三大维度解读焊接机器人发展史

焊接环节一直是工业机器人应用中占比最大的领域之一。

 

在世界工业机器人中，焊接机器人用量可达50%左右。无论是汽车生产、电子制造，还是工程机械、城市建设，都离不开焊接机器人的助力。

 

一、现代焊接与工业革命一同出现

 

焊接是一门古老而传统的工艺，最早可追溯至5000年前。

 

公元前3000年，埃及出现了锻焊技术；公元前1600年，中国殷朝采用铸焊制造兵器；公元前200年，中国已经掌握了青铜的钎焊及铁器的锻焊工艺。

 

而现代焊接由英国人发现电弧起步，与工业革命一同出现。

 

1801年，英国人H.Davy发现了电弧；1856年，英格兰物理学家James Joule发现了电阻焊原理；1881年，法国人De Meritens发明了最早的碳弧焊机；四年后，波兰人Benardos Olszewski发展了碳弧焊接技术；1888年，俄罗斯人H.г.Cлавянов发明金属极电弧焊。

 

直到此时，美国人C.L.Coffin才首次实用光焊接丝作为电机进行了电弧焊接。

 

此后，焊接相关工艺发展更是一路起飞，交流焊、堆焊、原子氢焊、埋弧焊等被陆续发明出来。1931年，代表焊接工艺成熟的作品——焊接工艺制造全钢结构组成的帝国大厦建成，时至今日，帝国大厦依旧是不朽的纽约地标之一。

 

而中国的现代焊接直到1952年，新中国成立后才刚刚起步。

 

1952年，中国第一个焊接教研室——哈尔滨工业大学焊接教研室正式成立；四年后，哈尔滨焊接研究所成立；1962年，中国机械工程学会成立焊接协会，同年，该协会编写并出版了焊接教材、于哈尔滨召开第一届全国焊接年会。

 

1964年，中国成为国际焊接学会正式会员，至此，中国焊接行业与世界接轨。

 

此后，中国现代焊接发展愈发迅猛。1970年，晶闸管逆变焊机问世；1987年，中国焊接协会在北京成立；1989年，哈尔滨现代焊接生产技术国家重点实验室成立；1983到1991年，成都电焊机研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学相机推出了各式开关器件的逆变焊机。

 

1990年，高频逆变技术得到了长足的发展，100KHz的MOSFET逆变焊机开发成功，并应用到民用焊机市场中；2000年，以IGBT单管的逆变焊机被广泛应用到民用焊机领域；2007年，中国焊机学者与厂商开始进行焊机数字化（包括半数字）的研究和应用工作。

 

在此期间，中国出现了一批焊接专家、带头人，如中国科学院院士潘际銮、中国工程院院士关桥、中国工程院院士徐滨士、中国工程院院士林尚扬等。

 

二、焊接应用“百花齐放”

 

实际上，早在上个世纪，焊接就已经应用在工业、汽车、建筑、军工、船舶、航空航天等领域。

 

在汽车领域，1933年，第一台使用弧焊和电阻焊工艺制造的全焊结构的FORD牌汽车下线；在建筑领域，世界上最高的悬索桥——旧金山的金门大桥建成通车，这座大桥由87750吨钢材焊接而成；在军工领域，二战时期舰艇、飞机、坦克及各种重武器的制造均采用了大量的焊接技术；在船舶领域，1956年，中国第一艘自行设计建造的万吨级远洋船“东风号”成功交付；在航空航天领域，1970年，长征一号成功发射了中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”。

 

进入本世纪，随着工业场景的复杂化和新能源行业的发展，焊接被更多应用在冶金、石油、电子设备、新能源汽车、新能源电池、集装箱等领域中。

 

高工机器人产业研究所（GGII）数据显示，2021-2022年，中国市场上汽车行业和电子制造行业的焊接需求最大，均占据整体的30%以上。

 

 

据业内人士透露，目前，船舶、新能源汽车、钢结构焊接的发展最被看好。

 

在船舶行业，据悉，2023年3月，国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）制定并修订了共计6项船舶工业相关国家标准计划，新国标将为船舶行业焊接市场带来更大发展空间。

 

在汽车行业，焊接机器人市场份额被早早进入中国市场的ABB、发那科等国外品牌占据，但国产新势力汽车的崛起意味着国内焊接机器人品牌还有很大国产替代的空间。

 

而钢结构被广泛应用于下游工业厂房、高层及超高层建筑、航站楼、火车站、火电厂、桥梁等领域，2020年7月住建部联合多部委印发的《绿色建筑创建行动方案》的通知中提出了“大力发展钢结构等装配式建筑，新建公建原则上采用钢结构”，焊接的需求将随着钢结构的需求逐步增加。

 

焊接行业非常重视场景的适配性，面对复杂的作业场景、不同的焊接材料和不同等级的焊接需求，发展出多种焊接工艺，可粗略分为三大类——熔化焊、压力焊和钎焊。

 

（图源：来自网络）

 

熔化焊分为气焊、电弧焊、电渣焊、电子束焊、激光焊五种工艺。其特点是耗能大、用时长、温度高、成本高，可焊接任意材料，焊接质量好。

 

其中，弧焊可广泛用于各种金属制品的焊接，也是目前工业生产中最为广泛的焊接方法，钢结构领域一般采用弧焊的焊接方式，有业内人士认为，弧焊入门容易，但做好很难。

 

而激光焊精度较高，适合微型零件的焊接，由于手持激光焊产品由于操作简单，其近年来应用愈发广泛。

 

压力焊分为电阻焊、摩擦焊、扩散焊和高频焊。

 

由于电阻焊中的点焊主要应用于薄板焊接，体现在汽车驾驶室、车厢等部分，因此汽车领域中点焊技术最为常见。

 

钎焊分为烙铁钎焊、火焰钎焊、炉中钎焊三种工艺。其特点是耗能小、用时短、温度低、成本低，但只能焊接相同或相近的金属材料，焊接强度较低。

 

从焊接场景和焊接技术的多样性就可以看出，焊接机器人的制造并不容易。

 

有业内人士戏言，造机器人的把焊接想简单了，用机器人的把焊接想复杂了。

 

三、焊接智能化任重道远

 

随着中国焊接技术的发展，民用焊接市场也在崛起，一批焊接产业链上的企业陆续成立并成功出海。

 

比如，除了埃斯顿、卡诺普、华数机器人、埃夫特、钱江机器人、配天机器人、新时达、图灵机器人、柴孚机器人、尔必地、藦卡、九众九、倍可机器人等国产传统焊接机器人本体企业外，协作机器人厂商们也正在持续发力焊接工艺，如大族机器人开发了自动化焊接工作站（气保焊）、智能协作机器人激光焊接机等；节卡C系列协作机器人，配备升降和移动机构，携手大型国企芜湖天航重工股份有限公司打造钢构焊接解决方案。

 

另外，根据高工机器人调研，焊接机器人的智能化、智慧化趋势愈发强烈，其产品正在从示教机器人向免示教机器人发展。

 

示教机器人的编程一般通过实时在线示教程序来实现，需要人工操作引导，可以重复、精确、高效地完成焊接任务，一般应用于汽车、锂电等标准化行业，但在非标准化行业中，示教机器人的示教过程耗时较长。

 

免示教机器人一般通过摄像头和图像处理算法实现焊接路径的自动识别和规划，无需人工操作引导，适用于小批量、非标工件的焊接，钢结构、铁塔、船舶、重工等行业对免示教机器人有很大的需求。当前，知象光电、中集飞秒、微视传感等企业正在发力。

 

然而，焊接机器人的智慧化还面临着很大难点，除了算法等技术性问题，另一个难点就是深度学习系统的自适应调整参数收录。

 

业内人士透露，焊接材质、工艺、焊机的不同、电流波形、电压等等都会影响到焊接机器人参数，因此焊接大师库参数收录相对困难，焊接智能化挑战重重。

 

10月13日，由高工机器人、高工机器人产业研究所 (GGII)主办的2023(第二届)焊接机器人技术与应用峰会将于上海·新华联索菲特大酒店隆重举办。届时，高工机器人将邀请更多钢结构、船舶、新能源汽车等焊接终端企业与焊接机器人产业链企业共话“‘焊’匠出击 勇者征程”。