1 项目概述
根据前瞻产业研究院《中国汽车行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》的数据统计，2015年中国汽车产销量已经超过2450万辆，连续七年蝉联全球第一。汽车生产制造是一个技术综合程度非常高的产业，成为了中国推进工业现代化进程重点支持发展的产业。汽车生产过程的四大工艺包括冲压、焊接、涂装和总装。焊接技术在汽车生产制造环节内的重要性不言而喻。而激光焊接属于近十年以来新引入汽车零部件生产的先进制造技术。目前，激光焊接技术应用于汽车零件的生产，主要在白车身零部件焊接和动力传动系统零部件的焊接。
涡轮增压器是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增大，废气排出速度与涡轮转速也同步增加，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。
项目中焊接的零件控制杆和转轴盖板都是涡轮增压器装置内的传动零件。两个零件在焊接成组件后，成为控制蜗壳空气进入体积流量的一个阀门，通过其开口的变化调整气体流量的大小。单套涡轮增压机构内，有多处需要通过焊接工艺实现连接；包括控制杆和转轴盖板以及组装成一体零件后两者的焊接固定。
工件简图
该零件在引入激光焊接前，采用氩弧焊；工艺方式焊缝熔池的热输入量大，焊接零件变形大，质量不稳定和影响工件的使用性能，导致产品寿命短的缺陷。同时，焊接前需要人工装入四个零件。控制杆和转轴盖板以及垫片都属于小型零件，弹性垫片的正反面形状分辨难度大；所以，装件的过程占用时间长、效率低，零件装错的概率高，操作者劳动强度大。
通过我们研发的智能化机器人激光焊接系统设备，解决了上面所描述的传统弧焊工艺短板和生产效率低以及操作人员劳动强度大、装件容易放错等一系列问题。
2机器人焊接智能化的构成及相关技术
在文章下述内容中，针对激光焊技术和焊接工艺方法，机器人焊接智能化的构成以及项目中涉及到的相关技术应用点做详细的阐述。
2.1 激光焊接技术和关键工件参数条件
激光即是受激辐射的光放大。
与传统的电弧焊接工艺相比，激光焊接生产方式有多项优势条件：
（1）小区域内能量的应用，产生低的热应力和极小的热影响区，以及极低的畸变形；
（2）窄接合缝和平滑的焊缝表面，降低了可能需要的再加工工作量，甚至可以完全消除再加工；
（3）激光焊接与其他生产操作结合，获得更优越的集成性能；
（4）高的工艺速度，转化为短的加工节拍时间；
（5）机床控制和传感器系统检测工艺参数并保证质量，实现良好的程序控制；
（5）激光束可以不接触工件表面或者不对工件施加力的情况下产生焊点；
2.2 激光焊接主要的两种工艺方式：热传导焊接和深熔焊；
热传导焊接，激光束沿着共同的接缝熔化相配零件，熔融材料流动到一起并凝固形成焊接焊缝；能量通过热传导单独地耦合到工件中；因此，焊接深度范围在仅仅几十分之一毫米到一毫米。
深熔焊需要大约1 MW/cm²的极高功率密度。激光束不仅熔化金属，也产生蒸气。消散的蒸气在熔融技术上施加压力并部分取代它。同时，材料继续熔化产生了一个深窄并充满蒸气的孔，它被熔融金属所包围；亦可称为小孔效应。随着激光束沿着焊缝前进，小孔随之通过工件移动，熔融继续环流小孔并在其痕迹内凝固，产生一个均匀焊接的深窄内部结构；焊接深度可能比焊接宽度大十倍，达到25mm或者更深。激光束在小孔的壁上多次反射，熔融金属几乎完全吸收激光束，焊接工艺效率提升了。深熔焊的特征在于高效率和快速的焊接速度。
项目涡轮增压器阀杆的激光精密焊接，采用的就是深熔焊工艺；它包含以下几方面的关键工艺参数：
1） 激光功率；焊接时需要的激光功率取决于材料、焊接焊缝的几何结构以及所采用的工艺。焊接起始点终止点的激光功率渐升、渐降控制。
2） 焊接速度；激光移动的速度是决定焊缝的材料吸收能量多少（热量输入）的一个重要因素。焊接速度影响着焊缝的深度和形状，保持恒定激光功率的同时，提高焊接速度能够产生一个更窄以及更浅的焊缝。更高的焊接速度同样会降低热量输入和畸变。生产应用焊接速度都是已经确定的；为了确保加工在一定的成本范围内，或者维持生产线的节奏。
3） 聚焦直径和功率密度；聚焦直径影响着焊缝的深度和宽度。一个大的聚焦直径能够产生较宽的焊缝。保持恒定功率的同时减小焦点尺寸能提高焦点上的功率密度。更高的功率密度意味着更深的焊缝。典型的聚焦直径在0.1-0.6mm。
4） 材料吸收值；材料对激光的吸收取决于材料的几个重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。
5） 透镜焦距。焊接时通过采用聚焦方式汇聚激光，一般选用63-254mm焦距的透镜。焊接镜头选定以后，其焦距就已经固定了，不可以调整。聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。
6） 焦点位置，亦称之为离焦量；为了保持足够的功率密度，焦点位置至关重要。焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度和深度。在激光焊接的大多数应用场合下，通常将焦点位置设置在工件表面以下大约所需熔深的四分之一处。
7） 焊接保护气体；激光焊接过程常需要使用惰性气体来保护熔池，某些材料焊接不计较表面氧化时则可不考虑保护，但大多数应用场合常使用氦、氩、氮等气体做保护，使工件焊接过程中焊缝熔池部分免受氧化。
项目中我们选用激光器部分的配置清单如下：
| 序号 | 设备名称 | 品牌 | 型号 | 备注 |
| 1 | 激光发生器 | 德国通快 | Trudik3002 |
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| 2 | 焊接镜头 | 德国通快 | PFO33 |
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| 3 | 激光光纤 | 德国通快 | LLK-D |
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| 4 | 激光器冷水机 | 亨瑞达 | HTL-5A |
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对应的相关工艺参数条件：
零件选用焊接功率2300 W，焊接速度 48 m/min，PFO的焦距330 mm 焦点位置在焊缝表面，不离焦；工件焊接后获得的焊缝熔深值为2.3mm;未采用保护气体保护焊缝表面，为了减少焊接时的飞溅和烟尘对焊接振镜的污染，在PFO振镜头的侧面设置了侧向风刀，焊接时吹走飞溅物和烟尘。
智能化机器人系统集成技术
现代焊接技术具有典型的多学科交叉融合特点，采用机器人焊接则是相关学科技术
成果的集中体现。其中包括：
Ø 焊接机器人对于焊接任务的自主规划技术
Ø 焊接机器人的运动轨迹控制技术
Ø 焊接动态过程的信息传感、建模与智能控制技术
Ø 机器人焊接系统的集成与控制
将上述焊接任务规划、轨迹跟踪控制、传感系统、过程模型、智能控制等子系统的软硬件集成设计、统一优化调度与控制涉及焊接柔性制造系统的物料流、信息流的管理与控制多机器人与传感器、控制器的多智能单元与复杂系统的控制等。（1）
我们在实施涡轮增压器阀杆的智能化机器人激光焊接系统项目中，主要应用的技术属于上述的第三和第四点两个方面；下面对项目内焊接过程的焊缝信息动态传感和监控系统以及系统集成控制的相关内容进行说明。
涡轮增压器阀杆零件的焊接，焊缝都是一个直径约10毫米的圆环。受零件的结构工艺设计的制约，不同的焊接位置只可以安排在不同的焊接工序进行，该系统设备内焊缝的路径简单，尺寸范围小。
由于激光焊接头配置的是振镜头，镜头下方可以一次性覆盖椭圆形长短轴分别为240*140mm的范围；焊接时的焊缝路径可以通过图形软件画好形状轨迹后直接输入系统内。所以，库卡焊接机器人KR60-3 HA只执行搬运PFO焊接头移动切换不同的工位位置，并不完成焊缝轨迹的内容。
机器人系统集成了多项重要的先进技术内容：
㈠ 视觉传感技术
视觉传感技术主要是用于解决两个方面的问题：
上料机器人在抓取控制杆和弹垫圈后，经过行走再往夹具内装入两个零件。由于弹垫圈特别是控制杆，装配后，与转轴盖板之间的配合间隙小于0.1mm。夹具滑台每次都需要移动产生重复位置偏差，加上机器人行走的精度误差，不能够保证精度尺寸。当机器人移动停止后，前端的摄像头先对夹具内工件拍照采集实际的位置数据，然后同系统程序中录入的标准位置进行对比；最后，通过视觉与机器人的通讯、系统运算出精确的偏差数值，由四轴机器人执行最终的补偿动作。
㈡ 焊缝质量监控技术
目前，国内激光焊接自动化设备里面极少有使用焊缝实时监控设备的。国产的相关检测产品都还处于实验室的研发阶段，性能不成熟，使用效果欠缺、未投入稳定的大量工业化应用。作为焊接智能化装备，工件焊缝质量是设备成功与否的关键评判条件。项目中选用了德国普雷茨特的LWM焊缝实时监控设备，由光电传感器发射的电磁波，再通过反射装置的分析，建立焊缝熔池的参数化数据，转换成波浪曲线图形的方式同步建模。系统可以直接评判焊缝质量是否存在异常，并自动提示，停机报警。
㈢ 生产过程在线监控
项目在系统内焊接区域和机器人自动上料区域分别安装高清摄像头，从不同的角度拍摄设备的实际运行过程；然后，通过外部的液晶显示屏实时地呈现动作状况。可以监控系统内部运转情况；也便于其他人员的参观和自动化过程展示。通过以太网络的通讯，系统可以与客户的ERP系统进行联接，反馈和展示产品当天的生产进度，时刻了解产量情况。
㈣ 品质管控和尺寸自动测量
零件完成散件的焊接组合后，控制杆和转轴盖板之间的夹角是一个需要管控的关键尺寸。以往都是完成焊接工序后，将工件取下再使用专门的检具或者其他的测量仪器进行检验。项目中，我们采用探针接触式激光传感器;机器人焊接动作完成后，通过气缸的伸出动作，直接完成检测并给出评判结果，直接完成了后续的品质检验，减少工序环节、提高效率、节省人力、节约成本。
㈤ 自动送料上料系统
系统自动上料的过程，首先通过进口的振动盘将小零件控制杆和弹簧垫圈从料盘内依次有序地输出至固定位置；末端设置落料机构和翻转机构，完成取料前的正反翻转和精度定位。最后，通过四轴的上料机械手，将小零件先后装入夹具中完成定位夹紧过程。该自动送料上料系统与上料机器手以及视觉系统紧密配合，高效精准无误地完成整个辅助动作过程，通讯和数据传输是整个系统集成需要突破的关键技术难点。
结语：
以工业机器人和激光焊接工艺为核心的智能化机器人激光焊接集成设备是推动我国装备制造业升级发展的先锋力量；同时，巨大的工业化市场需求也吸引了相关行业的资金和技术力量的汇集，直接地拉动了机器人激光焊接系统的技术水平提升。技术的应用很好地验证了理论方法，给研究人员反馈应用使用状况，进一步提出具体的实施要求，为新的监测设备和新的技术研发提供思路依据。
参考文献
1.吴林、陈善本 等 智能化焊接技术 国防工业出版社 2000年7月
2.石林 焊接机器人系统集成应用发展现状与趋势 《机器人技术与应用》 2016年6月
3. 通快（中国）有限公司 激光，一种工具
收稿日期：2018-04-17
作者简介：于衡波（1982-），男，湖南衡阳人，广州松兴电气股份有限公司激光事业部技术部长，研究方向：激光焊接工艺和智能化机器人激光焊接系统集成技术。
