壽明耀，余煥偉，諸源，余翔

(1.紹興市市場監(jiān)督管理局，浙江 紹興312000；2.紹興市特種設備檢測院，浙江 紹興 312000)

0 前言

當前，全球制造業(yè)正在發(fā)生重大變革，欠發(fā)達國家在以更低的勞動力成本承接中低端制造，發(fā)達國家則推出“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，謀求在技術和產業(yè)方面繼續(xù)領先優(yōu)勢，搶占制造業(yè)高端[1]。在此背景下，中國制定了“中國制造2025”戰(zhàn)略計劃，以信息技術與制造技術融合為特征的智能制造已成為主攻方向，成為中國實現(xiàn)由制造大國向制造強國的轉變關鍵和突破口[2]。紹興市也在2018年發(fā)布了《智能制造三年行動計劃(2018-2020年)》，通過新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，提升核心競爭力。壓力容器是許多行業(yè)生產過程中的重要設備，與國民經濟密切相關，截至2019年底，僅浙江省注冊登記的壓力容器就達366 775臺。壓力容器制造過程涉及多個行業(yè)和學科，但受產業(yè)結構調整、人力成本上升、優(yōu)秀焊工短缺等因素影響，行業(yè)整體競爭力下降嚴重，如何結合智能制造提升壓力容器制造水平和競爭力已成為一個急需解決的行業(yè)難題，而作為壓力容器制造過程中最重要的焊接步驟的智能化更是必須首先解決的問題。

紹興是環(huán)杭州灣大灣區(qū)核心城市，也是醫(yī)藥化工企業(yè)的重要聚集地，區(qū)域內有40余家壓力容器(鍋爐)制造企業(yè)，其焊接制造水平在全國具有代表性。為準確把握壓力容器制造企業(yè)的焊接智能化發(fā)展需求，文中對紹興地區(qū)壓力容器制造企業(yè)的焊接技術現(xiàn)狀進行了調查研究，結合主成分分析方法對影響焊接智能化的關鍵因子進行了探討。

1 智能化焊接應用技術概述

智能制造是一個大系統(tǒng)工程，其關鍵技術包括人工智能技術、工業(yè)機器人技術、物聯(lián)網技術及整體的信息化技術等。以機器人焊接為代表的自動化焊接技術已在汽車制造行業(yè)廣泛應用，但傳統(tǒng)的機器人焊接屬于學習示教型，對于焊接過程環(huán)境和裝配條件經常變化的則一般不適用，發(fā)展智能化焊接技術已是非常必要而迫切[3-4]。近年來，上海交通大學的陳善本等人[5]在機器人焊接智能化方面進行了卓有成效的研究，包括焊接過程的多信息獲取、熔透預測、機器視覺導引和焊縫跟蹤等。文獻[6]中介紹了一種智能化船廠焊接機器人生產線，利用部件識別、視覺定位、機器人焊槍尋位及焊縫跟蹤系統(tǒng)解決非批量、非標準化的船體拼裝智能化焊接。文獻[7]中介紹了唐山松下的iWeld焊接管理系統(tǒng)在高速列車焊接作業(yè)環(huán)節(jié)的智能化閉環(huán)控制。文獻[8]中介紹了一種基于深度學習的焊接機器人視覺導航模型。文獻[9]中介紹了機器視覺和焊接參數自適應控制系統(tǒng)在高速列車鋁合金車體和轉向架焊接中的焊縫定位和熔透控制應用。文獻[10]中利用雙橢球熱源參數經驗公式可以提高了數值模擬的效率和精度,能較好地預測在役CO2氣體保護焊的焊接熔池的尺寸。文獻[11]中把Taguchi穩(wěn)健設計與模糊期望函數法相結合并用來進行埋弧焊的多層焊道幾何參數優(yōu)化。文獻[12]中采用模糊邏輯方法確定埋弧焊接工藝參數的最優(yōu)組合。文獻[13]中提出了基于熱力圖的焊點識別網絡，根據激光結構光的熱力圖得到焊點的最終準確位置，可用于自動焊接中的焊縫跟蹤。國內外學者在焊接智能化的不同側面都有所突破，但就焊縫視覺傳感技術來說，尚不能完全滿足復雜焊接環(huán)境、多種焊縫坡口結構時的需求[14]，而且在焊接要素之間的信息互聯(lián)和智能反饋，用信息傳感器來替代焊接操作工的感知經驗，用多信息融合-智能決策替代人腦綜合決策等方面，尚缺乏系統(tǒng)性的解決方案。

2 紹興地區(qū)壓力容器制造企業(yè)焊接狀況調查

對紹興地區(qū)40家壓力容器(鍋爐)制造企業(yè)進行調查，涉及焊工持證情況、使用材料、焊接坡口加工、焊接工裝夾具、焊接設備、焊接方法使用比例等16大類因素，按焊接方法細分為52類，提取有效調查問卷樣本31份，不完全樣本9份。

2.1 焊接直接因素

焊接是一個復雜的物理化學過程，不同焊接方法的焊接效率和適用范圍也有較大差異，壓力容器本體材料是影響其制造過程的首要因素，對焊接工藝的選擇乃至焊接質量都有較大影響，對企業(yè)的主要使用材料進行統(tǒng)計分析，如圖1所示，Q345R使用范圍最廣，S30408不銹鋼次之，圖2反映的是企業(yè)所用材料的最大厚度統(tǒng)計情況，過半企業(yè)在20～38 mm范圍內。

圖1 調查企業(yè)使用材料牌號統(tǒng)計圖

按企業(yè)為單位，對焊接方法的應用比例和持特種設備焊接作業(yè)人員證的焊工比例進行統(tǒng)計，如圖3和圖4所示，焊接方法比例最高的為SMAW，MAG/MIG最低，焊工比例最高的為SMAW，PAW最低。SMAW設備簡單、操作靈活，常用于定位焊或組合焊，作為一種基礎的焊接方法仍具有不可替代的地位；SAW對直徑1 m以上筒體的對接焊縫或厚度8 mm以上平直焊縫具有較大優(yōu)勢，是企業(yè)首選的主要焊接方法，90%以上企業(yè)使用普通埋弧焊機，也有少量企業(yè)使用窄間隙埋弧焊機，可以不開坡口或開小角度坡口焊接，拓寬了SAW的應用范圍[15]。GTAW的使用率較低，一般用在密封打底焊、不銹鋼和有色金屬的焊接[16]，具有較好的焊接質量，但焊接效率不高。CO2氣體保護焊以機器焊和半自動焊機為主，適合全位置自動化焊接，主要用于碳鋼類低級別容器焊接，當采用藥芯焊絲時也可用于不銹鋼材料的焊接，但仍存在著焊縫成形不夠美觀、碳鋼時飛濺大，而且一些客戶對采用該方法焊接的設備接受度差。PAW具有電弧能量密度高、對弧長變化不敏感等優(yōu)點，主要用來進行厚度10 mm以下的不銹鋼板不開坡口焊接，可以單面焊接雙面成形，但PAW焊槍結構比較復雜笨重，并且多為水平焊位置，限制了其應用范圍。

圖2 調查企業(yè)使用材料的最大厚度T分布區(qū)間

圖3 調查企業(yè)所用焊接方法比例統(tǒng)計圖

圖4 調查企業(yè)持證焊工比例統(tǒng)計圖

2.2 焊接質量相關因素

中厚板焊接往往需要加工坡口，坡口的加工精度對焊接質量有較大影響，如圖5所示，可看出企業(yè)基本仍以“熱切割+打磨”為主，但具體到不同的焊接方法又有側重，比如PAW基本可以不開坡口，機械打磨即可。圖6為焊縫組裝方式統(tǒng)計圖，定位焊應用比例在90%以上，氣動液壓夾具和螺栓固定相對較少，僅在CO2氣體保護焊時有所應用。自動化的工裝夾具雖然可以提高勞動效率，但因為壓力容器產品比較零散，規(guī)格尺寸不統(tǒng)一，實際尺寸誤差較大，很難使用預設行程的氣動液壓夾具進行固定。焊縫的無損檢測以RT為主，采用UT的僅有4家，采用其它檢測方法的有3家。圖7為不同焊接方法的焊后質量檢測情況的統(tǒng)計圖，具體來說：焊縫外觀一次合格率方面，MAG/MIG和PAW最高，CO2氣體保護焊最低；無損檢測一次合格率和焊接工藝紀律執(zhí)行率方面，均為GTAW最高，SMAW最低。

圖5 不同焊接方法時焊縫坡口的加工方式統(tǒng)計對比圖

圖6 焊接時采用的焊縫固定方式對比統(tǒng)計圖

圖7 不同焊接方法的焊后質量檢測情況統(tǒng)計圖

3 壓力容器制造企業(yè)的多因素評價

3.1 主成分分析基本理論

主成分分析(PCA)是將多個變量通過線性變換以選出較少的綜合變量的一種多元統(tǒng)計分析方法，在該文中PCA被用來分析多個焊接相關因素的方差變化，找出方差較大的組合作為壓力容器制造企業(yè)焊接狀況的綜合量化指標。

假設X是大小為N×M的調查數據矩陣，如式(1)所示，已按式(2)進行標準化處理，N為企業(yè)數，M為因素數，X的協(xié)方差矩陣C如式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

計算C的特征向量矩陣α-1及特征值矩陣λ，使其滿足α-1Cα=λ，λ的對角元素滿足λ1>λ2>…>λN，λj對應的特征向量αj滿足式(4):

(4)

按照特征值大小降序排列的矩陣λ代表了調查數據在其向量空間的方差分布，第j主成分Fj可表示為Fj=αjX，第一主成分所包含的數據集方差最大，最后一個主成分最小。

3.2 多因素綜合評價模型

調查數據中前42個變量因素(6個為1組，分別對應焊接方法比例X0、坡口加工X1、工裝夾具X2、焊接設備X3、焊縫外觀一次合格率X4、無損檢測一次合格率X5、焊接紀律執(zhí)行率X6)之間冗余較大且方差貢獻都較小，為了提高評價指標的簡潔和可讀性，以X0為權重，對(X1,X2,…,X6)進行簡化合并

(5)

這樣總的52個指標簡化為16個指標。

利用MATLAB軟件對化簡合并后的31個企業(yè)的數據集進行PCA計算，可得F1的特征值為161.8，方差貢獻率為65.8%，F(xiàn)2的特征值為43.9，方差貢獻率為17.9%。分別計算F1和F2的得分Y1和Y2，并進行排序，見表1。Y1最高的為18號，是一家大型的壓力容器制造企業(yè)，也是紹興地區(qū)唯一一家有色金屬壓力容器制造企業(yè)；排名第二的是一家燃油燃氣鍋爐制造企業(yè)，擁有調查企業(yè)中最多的焊工，以 CO2氣體保護焊和SAW為主要焊接方法；Y1最低的為4號，同時也是Y2最高的企業(yè)，這是一家消防用氣瓶制造企業(yè)，以CO2氣體保護焊為主，產品和焊接方法單一，但自動化程度相對較高；Y2排名最低的為6號，焊接方法以SMAW，GTAW為主。

表1 調查企業(yè)的第一主成分指標和第二主成分指標得分

表2為特征向量系數W1和W2，W1中X11的權重系數最大，與企業(yè)持證焊工總人數相對應，反映了企業(yè)的焊接能力和規(guī)模，實際上F1指標中約90%部分是由X11～X16這6個與焊工指標貢獻的。W1中X1，X3和X10的權重系數為負值，與Y1負相關，但在W2中變?yōu)檎?，特別是X10的系數從W1中負值變?yōu)閃2中最大值。指標F1側重于企業(yè)的制造規(guī)模和制造能力，反映的是企業(yè)的焊接制造綜合水平，F(xiàn)2反映的是企業(yè)在專項產品焊接自動化水平和效率，與智能制造水平有一定的相關性，在當前企業(yè)的生產模式下，大型企業(yè)的焊接自動化水平一般低于一些產品相對單一的氣瓶、制冷設備制造企業(yè)。

表2 主成分指標F1和F2的特征向量系數

需要指出的是，上述基于PCA的多因素評價模型基本反映了壓力容器制造行業(yè)的一般現(xiàn)狀，但影響壓力容器制造企業(yè)的因素還包括焊接制造成本、企業(yè)的銷售利潤以及對核心技術掌握情況等，這些因素在某些條件下甚至是決定性的因素。

4 討論與建議

紹興地區(qū)壓力容器制造企業(yè)還是以傳統(tǒng)制造手段為主，SMAW和SAW仍占有相當重要的地位，CO2氣體保護焊也被越來越多的企業(yè)采用，但在焊接自動化、智能化方面仍存在嚴重不足，具體表現(xiàn)在：雖然擁有大量的自動化焊接設備，但基本都需要焊工目視監(jiān)測，實時調節(jié)焊接偏差量，本質上仍是半自動化；焊縫坡口主要依靠熱切割結合機械打磨，焊縫組裝主要為點焊固定，基本無自動化的工裝夾具；主要以工藝卡、表進行信息傳遞，焊接質量主要依靠焊后的無損檢測進行控制，缺少綜合的信息化管理及質量實時控制措施。在調查時也發(fā)現(xiàn)一些智能化制造應用案例，但還處于應用初期階段，主要表現(xiàn)在：①無智能化焊接制造系統(tǒng)支撐，作業(yè)模式和管理方法還是傳統(tǒng)制造模式，不能發(fā)揮出先進設備的技術優(yōu)勢；②應用場景和數量比較少，只有少部分盈利能力強的企業(yè)才使用，沒有規(guī)模效應。

從對調查數據的PCA分析結果來看，焊工仍是影響企業(yè)壓力容器綜合制造能力的最重要因子，其在第一主成分指標的方差權重遠大于等焊接硬件設施因子(坡口加工、工裝夾具、焊接設備)，但在第二主成分指標中卻相反，要遠小于焊接硬件設施等因子的方差貢獻權重，反映了焊接硬件設施在焊接智能化發(fā)展中的重要作用。氣瓶和制冷設備等生產企業(yè)的產品相對單一，生產工序更加標準化，其焊接自動化水平和生產效率一般要高于大型的綜合壓力容器制造企業(yè)，其第二主成分指標的得分較高，特種設備制造增長率因子對第二主成分的方差貢獻權重也是最大的，這也說明標準化的制造工序和工藝更容易實現(xiàn)焊接智能化升級?？偟膩碚f，壓力容器的智能化焊接是一個復雜的系統(tǒng)工程，不僅僅是引進機器人焊接生產線就能解決的，但機器焊代替手工焊，全自動焊代替半自動焊，智能制造、柔性制造無疑是今后壓力容器制造行業(yè)的發(fā)展方向。當前，壓力容器制造企業(yè)受制于整個行業(yè)的產業(yè)鏈狀況，仍以傳統(tǒng)焊接模式為主，嚴重依靠技術經驗豐富的焊工，該文認為壓力容器焊接智能化可以從以下幾個方面進行培育并突破：

(1)提高壓力容器組件的加工、裝配精度，減小焊槍與焊縫中心相對空間位置的變化，這些誤差變化也是現(xiàn)有自動化焊接設備無法發(fā)揮應有效率的主要原因。

(2)進行低成本、高可靠性焊縫跟蹤智能傳感器及相關智能控制技術的研發(fā)。開發(fā)低成本、高可靠性的激光結構光傳感器和坡口圖像處理算法，實現(xiàn)對復雜環(huán)境下不同形式焊縫的三維跟蹤，加強焊接各系統(tǒng)之家的信息互聯(lián)，提高自動焊機對工件裝配的誤差容忍度和實時調節(jié)能力，進而提高焊接質量穩(wěn)定性和效率。

(3)加快對自動化焊接操作工特別是機器人焊接人才的培育，創(chuàng)新焊接高端人才的共享模式。機器人焊接不僅需要扎實的焊接理論知識，還需要掌握一定的編程知識，可以充分發(fā)揮政府引導、行業(yè)協(xié)會(學會)組織和企業(yè)實踐的多元人才培育模式，加快智能化焊接人才的培育進度和稀缺人才資源的共享。

(4)加快壓力容器制造行業(yè)的行業(yè)整合和標準化建設，優(yōu)化焊接生產要素，統(tǒng)一制造工藝標準。傳統(tǒng)的小規(guī)模企業(yè)，訂單分散，產品多樣，難以產生規(guī)模效應，焊工的水平也層次不齊，限制了先進焊接技術的推廣應用和焊工的經驗交流。

5 結束語

紹興地區(qū)壓力容器制造行業(yè)還是以傳統(tǒng)制造手段為主，無論是生產效率還是產品質量都嚴重依靠技術經驗豐富的焊工，這也是國內壓力容器制造行業(yè)的典型現(xiàn)狀，進行以智能化焊接技術為核心的壓力容器智能制造模式升級已是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，為實現(xiàn)這一目的，壓力容器制造行業(yè)應在焊接智能傳感技術、高端焊接人才培養(yǎng)、產品質量控制等方面不斷創(chuàng)新，加快行業(yè)整合和標準化建設，助推壓力容器制造水平邁向新臺階。