2020年焊接机器人发展情况
一、概念及范畴
焊接机器人是工业机器人的一个大类，主要应用于金属焊接制造领域，是代替手工焊焊工或焊接设备操作工进行实际焊接作业的工业机器人。
按照焊接方法的不同，焊接机器人主要分为弧焊机器人、点焊机器人、钎焊机器人、激光焊机器人和其他焊接机器人。
按照机械结构划分，焊接机器人主要包括多关节焊接机器人、坐标焊接机器人和其他类别的焊接机器人。
按照应用行业划分，焊接机器人可分为应用于国民经济的汽车制造业、3C（计算机、通信设备和其他电子设备）制造业、通用设备制造业、专用设备制造业、金属制品业、金属家具制造业、电气机械和器材制造业、其他运输设备（铁路、船舶、航空航天等）制造业、仪器仪表制造业等10多个行业大类、70多个行业中类。
二、全球市场情况
自2013年以来，全球制造业自动化、智能化持续发展，工业机器人包括焊接机器人技术不断创新，劳动力成本的增长，尤其是以中国为代表的亚洲市场劳动力成本的快速增长，焊接机器人成本的大幅下降等因素，促使焊接机器人应用行业和应用场景持续扩展，市场对焊接机器人的需求大幅增长。
2019年，受到下游需求市场收缩、国际贸易摩擦加剧等因素的影响，全球焊接机器人销售出现下滑，销售量为7.5万台，同比下降16.3%，销售量排在搬运和上下料机器人之后，位居第二。其中，点焊机器人销售量为3.5万台，同比下降18.5%；弧焊机器人与点焊机器人比较接近，销售3.4万台，同比下降16.5%；钎焊机器人销量小幅下降；激光焊机器人和其他焊接机器人虽然销量不大，占比不高，但在焊接机器人整体销量下降16.3%的背景下仍然有20%以上的增长，表明优质、高效、先进的机器人焊接新技术应用逆势增长。2018—2019年全球各类焊接机器人销售情况见图1。
图1 2018—2019年全球各类焊接机器人销售情况
注：数据来源于国际机器人联合会（IFR）。
汽车制造业是焊接机器人应用市场中最大的传统行业，2020年，受到新冠肺炎疫情的影响，汽车制造业投资下降，对焊接机器人的需求明显下降。焊接机器人在汽车制造行业应用中最多的是点焊机器人和弧焊机器人。钎焊机器人主要应用于3C电子行业，该行业应用的焊接机器人也主要是三轴坐标钎焊机器人。
三、中国市场情况
根据初步统计，2020年，焊接机器人在我国市场的销售量约为3.5万台，同比增长4.7%，是全球最大的焊接机器人市场。其中，弧焊机器人销量超过1.9万台，同比增长22.1%，成为销量最大的细分品类；相反，点焊机器人需求大幅下降，销量仅为1.1万台，同比下降20.6%；激光焊机器人仍是小众市场，销量同比下降36.8%；钎焊机器人和其他焊接机器人销量大幅增长，分别同比增长43.2%和40.0%。2019—2020我国市场各类焊接机器人销售情况见图2。
图2 2019—2020我国市场各类焊接机器人销售情况
注：数据来源于中国机器人产业联盟（CRIA）、国际机器人联合会（IFR）。
四、进出口情况
据海关统计，涉及焊接的机器人共3个税号的商品，即电阻焊接机器人、电弧焊接机器人和激光焊接机器人，分别对应通常所说的点焊机器人、弧焊机器人和激光焊机器人。
1.进口情况
2020年，我国焊接机器人进口额2937万美元，同比下降3%。其中，弧焊机器人进口额同比下降1.9%，点焊机器人进口额同比下降80%，激光焊机器人进口额同比增长17.4%，2019—2020年我国焊接机器人进口情况见图3。
2.出口情况
2020年，我国焊接机器人出口额1909万美元，同比下降31.1%。其中，弧焊机器人出口额同比下降16.1%，点焊机器人出口额同比下降81.1%，激光焊接机器人出口额同比增长189%，2019—2020年我国焊接机器人出口情况见图4。
图3 2019—2020年我国焊接机器人进口情况
注：数据来源于海关总署。
图4 2019—2020年我国焊接机器人出口情况
注：数据来源于海关总署。
五、新技术新产品进展
1.免示教智能焊接机器人系统
新松机器人自动化股份有限公司研制了由智能3D扫描系统、智能焊接专家系统、机器人协同控制系统、在线控制系统和边缘控制系统五部分组成，以3D视觉识别技术自动获取待加工对象特征标识，并嵌有焊接工艺的自适应编程的免示教智能焊接机器人系统。该产品实现了对单件产品的焊缝直接进行智能化自主焊接作业，无须精确定位工件、导入3D图样、人工编程及示教，解决了单件小批产品柔性化焊接的难题。系统融合了数字化、自动化、信息化，可配合完成软件化、可视化和权限化管控。该产品已在工程现场得到完整的验证及应用。新松免示教智能焊接机器人系统见图5。
图5 新松免示教智能焊接机器人系统
2.高精度弧焊机器人
南通振康焊接机电有限公司研发成功重复定位精度小于0.03mm、轨迹精度小于0.3mm、作业半径1.9m的6kg高精度弧焊机器人，并实现了焊接硬件系统（焊丝盘、送丝机、焊枪、防碰撞装置）与机器人本体一体化嵌入式设计。南通振康高精度弧焊机器人见图6。
图6 南通振康高精度弧焊机器人
3.激光焊接新技术及机器人专用激光焊接新产品
唐山松下产业机器有限公司推出了基于在焊接过程中更有益于金属吸收的975nm波长，额定输出功率4000W的激光焊接新技术及机器人专用激光焊接新产品。唐山松下激光机器人焊接系统见图7。
图7 唐山松下激光机器人焊接系统
该产品采用波长合成专利技术，开发出了新一代直接二极管激光器，打破了传统的激光器设计原理，直接将光束空间耦合到一起，半导体既是增益介质也是谐振腔，该产品具有良好的光束品质和高效率的电光转化率。激光头可以扫描出9种特殊的图形。在激光点焊时可以方便选择焊点图形，方便示教。同时在激光熔焊焊接时，可以一边焊接一边进行螺旋扫描并可实现独特的螺旋焊接工法。激光自带9种焊接图形和独有的螺旋焊接工艺见图8。
图8 激光自带9种焊接图形和独有的螺旋焊接工艺
4.轻量化材料搅拌摩擦焊装备及工艺
广州瑞松智能科技股份有限公司成功自主研发了轻量化材料搅拌摩擦焊装备及工艺。该公司开发了适用于不同焊接场景需求的搅拌头、高转速大转矩的电主轴、立位倾角传感、R-SSTOOL静轴肩技术、视觉技术和智能工装等，实现了空间三维焊接、压力控制、力位混合控制、离线编程、自动检测焊缝寻找、实时过程控制等功能，同时开发了搅拌摩擦焊数据库专家系统和具有领先水平的智能化搅拌摩擦焊技术及工艺。目前，该工艺已在新能源汽车、航天航空、轨道交通、5G通信等行业得到成熟应用。瑞松科技龙门式与机器人式搅拌摩擦焊智能装备见图9。
图9 瑞松科技龙门式与机器人式搅拌摩擦焊智能装备
5.薄壁构件空间位置智能机器人激光焊装备
无锡汉神电气股份有限公司成功研发一种薄壁构件空间位置智能机器人激光焊装备，包括高精度焊接机器人、激光焊接系统、空间位置检测工作平台、在线检测系统、CCD实时监测系统、安全防护辅助系统等，实现薄壁构件空间自动寻位装配、位置度在线检测、主体与挂件的对接装配、圆度与直线度在线检测和多姿态精密激光焊接等功能。薄壁构件空间位置智能机器人激光焊工作站见图10。
图10 薄壁构件空间位置智能机器人激光焊工作站
6.新能源汽车电池托盘生产线
江苏北人机器人系统股份有限公司成功研发制造了新能源汽车电池托盘生产线。新能源汽车电池托盘是新能源汽车动力来源系统中的关键部件，也是电池系统安全性的重要保障。新能源汽车电池托盘生产线融合弧焊、点焊、搅拌摩擦焊、激光焊、FDS（热熔自攻丝）、SPR（自穿刺铆接）、涂胶、机加工、气密性检测、清洗等多种生产工艺，同时，该生产线具有物流输送及自动搬运、焊接工艺参数自适应、自动寻位与引导、涂胶检测、质量在线检测、工艺参数追溯等智能功能，能够实现新能源汽车电池托盘的全自动化生产，显著提升电池托盘的生产效率和质量稳定性。电池托盘数模见图11。电池托盘自动化生产线见图12。
图11 电池托盘数模
图12 电池托盘自动生产线
7.伺服焊接机器人系统
杭州凯尔达焊接机器人股份有限公司成功研发伺服焊接机器人系统。该系统应用了基于工业计算机（由WinOS、RTOS及EtherCAT构成）的机器人控制器及专用伺服送丝系统，可实现高速循环周期内的高精度控制、主从机器人快速切换的机器人协同控制。伺服焊接机器人系统提升了机器人运动控制精度，能够精确控制送丝过程，改变原单方向送丝，达到100次/s以上的抽送丝速度，再配合焊接电流波形控制，可实现更为精确的能量控制。伺服焊接机器人系统适用于铝合金、碳钢、镀锌板、不锈钢超薄板（厚度最低可达0.5mm）焊接，相比于传统焊接，具有飞溅量更低、能量更可控、焊接速度更快、成本降低更明显的特点。凯尔达伺服焊接机器人系统见图13。
8.高集成化驱控一体焊接机器人
成都卡诺普自动化控制技术有限公司潜心于弧焊机器人技术研究及其产业化工作，其生产的弧焊机器人采用层叠安装新技术实现高度集成化且体积更小的六轴机器人驱控一体机芯，结合其在弧焊工艺软件包（包括焊缝识别技术、智能管板焊接技术、自适应跟踪焊接方法、多层多道焊接方法、角钢切割新技术等）、激光位移传感器和电弧跟踪传感器等方面的研究成果，成功研制了6kg、10kg、20kg负载的常用弧焊机器人，并实现了规模产业化。六轴机器人驱控一体机芯见图14。卡诺普焊接机器人见图15。
图13 凯尔达伺服焊接机器人系统
图14 六轴机器人驱控一体机芯
图15 卡诺普焊接机器人
9.长臂展弧焊机器人
埃夫特智能装备股份有限公司开发了全新的2m长臂展弧焊机器人（多关节型）产品，并基于自主控制器开发了功能完备的弧焊工艺软件包。同时埃夫特智能装备股份有限公司还开发了智能焊接系统ArcWelding系统，能够通过3D相机自动识别焊缝实现智能焊接。埃夫特2m展臂弧焊机器人焊接机器人见图16。
图16 埃夫特2m展臂弧焊机器人焊接机器人
六、趋势分析与预测
受焊工人力成本快速增长、工作环境差难以招聘到年轻的焊接工作者、焊接制造的数字化智能化的发展需求增加、焊接机器人技术的进步和机器人应用成本下降等因素的影响，我国正走向焊接机器人快速发展的阶段。我国作为焊接机器人应用大国，未来一段时间将会继续占据全球焊接机器人的近半数市场。
在我国，焊接机器人的应用主要集中在汽车制造业、3C电子行业、装备制造业（工程机械、煤矿机械、农业机械等）等行业，近几年，焊接机器人的应用正逐渐向其他行业的细分行业拓展。焊接技术作为制造业涉及金属加工必不可少的方法和手段，涉及十几个大行业。未来，焊接机器人在我国的应用将进一步加速向各细分行业扩展。
在追求低碳、优质、高效、低成本制造的社会环境下，各种焊接方法结合新材料、新工艺、新技术的应用，例如将一些低碳、绿色、优质、高效的焊接技术与机器人技术的有效融合，形成的其他焊接机器人技术和产品，将是未来焊接机器人发展的一个重要方向。
自主品牌的焊接机器人技术不断进步，产品性能不断提高，特别是在弧焊机器人和激光焊机器人领域，预计在未来几年将保持快速发展。在量大面广的弧焊机器人应用领域，满足不同应用场景和复杂应用场景的自主品牌弧焊机器人技术，例如中厚板弧焊机器人、七轴弧焊机器人等需要加大研发力度，让自主品牌进入弧焊机器人中高端市场。
焊接机器人应用技术的发展重点主要体现在以下几个方面：
（1）快速高效的示教编程、离线编程、自主编程等机器人编程技术。
（2）适用于复杂场景、复杂构件、复杂焊缝的机器人焊接传感技术。
（3）机器人焊接工艺大数据技术。
（4）优质、高效焊接新技术的机器人化应用。
（5）机器人焊接质量的高效在线检测技术。
焊接机器人应用与服务人才短缺，一定程度上也制约着焊接机器人的应用质量和效率。随着有关焊接机器人应用人才职业标准的建立和完善，培训教材的发行，行业相应培训、考核、认证、使用等工作的推进，预计人才短缺情况会不断改善。
2020年初以来，新冠肺炎疫情席卷全球，给全世界的各个方面都带来了短期和长期的影响。新冠肺炎疫情也促使着焊接行业加快向焊接自动化、数字化、智能化方向转型升级以提升企业应对风险的能力和综合竞争力，焊接机器人的发展和市场空间巨大。预计2021年全球焊接机器人市场将复苏并重回增长模式，我国焊接机器人市场销量预计将有两位数的增长，自主品牌焊接机器人将有更大幅度的增长。
〔撰稿人：中国焊接协会焊接设备分会专家委员会主任李宪政〕