，经深入研究和工程化开发可广泛应用 于重型车辆及其它大中构件的研制和生产。
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a 低熔点金属未全熔化
b 低熔点金属全熔化
c 高熔点金属熔化
图14 过熔状态下熔池图像 上接P32页
