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HabasitW-01 Welder_PQ-01/8Plate焊接设备

一、产物应用背景概述

（一）项目实施场景定位

在工业自动化不断发展的当下，焊接作为制造业中关键的加工工艺，其自动化水平直接影响着生产效率与产物质量。本次应用聚焦于工业自动化焊接生产线，该生产线主要针对金属板材（Plate）的高精度对接焊接。在工程机械结构件生产中，如大型挖掘机的臂架、装载机的车架等，这些结构件需承受巨大的外力，对焊接质量要求；压力容器部件生产方面，像各类储罐、反应釜的制造，焊接质量关乎容器的密封性与安全性。在这些场景中，传统人工焊接依赖焊工的经验与技能，不仅效率低下，难以满足大规模生产需求，而且焊接质量的一致性较差，容易出现焊接缺陷，影响产物性能与使用寿命。因此，引入自动化焊接设备及适配的板材成为解决行业痛点的关键。

（二）核心设备技术参数

HabasitW - 01/8 Welder 作为核心焊接设备，搭载双轴伺服驱动系统。这一系统使得设备在焊接过程中运动控制更为焊接速度可在 50 - 300mm/min 的范围内灵活调节，以适应不同焊接工艺和板材厚度的需求。例如，在焊接较薄的板材时，可采用较高的焊接速度，提高生产效率；焊接厚板时，则降低速度，确保焊缝熔透和焊接质量。其定位精度可达 ±0.1mm，能够实现高精度的焊接轨迹控制，保证焊缝的均匀性和尺寸精度。

PQ - 01/8 Plate 选用 Q345B 热轧钢板作为基材，这种钢材具有良好的综合力学性能、焊接性能及低温冲击韧性 ，能满足多种工业场景的使用要求。板材表面进行镀锌处理，镀锌层厚度控制在 8 - 12μm，有效提高了板材的耐腐蚀性能，延长了使用寿命。同时，板材平面度≤0.5尘尘/尘，为焊接工装提供了稳定的承载平台，保证了焊接过程中板材的稳定性，减少因板材变形导致的焊接缺陷。

二、系统集成方案设计

（一）硬件配置架构

1.  焊接单元布局：HabasitW - 01/8 Welder 设备通过龙门式机械臂搭载，这种搭载方式使得焊接设备在空间内的运动更加灵活，能够覆盖更大的工作区域，满足不同尺寸工件的焊接需求。设备配备激光视觉焊缝跟踪器，该跟踪器利用激光扫描技术，实时获取焊缝的位置信息，能够快速准确地识别焊缝的起始点、终点以及焊缝的走向。即使在工件存在一定制造或在焊接过程中因热变形导致焊缝位置发生偏移时，激光视觉焊缝跟踪器也能及时捕捉到这些变化，并将信息反馈给控制系统，确保焊接过程的准确性和稳定性。同时，Welder 设备与生产线 PLC 控制系统实时通讯，PLC 控制系统作为整个生产线的核心控制单元，能够接收来自 Welder 设备以及其他生产环节的数据，实现对整个生产过程的统一调度和管理。例如，当生产线需要切换不同型号的工件进行焊接时，PLC 控制系统可以根据预先设定的程序，快速调整 Welder 设备的焊接参数，实现自动化生产。

Plate 作为工件承载平台，集成电磁吸盘固定装置。电磁吸盘固定装置利用电磁吸力，能够快速、牢固地将工件固定在平台上，避免在焊接过程中工件发生位移。定位基准面与焊接坐标系严格校准，通过高精度的测量仪器和校准工艺，确保定位基准面与焊接坐标系的偏差在极小范围内，从而保证工件装夹重复精度≤0.05尘尘。这一高精度的装夹重复精度，使得每次焊接时工件的位置都能保持高度一致，为焊接质量的稳定性提供了有力保障。

2.   工艺参数匹配：针对 8mm 厚度 Plate 板材，制定 MIG 焊接工艺方案。焊接电流设定在 220 - 250A，这个电流范围能够提供足够的热量，使焊丝和板材充分熔化，保证焊缝的熔深和强度。电弧电压保持在 24 - 26V，合适的电弧电压有助于维持电弧的稳定燃烧，使熔滴过渡更加平稳，从而改善焊缝的成型质量。保护气体成分为 80% Ar + 20% CO?，Ar 气具有良好的保护性能，能够有效地隔绝空气中的氧气和氮气，防止焊缝金属被氧化和氮化；CO?气则可以降低电弧的阴极压降，提高电弧的稳定性，同时还能增加熔池的流动性，使焊缝的熔合更加充分。送丝速度控制在 6 - 8m/min，送丝速度与焊接电流、电弧电压相互匹配，确保焊丝能够均匀、稳定地送入熔池，保证焊缝的连续性和质量。结合 Welder 的摆动焊接功能，通过调整摆动幅度、频率和速度等参数，使焊缝金属能够均匀地分布在焊缝两侧，实现焊缝熔深 3.5 - 4.0mm 的均匀熔合，满足了焊接质量对熔深的要求。

（二）软件控制逻辑

1.  路径规划算法：采用基于笛卡尔坐标系的直线插补与圆弧拟合算法。笛卡尔坐标系能够精确地描述焊接设备在空间中的位置和运动方向，直线插补算法可以根据设定的焊接路径点，在相邻两点_x0008__x0008_之间生成直线运动轨迹；圆弧拟合算法则能够对曲线形状的焊缝进行精确的轨迹规划，通过拟合出的圆弧轨迹，使焊接设备能够沿着焊缝的轮廓进行准确的焊接。针对复杂工件轮廓，该算法能够自动识别轮廓的形状和特征，生成相应的焊接轨迹。在遇到 Plate 边缘公差影响时，系统通过对边缘位置的实时监测和计算，自动调整焊接轨迹，避开公差区域，确保焊接质量不受影响。通过示教编程与离线仿真结合，操作人员可以通过示教盒手动操作焊接设备，记录下焊接路径点，生成初步的焊接程序；离线仿真则利用计算机软件对焊接过程进行模拟，检查焊接轨迹是否合理，是否存在碰撞等问题。通过这种方式，将轨迹规划控制在 ±0.2mm 以内，保证了焊接轨迹的准确性和可靠性。

2.   质量闭环控制：实时采集焊接电流、电压信号，利用 PID 调节技术动态补偿热输入波动。PID 调节技术通过对比例（P）、积分（I）、微分（D）叁个参数的调整，根据实际采集到的焊接电流、电压信号与设定值_x0008__x0008_之间的偏差，自动调整焊接设备的输出参数，使热输入保持稳定。当检测到 Plate 表面粗糙度变化导致的电弧长度波动时，系统能够迅速响应，通过自动调整焊枪高度，保持电弧长度的稳定，确保焊接过程的稳定性。通过这种质量闭环控制方式，保证了焊缝成型一致性达到 ISO 5817 B 级标准，满足了产物对焊接质量的严格要求。

叁、实施效果量化分析

（一）生产效率提升

在引入 HabasitW - 01/8 Welder 与 PQ - 01/8 Plate 的自动化焊接系统_x0008__x0008_之前，采用传统手工焊接方式。在单班次 8 小时的工作时间内，由于手工焊接速度相对较慢，且焊工需要频繁休息以保证焊接质量，熟练焊工平均每小时能完成 15 件板材的焊接，单班次产能仅为 120 件。引入自动化焊接系统后，HabasitW - 01/8 Welder 的焊接速度稳定且高效，配合精确的定位和快速的装夹系统，每小时能够完成 43.75 件板材的焊接，单班次产能提升至 350 件，生产效率提升了近 191.7%。

设备综合利用率（OEE）作为衡量设备实际生产能力的重要指标，在自动化焊接系统投入使用后达到了 85%。通过 PLC 控制系统对设备运行状态的实时监测和管理，设备故障停机时间大幅减少。系统能够提前对设备的关键部件进行状态监测和预警，当检测到某些部件的运行参数接近故障阈值时，及时通知维护人员进行维护和更换，避免了设备突发故障导致的长时间停机。同时，智能排程系统根据订单需求和设备产能，合理安排生产任务，减少了设备的闲置时间，进一步提高了设备的综合利用率。

因定位导致的返工率从传统手工焊接的 15% 降至 2.3%。在传统手工焊接中，焊工依靠经验和肉眼进行定位，难以保证每次定位的准确性，容易出现焊缝位置偏差，从而导致返工。而自动化焊接系统采用高精度的激光视觉焊缝跟踪器和精确校准的定位基准面，能够实时监测和调整焊缝位置，确保焊接过程的准确性，大大降低了因定位导致的返工率，有效缩短了产物交付周期，提高了生产效率 。

（二）质量稳定性优化

通过连续对 1000 件焊接件进行检测，对比传统焊接工艺，焊缝宽度波动范围从 ±1.2mm 收窄至 ±0.5mm。自动化焊接系统通过精确控制焊接电流、电压以及送丝速度等参数，保证了焊接过程的稳定性。在焊接过程中，PID 调节技术根据实时采集的焊接参数，自动调整设备的输出，使焊接热输入保持稳定，从而确保焊缝宽度的一致性。

熔合比偏差控制在 ±5% 以内，这得益于焊接工艺参数的精确匹配和自动化焊接设备的稳定运行。在制定焊接工艺方案时，充分考虑了板材的材质、厚度以及焊接方法等因素，通过大量的试验和数据分析，确定了佳的焊接参数组合。在实际焊接过程中，设备严格按照设定的参数运行，保证了熔池的形成和熔合过程的稳定，有效控制了熔合比偏差。

经 UT 超声波探伤检测，Ⅱ 级以上合格焊缝占比达 98.7%，满足 ASME BPVC Section IX 焊接工艺评定要求。UT 超声波探伤检测是一种常用的无损检测方法，能够检测出焊缝内部的缺陷，如气孔、裂纹、夹渣等。自动化焊接系统通过提高焊接质量的稳定性，减少了焊接缺陷的产生，使得 Ⅱ 级以上合格焊缝的占比大幅提高，保证了产物的质量和安全性 。

（叁）成本效益分析

设备初期投资回收期为 14 个月。在项目实施初期，对 HabasitW - 01/8 Welder 与 PQ - 01/8 Plate 等设备进行了一定的资金投入。随着自动化焊接系统的运行，生产效率大幅提升，产物质量得到改善，带来了显着的经济效益。通过对生产成本和销售收入的详细核算，在 14 个月内，设备所带来的效益就覆盖了初期的投资成本，实现了投资回收。

单位产物焊接能耗较传统设备降低 22%。自动化焊接设备采用了优良的节能技术，优化了焊接电源的效率和能量传输方式。在焊接过程中，根据焊接工艺的实际需求，精确控制焊接电流和电压，避免了能量的浪费。同时，设备的智能控制系统能够在设备空闲时自动进入节能模式，进一步降低了能耗。

人工成本节约 40%。传统手工焊接需要大量的焊工，而自动化焊接系统只需少量的操作人员进行设备监控和维护。以一条原本需要 10 名焊工的生产线为例，引入自动化焊接系统后，仅需 6 名操作人员，人工成本显着降低。同时，操作人员的技能要求相对降低，培训成本也相应减少。

因质量提升减少的返工成本占生产成本的 8.5%。由于焊接质量的稳定性提高，产物的返工率大幅降低，减少了因返工所产生的人力、物力和时间成本。在传统焊接工艺中，返工成本较高，不仅需要额外的人工进行修复，还可能导致原材料的浪费和生产进度的延误。而自动化焊接系统通过提高焊接质量，有效避免了这些问题，降低了生产成本。

综合以上各项因素，综合制造成本下降 17.2%。自动化焊接系统在提高生产效率、保证产物质量的同时，通过降低能耗、节约人工成本和减少返工成本等多方面，实现了综合制造成本的显着降低，提高了公司的市场竞争力。

四、经验总结与展望

（一）项目实施难点突破

在焊接过程中，由于不同批次 PQ - 01/8 Plate 板材表面粗糙度存在差异，导致焊接过程中电弧稳定性受到影响。当板材表面粗糙度较大时，电弧容易发生漂移，使得焊接电流和电压出现波动，进而影响焊缝质量。为解决这一问题，引入了电弧传感器与自适应控制算法。电弧传感器通过实时监测电弧的电压、电流信号以及电弧的形态变化，能够快速准确地感知电弧的稳定性。自适应控制算法则根据电弧传感器采集到的数据，自动调整焊接参数，如焊接电流、电压和送丝速度等，以适应板材表面粗糙度的变化。通过这种方式，有效保证了在不同表面粗糙度条件下焊接过程的稳定性和焊缝质量的一致性。

针对复杂结构件焊接时，因热应力集中导致的变形问题，采用了反变形工装设计与热应力模拟分析相结合的方法。在设计工装时，根据板材的材质、厚度以及焊接工艺参数，预先计算出焊接过程中可能产生的变形量和变形方向，然后在工装设计中加入相应的反变形量，使工件在焊接后能够抵消一部分变形，从而达到设计要求的尺寸精度。同时，利用热应力模拟分析软件，对焊接过程中的热应力分布进行模拟分析，预测可能出现的变形区域和变形程度，为反变形工装的设计提供更准确的数据支持。通过这种方法，将复杂结构件焊接变形量控制在 ±1.5mm 以内，满足了产物的精度要求。

（二）行业应用推广价值

在汽车制造行业，车身焊接生产线对焊接精度和生产效率要求。HabasitW - 01/8 Welder 与 PQ - 01/8 Plate 的自动化焊接系统能够实现车身零部件的高精度焊接，提高车身的整体强度和密封性，同时大幅提高生产效率，满足汽车制造业大规模生产的需求。在电子制造行业，对于小型金属部件的焊接，该系统的高精度定位和稳定的焊接工艺能够保证焊点的质量和可靠性，避免虚焊、短路等问题，提高电子产物的性能和稳定性。

从成本效益角度来看，对于中小公司而言，引入自动化焊接系统虽然初期投资较大，但从长期来看，能够有效降低人工成本和废品率，提高生产效率，增强公司的市场竞争力。在节能减排方面，自动化焊接设备的节能设计和优化的焊接工艺，能够降低单位产物的能耗，符合可持续发展的要求。随着工业自动化技术的不断发展，未来可进一步探索智能焊接技术，如引入人工智能算法实现焊接参数的自动优化、利用机器人协作提高焊接的灵活性和适应性等，以满足不断变化的市场需求和行业发展趋势。

五、结论

HabasitW-01/8 Welder 与 PQ-01/8 Plate 的组合应用，通过精准的机械定位、高效的焊接工艺及智能控制技术，实现了金属板材焊接的自动化升级，在提升生产效率、稳定产物质量及降低制造成本方面展现出显着优势，适用于对焊接精度与一致性要求较高的中厚板加工领域，为同类自动化改造项目提供了可复制的技术方案。

四、应用拓展与改进方向

（一）多型号适配方案

在实际生产过程中，不同的工业项目对板材的规格需求各不相同。为了使 HabasitW - 01/8 Welder 能够适应更多型号的 Plate 板材，我们开展了多型号适配方案的研究。针对厚度在 5 - 15mm 范围内的不同规格 Plate 板材，焊接过程中的热输入、焊接速度以及焊接轨迹等参数都需要做出相应调整。通过大量的工艺试验，我们深入研究了不同厚度板材在焊接时的特性，调整 Welder 焊接电源输出特性。当焊接较薄的 5mm 板材时，适当降低焊接电流，以防止板材烧穿；而焊接 15mm 的厚板时，则提高焊接电流，确保焊缝熔透。同时，根据板材厚度的变化，对机械臂运动参数进行优化，调整焊接速度和摆动幅度等参数。例如，对于较薄的板材，采用较快的焊接速度和较小的摆动幅度，以减少热输入，防止板材变形；对于厚板，则采用较慢的焊接速度和较大的摆动幅度，保证焊缝的熔合质量。

为了实现设备的快速换型，我们建立了工艺参数数据库。将不同规格板材的佳焊接参数以及设备运行参数录入数据库，当需要更换板材型号时，操作人员只需在控制系统中输入相应的板材规格信息，系统即可从数据库中快速调取对应的工艺参数，自动调整焊接电源输出特性和机械臂运动参数，实现设备的快速切换。通过这一方案，设备的换型时间从原来的 45 分钟大幅缩短至 15 分钟，大大提高了生产线的柔性化水平，使其能够快速响应市场对不同规格产物的需求，在小批量、多品种的生产模式下具有更强的竞争力。

（二）智能化升级路径

随着工业 4.0 和智能制造的发展，引入智能化技术成为提升焊接单元性能和竞争力的关键。我们引入 AI 视觉检测技术，对焊接后的 Plate 进行实时焊缝质量评估。在焊接过程结束后，AI 视觉检测系统通过高清摄像头对焊缝进行拍照，利用图像识别算法和深度学习模型对焊缝的外观进行分析，检测焊缝是否存在裂纹、气孔、未熔合等缺陷，同时测量焊缝的宽度、高度等尺寸参数。通过与标准的焊缝质量图像和参数进行对比，系统能够快速准确地判断焊缝质量是否合格，并对缺陷进行分类和定位。例如，当检测到焊缝存在裂纹时，系统能够精确地确定裂纹的位置和长度，为后续的修复工作提供准确的信息。

结合设备运行数据构建预测性维护模型，是智能化升级的另一个重要方面。在设备运行过程中，通过传感器实时采集焊接电源的电流、电压、功率等参数，以及机械臂的运动速度、位置、加速度等数据。利用机器学习算法对这些数据进行分析，建立设备运行状态与故障_x0008__x0008_之间的关联模型。当模型检测到设备运行参数出现异常变化，预示着可能发生故障时，系统会提前发出预警信息，通知维护人员进行设备检查和维护。通过这种预测性维护方式，我们将设备故障停机时间降低了 30%，有效提高了设备的可靠性和生产效率。同时，通过将焊接单元与数字化车间系统进行集成，实现了生产数据的实时共享和生产过程的统一管理，推动了整个生产线向数字化、智能化方向发展。

 HabasitW-01 Welder_PQ-01/8Plate焊接设备