HabasitW-01 Welder_PQ-01/8Plate焊接設備

一、產品應用背景概述

（一）項目實施場景定位

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

（二）核心設備技術參數

HabasitW - 01/8 Welder 作為核心焊接設備，搭載雙軸伺服驅動系統。這一系統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 的范圍內靈活調節，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，提高生產效率；焊接厚板時，則降低速度，確保焊縫熔透和焊接質量。其定位精度可達 ±0.1mm，能夠實現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定的承載平臺，保證了焊接過程中板材的穩定性，減少因板材變形導致的焊接缺陷。

二、系統集成方案設計

（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的運動更加靈活，能夠覆蓋更大的工作區域，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，確保焊接過程的準確性和穩定性。同時，Welder 設備與生產線 PLC 控制系統實時通訊，PLC 控制系統作為整個生產線的核心控制單元，能夠接收來自 Welder 設備以及其他生產環節的數據，實現對整個生產過程的統一調度和管理。例如，當生產線需要切換不同型號的工件進行焊接時，PLC 控制系統可以根據預先設定的程序，快速調整 Welder 設備的焊接參數，實現自動化生產。

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，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，為焊接質量的穩定性提供了有力保障。

2.   工藝參數匹配：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定燃燒，使熔滴過渡更加平穩，從而改善焊縫的成型質量。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、穩定地送入熔池，保證焊縫的連續性和質量。結合 Welder 的擺動焊接功能，通過調整擺動幅度、頻率和速度等參數，使焊縫金屬能夠均勻地分布在焊縫兩側，實現焊縫熔深 3.5 - 4.0mm 的均勻熔合，滿足了焊接質量對熔深的要求。

（二）軟件控制邏輯

1.  路徑規劃算法：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對曲線形狀的焊縫進行精確的軌跡規劃，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，系統通過對邊緣位置的實時監測和計算，自動調整焊接軌跡，避開公差區域，確保焊接質量不受影響。通過示教編程與離線仿真結合，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，將軌跡規劃控制在 ±0.2mm 以內，保證了焊接軌跡的準確性和可靠性。

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

三、實施效果量化分析

（一）生產效率提升

在引入 HabasitW - 01/8 Welder 與 PQ - 01/8 Plate 的自動化焊接系統之前，采用傳統手工焊接方式。在單班次 8 小時的工作時間內，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量，熟練焊工平均每小時能完成 15 件板材的焊接，單班次產能僅為 120 件。引入自動化焊接系統后，HabasitW - 01/8 Welder 的焊接速度穩定且高效，配合精確的定位和快速的裝夾系統，每小時能夠完成 43.75 件板材的焊接，單班次產能提升至 350 件，生產效率提升了近 191.7%。

設備綜合利用率（OEE）作為衡量設備實際生產能力的重要指標，在自動化焊接系統投入使用后達到了 85%。通過 PLC 控制系統對設備運行狀態的實時監測和管理，設備故障停機時間大幅減少。系統能夠提前對設備的關鍵部件進行狀態監測和預警，當檢測到某些部件的運行參數接近故障閾值時，及時通知維護人員進行維護和更換，避免了設備突發故障導致的長時間停機。同時，智能排程系統根據訂單需求和設備產能，合理安排生產任務，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手工焊接的 15% 降至 2.3%。在傳統手工焊接中，焊工依靠經驗和肉眼進行定位，難以保證每次定位的準確性，容易出現焊縫位置偏差，從而導致返工。而自動化焊接系統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，能夠實時監測和調整焊縫位置，確保焊接過程的準確性，大大降低了因定位導致的返工率，有效縮短了產品交付周期，提高了生產效率 。

（二）質量穩定性優化

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

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

經 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，能夠檢測出焊縫內部的缺陷，如氣孔、裂紋、夾渣等。自動化焊接系統通過提高焊接質量的穩定性，減少了焊接缺陷的產生，使得 Ⅱ 級以上合格焊縫的占比大幅提高，保證了產品的質量和安全性 。

（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的運行，生產效率大幅提升，產品質量得到改善，帶來了顯著的經濟效益。通過對生產成本和銷售收入的詳細核算，在 14 個月內，設備所帶來的效益就覆蓋了初期的投資成本，實現了投資回收。

單位產品焊接能耗較傳統設備降低 22%。自動化焊接設備采用了優良的節能技術，優化了焊接電源的效率和能量傳輸方式。在焊接過程中，根據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能夠在設備空閑時自動進入節能模式，進一步降低了能耗。

人工成本節約 40%。傳統手工焊接需要大量的焊工，而自動化焊接系統只需少量的操作人員進行設備監控和維護。以一條原本需要 10 名焊工的生產線為例，引入自動化焊接系統后，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。

因質量提升減少的返工成本占生產成本的 8.5%。由于焊接質量的穩定性提高，產品的返工率大幅降低，減少了因返工所產生的人力、物力和時間成本。在傳統焊接工藝中，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進度的延誤。而自動化焊接系統通過提高焊接質量，有效避免了這些問題，降低了生產成本。

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

四、經驗總結與展望

（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定性受到影響。當板材表面粗糙度較大時，電弧容易發生漂移，使得焊接電流和電壓出現波動，進而影響焊縫質量。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測電弧的電壓、電流信號以及電弧的形態變化，能夠快速準確地感知電弧的穩定性。自適應控制算法則根據電弧傳感器采集到的數據，自動調整焊接參數，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定性和焊縫質量的一致性。

針對復雜結構件焊接時，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合的方法。在設計工裝時，根據板材的材質、厚度以及焊接工藝參數，預先計算出焊接過程中可能產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，預測可能出現的變形區域和變形程度，為反變形工裝的設計提供更準確的數據支持。通過這種方法，將復雜結構件焊接變形量控制在 ±1.5mm 以內，滿足了產品的精度要求。

（二）行業應用推廣價值

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

從成本效益角度來看，對于中小企業而言，引入自動化焊接系統雖然初期投資較大，但從長期來看，能夠有效降低人工成本和廢品率，提高生產效率，增強企業的市場競爭力。在節能減排方面，自動化焊接設備的節能設計和優化的焊接工藝，能夠降低單位產品的能耗，符合可持續發展的要求。隨著工業自動化技術的不斷發展，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焊接參數的自動優化、利用機器人協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發展趨勢。

五、結論

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，實現了金屬板材焊接的自動化升級，在提升生產效率、穩定產品質量及降低制造成本方面展現出顯著優勢，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

在實際生產過程中，不同的工業項目對板材的規格需求各不相同。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 范圍內的不同規格 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都需要做出相應調整。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，根據板材厚度的變化，對機械臂運動參數進行優化，調整焊接速度和擺動幅度等參數。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，保證焊縫的熔合質量。

為了實現設備的快速換型，我們建立了工藝參數數據庫。將不同規格板材的佳焊接參數以及設備運行參數錄入數據庫，當需要更換板材型號時，操作人員只需在控制系統中輸入相應的板材規格信息，系統即可從數據庫中快速調取對應的工藝參數，自動調整焊接電源輸出特性和機械臂運動參數，實現設備的快速切換。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，大大提高了生產線的柔性化水平，使其能夠快速響應市場對不同規格產品的需求，在小批量、多品種的生產模式下具有更強的競爭力。

（二）智能化升級路徑

隨著工業 4.0 和智能制造的發展，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 進行實時焊縫質量評估。在焊接過程結束后，AI 視覺檢測系統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。通過與標準的焊縫質量圖像和參數進行對比，系統能夠快速準確地判斷焊縫質量是否合格，并對缺陷進行分類和定位。例如，當檢測到焊縫存在裂紋時，系統能夠精確地確定裂紋的位置和長度，為后續的修復工作提供準確的信息。

結合設備運行數據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，以及機械臂的運動速度、位置、加速度等數據。利用機器學習算法對這些數據進行分析，建立設備運行狀態與故障之間的關聯模型。當模型檢測到設備運行參數出現異常變化，預示著可能發生故障時，系統會提前發出預警信息，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效率。同時，通過將焊接單元與數字化車間系統進行集成，實現了生產數據的實時共享和生產過程的統一管理，推動了整個生產線向數字化、智能化方向發展。

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