轻量化材料在汽车、航空、航天、高速列车 等领域有广泛的应用，如铝合金在波音 777 飞机上 的应用比例达到 70 %，在空客 A380 上的应用比例 达到 61 %[1]，高速动车大量采用蜂窝或泡沫结构 铝合金蒙皮，采用轻质化和更高性能替代材料及新 成型工艺已成为工业产品发展的主流。汽车的重量 每减轻 10 %，油耗可降低 6% ~8%，排放随之降 低 4 %[2]。常见的轻量化材料有高强度钢材、铝合金、镁合金、碳纤维材料、工程塑料等，轻量化金 属及金属合金材料仍占主导地位，轻量化材料应用 已经成为制造业关注的焦点 [3]。轻量化材料焊接 加工是轻量化材料结构件加工的最主要加工工艺之 一，如汽车车身、飞机的壁板、高铁的夹层板等 [4]。 区别于传统的钢材连接焊接，轻量化材料焊接加工 的质量直接影响到相关产品的质量、性能和制造周 期，对焊接工艺的质量控制要求更高 [5]。轻量化 材料焊接工艺的发展迫切需要改变当前焊接产品质 量依赖于操作工技能的现状，应用数字化和智能化 技术手段与轻量化材料焊接知识库，实现焊接工艺 参数优化以及焊接缺陷识别，消除焊接裂纹、变形 等不可控因素，提升焊接精度，转变焊接生产模式， 支撑轻量化材料焊接产品的高质量、高效率制造。

《一、传统轻量化材料焊接车间现状及问题》

一、传统轻量化材料焊接车间现状及问题

长期以来，我国的轻量化材料焊接工艺虽能满 足现役产品的基本生产需求，但生产能力和技术水 平相对落后，质量稳定性不高，手工作业占比较大， 导致产生诸多问题 [6]。近些年来，在一些制造流 程中部分应用了自动化焊接设备，实现了轻量化材 料焊接工艺的机械化、半自动化，效率也明显得到 了提升 [7~11]。但在夹装、测量等辅助环节，自动 化焊接参数选择与过程控制等大多采用基于手工和 经验的传统方式，依旧存在产品质量稳定性不足、 效率偏低的困境。以国内某轻量化材料零部件企业 的生产焊接工艺为例，其当前焊接车间的主要制造 技术手段如图 1 所示。图 1 所示的焊接工艺流程以 及生产现状只能满足质量要求不高的轻量化材料焊 接需求，或成品率和产量要求不高的市场需求。

《图 1 》

图 1 我国当前焊接车间的制造技术手段

 

从图 1 可知，传统轻量化材料焊接车间主要存 在三大问题：①产品质量控制未形成闭环，很大程 度上仍主要依赖技术工人的技能，产品质量稳定性 不高；②受参数优化水平和检测手段、调度方式、 装夹方式、缺陷判定方式落后等因素的影响，生产 效率较低；③工艺设计和产品可制造性分析仍然依 赖于个人的知识与经验，新产品工艺往往需要不断 “试错”以获得可行的工艺方案，产品焊接制造柔 性不足，生产线快速复制能力弱。传统轻量化材 料焊接车间向智能焊接车间转型的要素主要集中 在提升产品一致性、增加制造柔性、提高制造效 率三个维度。

《二、轻量化材料焊接车间智能化要素分析》

二、轻量化材料焊接车间智能化要素分析

在工业发达国家，汽车、飞机等领域的制造企 业广泛应用了自动化技术、传感器技术、智能技术、 信息技术、机器人技术等，逐步实现了制造车间的 数字化和智能化 [12,13]。其中较为典型的要素有： ①以产品及车间数字化建模与仿真实现产品或装备 的快速开发，其中部分产品或零件实现了一次开发 成功，缩短了产品的研制周期，实现了快速响应制 造；②以制造现场的数字化和网络化实现对生产设 备运行参数和生产系统故障的过程监控、检测、显 示，甚至实现企业生产过程的智能化分析、调度和 控制；③以制造装备单元的精密化和智能化实现车 间的智能化，如波音公司的数字化车间大量应用了 自动化辅助装备和数字化制造技术，实现制造时间 减少 66 %、装配工装减少 90 % 的成效 [14]。对比 国外较为典型的智能车间的要素和国内传统轻量 化材料焊接车间的主要问题，形成图 2 所示的要 素图谱。

《图 2 》

图 2 轻量化材料焊接车间智能化要素图谱

 

由图 2 可知，为实现轻量化材料焊接产品一致性、制造柔性、制造效率的提升，焊接车间智能化 应采取仿真建模、数字化和网络化、智能化制造单 元等先进且成熟的技术手段，解决对技术人员技能 的依赖、现场制造信息未闭环、检测手段落后、调 度方式落后、在线分析手段缺失等问题，轻量化材 料焊接车间智能化需满足技术发展维度、目标需求 维度、车间构建维度三要素。

结合国外智能焊接技术和工艺发展情况，选取 某汽车焊接智能车间项目（见图 3）对轻量化材料 焊接车间智能化要素进行分析。该智能焊接车间完 成了对焊接设备的驱动和控制系统的配置，对焊接 方法、工艺参数及范围进行定义；建立了有关数据 库，存储并汇编现有各种焊接生产过程的数据，通 过安装于焊接设备的智能终端与操作者交互通信， 逐步充实数据库，供各焊接工作站共享；按照预置 的焊件母材种类规格、焊接方法、焊接材料种类和 规格等原始数据，编制优化焊接工艺参数的程序； 按照工件形状、尺寸和接缝预设的偏差界限，编制 自动修正和补偿程序；按照焊接工艺参数实时的检 测参数与标准预置参数之间的偏差，编制自动控制 焊缝质量的程序、工艺参数失控的警报程序和参数 显示及记录程序；按照焊接过程实时摄制的焊接区 图像以及焊接电弧和焊道形状参数编制远程监控的 程序；对焊接设备的驱动系统和控制系统、送丝机 及焊接电源编制故障自动诊断报警和修复程序；焊 接设备的控制系统与分布式控制系统（DCS）操作 站之间建立数据通信联络，完成数控程序的管理、 分配，生产数据的收集，加工过程的监控和远程诊 断功能 [15]。

《图 3 》

图 3 汽车车身智能焊接车间

 

从车间构建和目标需求维度，智能焊接车间由 DCS 统一控制和调配，系统根据管理层下达的生产 任务，预置各制造单元动作程序和拟检测数据，确 定整个制造流程，最终启动工作程序实现焊接指令， 并将加工过程中的参数实时采集到主控制单元，进 行在线检测、质量控制、焊接工艺过程监控、分析 和工序优化调整。从实现焊接调度和控制管理角度， 焊接生产管理数字化、控制管理实时化是焊接车间 智能化构建的基本要素；从焊接设备快速调整和柔 性切换以及焊接质量保证角度，快速互换装夹（柔 性化），焊缝质量检测工具化是焊接车间智能化构 建的基本要素。

从焊接工艺技术发展维度，数字化和智能化 焊接技术带来了焊接车间设备的集成和简化，产 品质量的精确、可靠。围绕着焊接质量、焊接效 率、焊接飞溅等持续改进焊接控制技术，国外厂 商 Fronius、ESAB、Lincoln 率先实现了全数字化在焊接设备的应用，微处理器的精确运算控制焊接 的各项性能以及工作过程，即数字化和智能化焊接 变得集成、简化。与传统依赖焊接工人的焊接工艺 相比，数字化和智能化焊接可同时实现熔化极惰性 气体保护焊接（MIG）/ 熔化极活性气体保护电弧 焊接（MAG）/ 机器人焊接 / 非熔化极惰性气体钨 极保护焊接（TIG）、手工电弧焊等多种功能在一 台机器上实现，在极短时间内响应电弧长度的变 化，控制变得前所未有的精确、可靠。焊接设备的 软件升级可应用于不同场合的需要，保证焊接质量 的一致性和焊缝成型的美观。伴随着微处理器的精 确运算，内部集成了大量的专家系统，可实现各种 焊接规范，实现精确的起弧收弧。比如 OTC（欧 地希）WB-M350L 焊接机型，专注于数字电源控 制下焊接工艺的改善，实现焊接同 MAG 一样低飞 溅，比同类焊机减少 80 % 的飞溅物，提高了工件 的表面质量。又如 Fronius 公司的 Transplus synergic 2700/4000/5000 系列产品在一台焊机上实现了 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，还可以通过网络进行工艺管理 和控制软件升级 [16]。从技术发展目标需求维度， 焊接过程质量控制闭环化、焊接基础数据库无纸化、 焊接性分析数据化、焊接工艺分析智能化是焊接车 间智能化的基本要素。

《三、轻量化材料焊接车间智能化基本要素》

三、轻量化材料焊接车间智能化基本要素

从上述要素分析可知，轻量化材料焊接车间智 能化需从数字化和智能化技术发展维度、焊接最终 目标和需求维度、焊接车间柔性构建维度，满足焊 接控制管理实时化、焊接过程质量控制闭环化、焊 接性分析数据化、焊接工艺分析智能化、快速互换 装夹（柔性化）、焊缝质量检测工具化、焊接生产 管理数字化、焊接基础数据库无纸化八大基本要素， 分别对应实现如下八大基本要素系统。

1. 轻量化材料焊接控制管理系统

轻量化材料焊接控制管理系统是以车间设备信 息采集、工业现场信息、车间网络的数据统计为对 象建立的焊接生产过程管理系统，实现焊接运行的 状况、实时数据、历史数据、警告的记录存储，基 于焊接设备的故障分类、基于焊接产品质量下降对 系统故障原因等进行智能分析、故障预警和诊断， 处理出初步结果供运行和管理人员参考。轻量化材 料焊接控制管理系统是焊接车间数据收集和管控的 主要平台。

2. 轻量化材料焊接过程质量控制系统

轻量化材料焊接过程质量控制系统是以高精度 在线测量为基础，并基于在线检测数据替代人工检 测和调整补偿，动态调整装配装夹系统、调整装配 流程、优化装配工艺等，实现焊接过程工艺参数的 动态闭环控制。常见的有采用激光传感器跟踪焊接 过程，采用焊接路径自适应技术、视觉传感的焊缝 成形控制技术、弧长自适应控制技术、恒压力自适 应控制技术等，实现轻量化材料焊缝轨迹、焊缝间 隙、传输控制协议（TCP）位姿等焊接工艺参数的 记录，反馈至上位机自适应调整机器人焊接路径、 焊接工艺参数，达到焊接的自适应闭环控制，辅以 质量分析系统、故障分析系统的智能化分析实现焊 接质量可追溯。此外，还有基于视觉的焊缝自适应 控制系统，通过选择合适的减光、滤光系统，获取 熔池图像；基于轻量化材料特定焊接工艺和焊接工 件材料开发的鲁棒性图像处理算法，提取焊缝熔池 视觉特征，给出与焊接过程稳定和质量控制相关的 特征信息；并基于焊缝熔池动态几何尺寸、焊缝前 段间隙和焊接熔透等信息，运用模糊辨识、粗糙集 理论对焊接过程进行知识建模，并设计控制焊缝成 形及质量的智能控制策略。焊接过程质量控制系统 是实现轻量化材料焊接信息闭环、焊接质量一致性 以及焊接智能化的基本前提。

3. 轻量化材料焊接性分析专家系统

焊接性分析专家系统是以轻量化材料试验数据 库、焊接方法选择、焊接裂纹敏感性分析数字化结 果等为对象建立的数据库。其中，轻量化材料试验 数据库将对常用铝合金、薄壁钢等轻量化材料焊接 性试验数据进行整理和归类，并对数据以数据库的 形式进行数字化存储和管理，技术人员可直接通过 该数据库查询相关轻量化材料焊接性试验数据；焊 接方法选择是以提供的基本需求信息为输入，辅助 综合分析为手段，从质量、效率及成本等因素间对 焊接方法进行遴选，寻求最佳结果。焊接裂纹敏感 性分析是以焊接工艺与焊接过程敏感性为关联，应 用模糊推理等手段综合分析，并给出裂纹大小和位 置的产生状况预测。焊接性分析专家系统是提升制 造效率、保障产品一致性的重要依据。

4. 轻量化材料焊接工艺分析专家系统

焊接工艺分析专家系统是以轻量化材料焊接工 艺知识和焊接工艺推理机为对象建立的数据库。该 系统一方面能够实现轻量化材料焊接工艺自动化和 智能化设计，涉及轻量化材料的常用焊接方法、材 料的各种牌号、焊接材料选择、焊接接头设计、焊 接工艺规范参数推荐 [17]；另一方面能够系统通过 获取焊接方法、材料牌号、焊接材料、焊接接头等 工艺知识，与现有推荐工艺进行比较，丰富焊接工 艺知识库，完善焊接工艺推理机制 [18]。工艺分析 专家系统是实现焊接自动化和智能化、提高焊接效 率的前提。

5. 轻量化材料焊接快速互换装夹系统

轻量化材料焊接快速互换装夹系统是借鉴机器 人和辅助自动化设备比较成熟的汽车行业的柔性装 夹方式，克服传统焊接装夹只能应对单一品种、焊 接工装数量庞大、存储管理复杂、换工装耗时长等 难题，采用统一的设计规范和标准，设计组合式、 模块化的柔性焊接工装，提高互换性，实现一装多 用，实现机械快速定位和电气快速切换。快速互换 装夹系统是实现焊接自动化、提升焊接效率、增强 焊接制造柔性的重要因素。

6. 轻量化材料焊缝质量检测系统

轻量化材料焊缝质量检测系统是区别于目前采 用胶片成像、缺陷大小及类别人工判断的现状，采 用 X 射线 [19]、集成超声相控阵等数字化实时成像 系统 [20]，亦或采用激光传感系统实现对焊接缺陷 的高精度自动检测和判断，以实现对焊接过程质量 的追溯 [21]。焊缝质量检测作为焊缝质量的有效控 制手段穿插于焊接的各个环节，也是下一道焊接工 序的通行证。轻量化材料焊缝质量检测工具的先进 性、检测的实时性和检测效率对全焊接制造周期起 着至关重要的作用。

7. 轻量化材料焊接生产管理系统

轻量化材料焊接生产管理是以电子看板技术、 传感技术、仿真技术等为基础，通过产品数据管 理（PDM）提供的工程数据库及其应用接口，对企 业资源计划（ERP）、制造企业生产过程执行系统 （MES）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）和计 算机辅助制造（CAM）等系统进行集成，实现同设 备互相联系和交互，为焊接智能车间业务信息的获 取与处理的速度和准确性提供支撑，实现快速响应 制造能力和精细化管理。轻量化材料焊接生产管理 系统是焊接车间信息、设备、人员调度和管控的核 心平台。

8. 轻量化材料焊接基础数据库

焊接基础数据库是以焊接母材、焊接材料、焊 接工艺、焊接标准、焊接缺陷等为对象建立的数据 库。其中，焊接母材数据库主要存储焊接母材的化 学成分、热物理性能及力学性能，工艺人员无需翻 阅纸质版标准和手册，可直接查询焊接母材的相关 数据。焊接材料数据库主要存储焊接材料及焊接材 料生产信息的相关数据指标，工艺人员可大幅度降 低焊接材料选择难度，直接查询相关焊接材料的数 据信息及生产厂家的联系方式。焊接工艺数据库既 包含类似的焊接工艺，又包含焊接工艺设计基础知 识，工艺人员可查询此数据库，直接调用成熟工艺 数据或使用工艺数据作为参考。焊接标准数据库可 方便工艺人员查询相关标准制。焊接缺陷数据库存 储焊接生产中的各类焊接缺陷，便于用户快速查询 分析。基础数据库是实现产品一致性的重要保障。

《四、结语》

四、结语

本文描述了传统焊接车间制造技术手段和存在 的问题，并结合国外汽车、飞机先进的制造车间要 素，以焊接最终目标和需求、数字化和智能化技术 发展趋势、焊接车间柔性构建三个维度作为焊接车 间智能化要素的基本维度，总结汽车领域某先进智 能焊接车间项目的智能化功能，并结合焊接工艺数 字化和智能化技术发展趋势，分析得出焊接车间智 能化的八大基本要素，并描述了焊接车间智能化对 应的八大基本要素系统，为焊接行业及企业进行车 间数字化和智能化改造或建设提供参考。