焊接技术俗称“工业裁缝”，大到飞机、轮船、火箭、汽车，小到手机、微电路等，都需要焊接来完成。从理论上来说，两块分离的材料，我们把它需要连接的面靠在一起，如果我们把这个靠在一起的面足够紧密的话，这种情况下，这个材料按照它的物理本性，就能连接在一起，就能形成一个连接在一起的材料。因此，焊接的基本原理就是采用施加外部能量的办法，促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合。
方向：焊接自动化
现在，全世界所有大工业的产业，像航天航空、造船、通讯、家用电器、大型电站、冶金、微电子、武器装备，等等，焊接都是最主要的工艺。焊接又是一个安全要求非常高的一种先进工艺。大家都知道，如果焊接质量出现问题的话，所造成的危害是毁灭性的。比如，海上钻井平台桩腿如出现裂纹，将会造成类似于墨西哥湾漏油事件，造成极大的危害。
为了保证焊接质量，机器人自动化焊接方式的发展，可以代替人工操作，避免人为因素的干扰。比如，德国制造的口碑是建立在一个非常有意思而且关键的观点上：不相信人。德国人有一个根深蒂固的观念，是人都会犯错，都会有误差，特别是生产环节上的负面影响，经过流水线的每个环节逐级放大，必然会最终影响产品的品质。
因此，整个产品的生产过程中人的因素越多，最终产品出问题的可能性越大。德国人之所以追求品质的思路非常直接，就是在生产环节上动用一切可能的手段把人的影响降低到最小，把每件事情都分解成机器能执行的。换句话说，就是提高生产的自动化水平，只要机器能做的，在成本合理的范围内，就坚决不让人做；或把人类不擅长做的或重复易错的工作交给机器人完成。
手工操作焊接，要操作得非常稳，使其弧长要保持高度一致，焊条前移速度要均匀，焊枪角度要把握得非常准确，等等。还要用耳朵听声音，有经验的焊工能听出焊接过程是否平稳，飞溅是不是多了，等等。因此，手工焊接对焊工的要求是非常高的，同样一根焊条，同样一种材料，不同的焊工焊出来的结果可能会天差地别。
手工焊条焊接的方法，其最大的优点是灵活性高，可以平焊，可以仰焊，还可以立焊；立焊又分为从上往下和从下往上焊。但是，根据不同位置、不同材料的焊接，是需要采用不同的焊条。迄今为止，按照我国国家标准，不同种类的焊条已达到300多种。手工焊接尽管有非常好的灵活性，但总体上还存在很多致命的弱点，很难保证质量的均匀性，尤其在大规模生产中，人很容易受到各种因素的干扰，或情绪不好，或身体不适，都会影响到焊接的质量。因此，自动化焊接是焊接发展的一个方向（见图1）。
图1.机器人焊接
近年来，随着人工成本的不断提高，机器人成本不断降低，国内企业生产自动化逐步取代人工化作业，工业机器人的应用越来越广泛，以“焊接机器人”代替“焊工”的时代已到来。
众所周知，钢结构产品的40%以上是靠焊接来完成，工业机器人中50%以上是焊接机器人，而提高焊接机器人比率则是体现制造业水平的象征。西方国家尤其是西方发达国家，它们每年钢产量的50％～60％需要进行焊接加工。2013年，我国钢产量达到7.8亿吨，据初步统计，其中2.4亿吨需要焊接，因此，焊接已经成为一门独立的学科，一项高科技，同时又是一个非常重要的产业。
工艺：趋机器人化
在船舶、压力容器、水电、石油化工等需要大量的厚板焊接，我国造船工业发展前景广阔，现船舶制造能力已跃居世界第三位，年造船能力达350万～400万吨/年，并以年3%～5%的速度递增，需要中厚板的焊缝就占70%以上。一般而言，船舶大多采用大厚板高强钢焊接结构，而大厚度构件焊接通常采用多层多道焊，因此，提高焊接质量和效率是首先要考虑的问题。由于焊接结构材料强度高，其焊接性较差，需要焊前预热，尤其是板材厚、结构大的构建，给预热带来很大的困难，或占用大量的工时。并且，这种结构的刚度大，焊后会产生很高的残余应力，去应力退火困难，费用昂贵，一旦变形难以校正。对于船舶结构来说，焊接工时占总制造工时的40%以上，因此，针对厚板结构的焊接技术发展对提高焊接生产效率和质量具有重要意义。
自上世纪80年代以来，西方发达国家对焊接技术给予了高度重视，其总体发展趋势是：焊接材料趋向高效化，焊接工艺趋向高速化，焊接设备趋向自动化和机器人化。近年来，柔性自动化焊接技术已成为世界焊接行业的共同发展趋势，西方发达国家其焊接自动化率已达到70%。日本，在1993~1998年初步完成了焊接CIMS改造，他们采用焊接机器人及自动化辅助设备，建成了数百条焊接自动化生产线和自动化焊接工段。
国际机器人联合会数据显示，2011年全球工业机器人密度（即每万名工人对应的工业机器人安装数量）是55台，韩国每万名工人拥有347台工业机器人，美国135台，德国251台，日本339台，但我国工业机器人密度只有21台，机器人密度为5台，制造业水平差距甚远。统计数据也显示，我国在2012年机器人新装量排全球第3，达到了2.26万台。2012我国机器人增长超过50%，中国成为机器人应用增长最快的国家之一。
近年来，高级的焊接工人极其缺乏，而产品质量要求越来越高，极易造成焊接质量不稳定等问题。许多重型机械企业采用焊接机器人替代人工焊接，建有中厚板钢结构机器人自动化生产线（100台以上焊接机器人），在海洋钻井平台桩腿上实现机器人代替人工焊接，效率大大提高（见图2）。
图2.人工焊接与机器人焊接对比图
另外，从焊接材料应用走势来看，2012年我国电焊条消耗量由十年前占比80%降至50%，机械化率大幅度提升。尤其实心焊丝占比提升到30%，且每年以8%速度增长，焊接自动率增长最快。但实心焊丝占比不到1%，可见，焊接自动化水平差距甚远。
焊接机器人的应用将带来新的制造业革命。（1）施工模式转变：由施工队外包模式转变“本工制”或“双轨制”，即针对机器人焊接用工为“本工制”，而无法采用自动化焊接可采用“施工队外包制”；（2）管理模式精细化：可实现产品下料、工时等定额，便于信息化管理；（3）生产模式转变：向工位化、工装化和流水化的转变；（4）高效化生产：如采用窄间隙机器人焊接可提高效率数十倍；（5）绿色化生产：便于低碳环保的焊接方法和吸尘净化系统应用；（6）自动化生产：实现“无人化”焊接制造，机器人可24小时焊接，保证焊接质量稳定性，缩短交货期。
我国在重工业制造领域较为落后（处于半自动化焊接），机器人自动化焊接还处于起步阶段，距第三代工业革命――无人化工厂的发展，我国还有一段很长的路要走。
本文作者张华军来自上海振华重工（集团）股份有限公司焊接应用研究所
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