HabasitW-01 Welder_PQ-01/8Plate焊接設備

一、產(chǎn)品應用背景概述

（一）項目實施場景定位

在工業(yè)自動化不斷發(fā)展的當下，焊接作為制造業(yè)中關鍵的加工工藝，其自動化水平直接影響著生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。本次應用聚焦于工業(yè)自動化焊接生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線主要針對金屬板材（Plate）的高精度對接焊接。在工程機械結(jié)構件生產(chǎn)中，如大型挖掘機的臂架、裝載機的車架等，這些結(jié)構件需承受巨大的外力，對焊接質(zhì)量要求；壓力容器部件生產(chǎn)方面，像各類儲罐、反應釜的制造，焊接質(zhì)量關乎容器的密封性與安全性。在這些場景中，傳統(tǒng)人工焊接依賴焊工的經(jīng)驗與技能，不僅效率低下，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求，而且焊接質(zhì)量的一致性較差，容易出現(xiàn)焊接缺陷，影響產(chǎn)品性能與使用壽命。因此，引入自動化焊接設備及適配的板材成為解決行業(yè)痛點的關鍵。

（二）核心設備技術參數(shù)

HabasitW - 01/8 Welder 作為核心焊接設備，搭載雙軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)。這一系統(tǒng)使得設備在焊接過程中運動控制更為焊接速度可在 50 - 300mm/min 的范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，以適應不同焊接工藝和板材厚度的需求。例如，在焊接較薄的板材時，可采用較高的焊接速度，提高生產(chǎn)效率；焊接厚板時，則降低速度，確保焊縫熔透和焊接質(zhì)量。其定位精度可達 ±0.1mm，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的焊接軌跡控制，保證焊縫的均勻性和尺寸精度。

PQ - 01/8 Plate 選用 Q345B 熱軋鋼板作為基材，這種鋼材具有良好的綜合力學性能、焊接性能及低溫沖擊韌性 ，能滿足多種工業(yè)場景的使用要求。板材表面進行鍍鋅處理，鍍鋅層厚度控制在 8 - 12μm，有效提高了板材的耐腐蝕性能，延長了使用壽命。同時，板材平面度≤0.5mm/m，為焊接工裝提供了穩(wěn)定的承載平臺，保證了焊接過程中板材的穩(wěn)定性，減少因板材變形導致的焊接缺陷。

二、系統(tǒng)集成方案設計

（一）硬件配置架構

1.  焊接單元布局：HabasitW - 01/8 Welder 設備通過龍門式機械臂搭載，這種搭載方式使得焊接設備在空間內(nèi)的運動更加靈活，能夠覆蓋更大的工作區(qū)域，滿足不同尺寸工件的焊接需求。設備配備激光視覺焊縫跟蹤器，該跟蹤器利用激光掃描技術，實時獲取焊縫的位置信息，能夠快速準確地識別焊縫的起始點、終點以及焊縫的走向。即使在工件存在一定制造或在焊接過程中因熱變形導致焊縫位置發(fā)生偏移時，激光視覺焊縫跟蹤器也能及時捕捉到這些變化，并將信息反饋給控制系統(tǒng)，確保焊接過程的準確性和穩(wěn)定性。同時，Welder 設備與生產(chǎn)線 PLC 控制系統(tǒng)實時通訊，PLC 控制系統(tǒng)作為整個生產(chǎn)線的核心控制單元，能夠接收來自 Welder 設備以及其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的統(tǒng)一調(diào)度和管理。例如，當生產(chǎn)線需要切換不同型號的工件進行焊接時，PLC 控制系統(tǒng)可以根據(jù)預先設定的程序，快速調(diào)整 Welder 設備的焊接參數(shù)，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

Plate 作為工件承載平臺，集成電磁吸盤固定裝置。電磁吸盤固定裝置利用電磁吸力，能夠快速、牢固地將工件固定在平臺上，避免在焊接過程中工件發(fā)生位移。定位基準面與焊接坐標系嚴格校準，通過高精度的測量儀器和校準工藝，確保定位基準面與焊接坐標系的偏差在極小范圍內(nèi)，從而保證工件裝夾重復精度≤0.05mm。這一高精度的裝夾重復精度，使得每次焊接時工件的位置都能保持高度一致，為焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性提供了有力保障。

2.   工藝參數(shù)匹配：針對 8mm 厚度 Plate 板材，制定 MIG 焊接工藝方案。焊接電流設定在 220 - 250A，這個電流范圍能夠提供足夠的熱量，使焊絲和板材充分熔化，保證焊縫的熔深和強度。電弧電壓保持在 24 - 26V，合適的電弧電壓有助于維持電弧的穩(wěn)定燃燒，使熔滴過渡更加平穩(wěn)，從而改善焊縫的成型質(zhì)量。保護氣體成分為 80% Ar + 20% CO?，Ar 氣具有良好的保護性能，能夠有效地隔絕空氣中的氧氣和氮氣，防止焊縫金屬被氧化和氮化；CO?氣則可以降低電弧的陰極壓降，提高電弧的穩(wěn)定性，同時還能增加熔池的流動性，使焊縫的熔合更加充分。送絲速度控制在 6 - 8m/min，送絲速度與焊接電流、電弧電壓相互匹配，確保焊絲能夠均勻、穩(wěn)定地送入熔池，保證焊縫的連續(xù)性和質(zhì)量。結(jié)合 Welder 的擺動焊接功能，通過調(diào)整擺動幅度、頻率和速度等參數(shù)，使焊縫金屬能夠均勻地分布在焊縫兩側(cè)，實現(xiàn)焊縫熔深 3.5 - 4.0mm 的均勻熔合，滿足了焊接質(zhì)量對熔深的要求。

（二）軟件控制邏輯

1.  路徑規(guī)劃算法：采用基于笛卡爾坐標系的直線插補與圓弧擬合算法。笛卡爾坐標系能夠精確地描述焊接設備在空間中的位置和運動方向，直線插補算法可以根據(jù)設定的焊接路徑點，在相鄰兩點之間生成直線運動軌跡；圓弧擬合算法則能夠?qū)η€形狀的焊縫進行精確的軌跡規(guī)劃，通過擬合出的圓弧軌跡，使焊接設備能夠沿著焊縫的輪廓進行準確的焊接。針對復雜工件輪廓，該算法能夠自動識別輪廓的形狀和特征，生成相應的焊接軌跡。在遇到 Plate 邊緣公差影響時，系統(tǒng)通過對邊緣位置的實時監(jiān)測和計算，自動調(diào)整焊接軌跡，避開公差區(qū)域，確保焊接質(zhì)量不受影響。通過示教編程與離線仿真結(jié)合，操作人員可以通過示教盒手動操作焊接設備，記錄下焊接路徑點，生成初步的焊接程序；離線仿真則利用計算機軟件對焊接過程進行模擬，檢查焊接軌跡是否合理，是否存在碰撞等問題。通過這種方式，將軌跡規(guī)劃控制在 ±0.2mm 以內(nèi)，保證了焊接軌跡的準確性和可靠性。

2.   質(zhì)量閉環(huán)控制：實時采集焊接電流、電壓信號，利用 PID 調(diào)節(jié)技術動態(tài)補償熱輸入波動。PID 調(diào)節(jié)技術通過對比例（P）、積分（I）、微分（D）三個參數(shù)的調(diào)整，根據(jù)實際采集到的焊接電流、電壓信號與設定值之間的偏差，自動調(diào)整焊接設備的輸出參數(shù)，使熱輸入保持穩(wěn)定。當檢測到 Plate 表面粗糙度變化導致的電弧長度波動時，系統(tǒng)能夠迅速響應，通過自動調(diào)整焊槍高度，保持電弧長度的穩(wěn)定，確保焊接過程的穩(wěn)定性。通過這種質(zhì)量閉環(huán)控制方式，保證了焊縫成型一致性達到 ISO 5817 B 級標準，滿足了產(chǎn)品對焊接質(zhì)量的嚴格要求。

三、實施效果量化分析

（一）生產(chǎn)效率提升

在引入 HabasitW - 01/8 Welder 與 PQ - 01/8 Plate 的自動化焊接系統(tǒng)之前，采用傳統(tǒng)手工焊接方式。在單班次 8 小時的工作時間內(nèi)，由于手工焊接速度相對較慢，且焊工需要頻繁休息以保證焊接質(zhì)量，熟練焊工平均每小時能完成 15 件板材的焊接，單班次產(chǎn)能僅為 120 件。引入自動化焊接系統(tǒng)后，HabasitW - 01/8 Welder 的焊接速度穩(wěn)定且高效，配合精確的定位和快速的裝夾系統(tǒng)，每小時能夠完成 43.75 件板材的焊接，單班次產(chǎn)能提升至 350 件，生產(chǎn)效率提升了近 191.7%。

設備綜合利用率（OEE）作為衡量設備實際生產(chǎn)能力的重要指標，在自動化焊接系統(tǒng)投入使用后達到了 85%。通過 PLC 控制系統(tǒng)對設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和管理，設備故障停機時間大幅減少。系統(tǒng)能夠提前對設備的關鍵部件進行狀態(tài)監(jiān)測和預警，當檢測到某些部件的運行參數(shù)接近故障閾值時，及時通知維護人員進行維護和更換，避免了設備突發(fā)故障導致的長時間停機。同時，智能排程系統(tǒng)根據(jù)訂單需求和設備產(chǎn)能，合理安排生產(chǎn)任務，減少了設備的閑置時間，進一步提高了設備的綜合利用率。

因定位導致的返工率從傳統(tǒng)手工焊接的 15% 降至 2.3%。在傳統(tǒng)手工焊接中，焊工依靠經(jīng)驗和肉眼進行定位，難以保證每次定位的準確性，容易出現(xiàn)焊縫位置偏差，從而導致返工。而自動化焊接系統(tǒng)采用高精度的激光視覺焊縫跟蹤器和精確校準的定位基準面，能夠?qū)崟r監(jiān)測和調(diào)整焊縫位置，確保焊接過程的準確性，大大降低了因定位導致的返工率，有效縮短了產(chǎn)品交付周期，提高了生產(chǎn)效率 。

（二）質(zhì)量穩(wěn)定性優(yōu)化

通過連續(xù)對 1000 件焊接件進行檢測，對比傳統(tǒng)焊接工藝，焊縫寬度波動范圍從 ±1.2mm 收窄至 ±0.5mm。自動化焊接系統(tǒng)通過精確控制焊接電流、電壓以及送絲速度等參數(shù)，保證了焊接過程的穩(wěn)定性。在焊接過程中，PID 調(diào)節(jié)技術根據(jù)實時采集的焊接參數(shù)，自動調(diào)整設備的輸出，使焊接熱輸入保持穩(wěn)定，從而確保焊縫寬度的一致性。

熔合比偏差控制在 ±5% 以內(nèi)，這得益于焊接工藝參數(shù)的精確匹配和自動化焊接設備的穩(wěn)定運行。在制定焊接工藝方案時，充分考慮了板材的材質(zhì)、厚度以及焊接方法等因素，通過大量的試驗和數(shù)據(jù)分析，確定了佳的焊接參數(shù)組合。在實際焊接過程中，設備嚴格按照設定的參數(shù)運行，保證了熔池的形成和熔合過程的穩(wěn)定，有效控制了熔合比偏差。

經(jīng) UT 超聲波探傷檢測，Ⅱ 級以上合格焊縫占比達 98.7%，滿足 ASME BPVC Section IX 焊接工藝評定要求。UT 超聲波探傷檢測是一種常用的無損檢測方法，能夠檢測出焊縫內(nèi)部的缺陷，如氣孔、裂紋、夾渣等。自動化焊接系統(tǒng)通過提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，減少了焊接缺陷的產(chǎn)生，使得 Ⅱ 級以上合格焊縫的占比大幅提高，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性 。

（三）成本效益分析

設備初期投資回收期為 14 個月。在項目實施初期，對 HabasitW - 01/8 Welder 與 PQ - 01/8 Plate 等設備進行了一定的資金投入。隨著自動化焊接系統(tǒng)的運行，生產(chǎn)效率大幅提升，產(chǎn)品質(zhì)量得到改善，帶來了顯著的經(jīng)濟效益。通過對生產(chǎn)成本和銷售收入的詳細核算，在 14 個月內(nèi)，設備所帶來的效益就覆蓋了初期的投資成本，實現(xiàn)了投資回收。

單位產(chǎn)品焊接能耗較傳統(tǒng)設備降低 22%。自動化焊接設備采用了優(yōu)良的節(jié)能技術，優(yōu)化了焊接電源的效率和能量傳輸方式。在焊接過程中，根據(jù)焊接工藝的實際需求，精確控制焊接電流和電壓，避免了能量的浪費。同時，設備的智能控制系統(tǒng)能夠在設備空閑時自動進入節(jié)能模式，進一步降低了能耗。

人工成本節(jié)約 40%。傳統(tǒng)手工焊接需要大量的焊工，而自動化焊接系統(tǒng)只需少量的操作人員進行設備監(jiān)控和維護。以一條原本需要 10 名焊工的生產(chǎn)線為例，引入自動化焊接系統(tǒng)后，僅需 6 名操作人員，人工成本顯著降低。同時，操作人員的技能要求相對降低，培訓成本也相應減少。

因質(zhì)量提升減少的返工成本占生產(chǎn)成本的 8.5%。由于焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性提高，產(chǎn)品的返工率大幅降低，減少了因返工所產(chǎn)生的人力、物力和時間成本。在傳統(tǒng)焊接工藝中，返工成本較高，不僅需要額外的人工進行修復，還可能導致原材料的浪費和生產(chǎn)進度的延誤。而自動化焊接系統(tǒng)通過提高焊接質(zhì)量，有效避免了這些問題，降低了生產(chǎn)成本。

綜合以上各項因素，綜合制造成本下降 17.2%。自動化焊接系統(tǒng)在提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，通過降低能耗、節(jié)約人工成本和減少返工成本等多方面，實現(xiàn)了綜合制造成本的顯著降低，提高了企業(yè)的市場競爭力。

四、經(jīng)驗總結(jié)與展望

（一）項目實施難點突破

在焊接過程中，由于不同批次 PQ - 01/8 Plate 板材表面粗糙度存在差異，導致焊接過程中電弧穩(wěn)定性受到影響。當板材表面粗糙度較大時，電弧容易發(fā)生漂移，使得焊接電流和電壓出現(xiàn)波動，進而影響焊縫質(zhì)量。為解決這一問題，引入了電弧傳感器與自適應控制算法。電弧傳感器通過實時監(jiān)測電弧的電壓、電流信號以及電弧的形態(tài)變化，能夠快速準確地感知電弧的穩(wěn)定性。自適應控制算法則根據(jù)電弧傳感器采集到的數(shù)據(jù)，自動調(diào)整焊接參數(shù)，如焊接電流、電壓和送絲速度等，以適應板材表面粗糙度的變化。通過這種方式，有效保證了在不同表面粗糙度條件下焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量的一致性。

針對復雜結(jié)構件焊接時，因熱應力集中導致的變形問題，采用了反變形工裝設計與熱應力模擬分析相結(jié)合的方法。在設計工裝時，根據(jù)板材的材質(zhì)、厚度以及焊接工藝參數(shù)，預先計算出焊接過程中可能產(chǎn)生的變形量和變形方向，然后在工裝設計中加入相應的反變形量，使工件在焊接后能夠抵消一部分變形，從而達到設計要求的尺寸精度。同時，利用熱應力模擬分析軟件，對焊接過程中的熱應力分布進行模擬分析，預測可能出現(xiàn)的變形區(qū)域和變形程度，為反變形工裝的設計提供更準確的數(shù)據(jù)支持。通過這種方法，將復雜結(jié)構件焊接變形量控制在 ±1.5mm 以內(nèi)，滿足了產(chǎn)品的精度要求。

（二）行業(yè)應用推廣價值

在汽車制造行業(yè)，車身焊接生產(chǎn)線對焊接精度和生產(chǎn)效率要求。HabasitW - 01/8 Welder 與 PQ - 01/8 Plate 的自動化焊接系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車身零部件的高精度焊接，提高車身的整體強度和密封性，同時大幅提高生產(chǎn)效率，滿足汽車制造業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。在電子制造行業(yè)，對于小型金屬部件的焊接，該系統(tǒng)的高精度定位和穩(wěn)定的焊接工藝能夠保證焊點的質(zhì)量和可靠性，避免虛焊、短路等問題，提高電子產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。

從成本效益角度來看，對于中小企業(yè)而言，引入自動化焊接系統(tǒng)雖然初期投資較大，但從長期來看，能夠有效降低人工成本和廢品率，提高生產(chǎn)效率，增強企業(yè)的市場競爭力。在節(jié)能減排方面，自動化焊接設備的節(jié)能設計和優(yōu)化的焊接工藝，能夠降低單位產(chǎn)品的能耗，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。隨著工業(yè)自動化技術的不斷發(fā)展，未來可進一步探索智能焊接技術，如引入人工智能算法實現(xiàn)焊接參數(shù)的自動優(yōu)化、利用機器人協(xié)作提高焊接的靈活性和適應性等，以滿足不斷變化的市場需求和行業(yè)發(fā)展趨勢。

五、結(jié)論

HabasitW-01/8 Welder 與 PQ-01/8 Plate 的組合應用，通過精準的機械定位、高效的焊接工藝及智能控制技術，實現(xiàn)了金屬板材焊接的自動化升級，在提升生產(chǎn)效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量及降低制造成本方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，適用于對焊接精度與一致性要求較高的中厚板加工領域，為同類自動化改造項目提供了可復制的技術方案。

四、應用拓展與改進方向

（一）多型號適配方案

在實際生產(chǎn)過程中，不同的工業(yè)項目對板材的規(guī)格需求各不相同。為了使 HabasitW - 01/8 Welder 能夠適應更多型號的 Plate 板材，我們開展了多型號適配方案的研究。針對厚度在 5 - 15mm 范圍內(nèi)的不同規(guī)格 Plate 板材，焊接過程中的熱輸入、焊接速度以及焊接軌跡等參數(shù)都需要做出相應調(diào)整。通過大量的工藝試驗，我們深入研究了不同厚度板材在焊接時的特性，調(diào)整 Welder 焊接電源輸出特性。當焊接較薄的 5mm 板材時，適當降低焊接電流，以防止板材燒穿；而焊接 15mm 的厚板時，則提高焊接電流，確保焊縫熔透。同時，根據(jù)板材厚度的變化，對機械臂運動參數(shù)進行優(yōu)化，調(diào)整焊接速度和擺動幅度等參數(shù)。例如，對于較薄的板材，采用較快的焊接速度和較小的擺動幅度，以減少熱輸入，防止板材變形；對于厚板，則采用較慢的焊接速度和較大的擺動幅度，保證焊縫的熔合質(zhì)量。

為了實現(xiàn)設備的快速換型，我們建立了工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。將不同規(guī)格板材的佳焊接參數(shù)以及設備運行參數(shù)錄入數(shù)據(jù)庫，當需要更換板材型號時，操作人員只需在控制系統(tǒng)中輸入相應的板材規(guī)格信息，系統(tǒng)即可從數(shù)據(jù)庫中快速調(diào)取對應的工藝參數(shù)，自動調(diào)整焊接電源輸出特性和機械臂運動參數(shù)，實現(xiàn)設備的快速切換。通過這一方案，設備的換型時間從原來的 45 分鐘大幅縮短至 15 分鐘，大大提高了生產(chǎn)線的柔性化水平，使其能夠快速響應市場對不同規(guī)格產(chǎn)品的需求，在小批量、多品種的生產(chǎn)模式下具有更強的競爭力。

（二）智能化升級路徑

隨著工業(yè) 4.0 和智能制造的發(fā)展，引入智能化技術成為提升焊接單元性能和競爭力的關鍵。我們引入 AI 視覺檢測技術，對焊接后的 Plate 進行實時焊縫質(zhì)量評估。在焊接過程結(jié)束后，AI 視覺檢測系統(tǒng)通過高清攝像頭對焊縫進行拍照，利用圖像識別算法和深度學習模型對焊縫的外觀進行分析，檢測焊縫是否存在裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，同時測量焊縫的寬度、高度等尺寸參數(shù)。通過與標準的焊縫質(zhì)量圖像和參數(shù)進行對比，系統(tǒng)能夠快速準確地判斷焊縫質(zhì)量是否合格，并對缺陷進行分類和定位。例如，當檢測到焊縫存在裂紋時，系統(tǒng)能夠精確地確定裂紋的位置和長度，為后續(xù)的修復工作提供準確的信息。

結(jié)合設備運行數(shù)據(jù)構建預測性維護模型，是智能化升級的另一個重要方面。在設備運行過程中，通過傳感器實時采集焊接電源的電流、電壓、功率等參數(shù)，以及機械臂的運動速度、位置、加速度等數(shù)據(jù)。利用機器學習算法對這些數(shù)據(jù)進行分析，建立設備運行狀態(tài)與故障之間的關聯(lián)模型。當模型檢測到設備運行參數(shù)出現(xiàn)異常變化，預示著可能發(fā)生故障時，系統(tǒng)會提前發(fā)出預警信息，通知維護人員進行設備檢查和維護。通過這種預測性維護方式，我們將設備故障停機時間降低了 30%，有效提高了設備的可靠性和生產(chǎn)效率。同時，通過將焊接單元與數(shù)字化車間系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時共享和生產(chǎn)過程的統(tǒng)一管理，推動了整個生產(chǎn)線向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。

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