跟踪系统在窄间隙埋弧焊中的应用现状

跟踪系统在窄间隙埋弧焊中的应用现状 Application Status of Tracking System in Narrow Gap Submerged Arc Welding 1 first-author 张　磊（1986—），硕士，高级工程师，主要从事窄间隙埋弧焊接技术及装备的研究。E-mail：Leibanzhanglei@163.com。 张　磊（1986—），硕士，高级工程师，主要从事窄间隙埋弧焊接技术及装备的研究。E-mail：Leibanzhanglei@163.com。 Leibanzhanglei@163.com 1 1 2 3 1 1 哈尔滨焊接研究院有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028 哈尔滨焊接研究院有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028 Harbin Welding Research Institute Co., Ltd., Harbin 150028, China Harbin Welding Research Institute Co., Ltd., Harbin 150028, China 中国机械科学研究总院集团有限公司,北京 311227 中国机械科学研究总院集团有限公司,北京 311227 China National Academy of Mechanical Sciences Group Co., Ltd., Beijing 311227, China China National Academy of Mechanical Sciences Group Co., Ltd., Beijing 311227, China 哈尔滨威尔焊接有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150028 哈尔滨威尔焊接有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150028 Harbin Weill welding Co., Ltd., Harbin 150028, China Harbin Weill welding Co., Ltd., Harbin 150028, China 对跟踪系统在窄间隙埋弧焊中的应用现状进行了梳理和总结，并对该系统未来的技术发展方向进行了展望。从三个方面进行论述，分别是跟踪系统的意义、跟踪传感器的种类以及跟踪系统的应用。目前窄间隙埋弧焊设备中应用最为成熟、市场占有率最大的跟踪系统采用接触式跟踪技术。近年来随着科学技术的不断进步，视觉传感技术发展迅速，采用该技术的跟踪系统在焊接领域应用较为广泛，在窄间隙埋弧焊接领域也有一定程度的尝试。随着跟踪系统技术的提升和优化，窄间隙埋弧焊的自动化程度和智能化程度将得到进一步提升。 Taking the tracking system as the theme, this paper combs and summarizes the application status of the tracking system in narrow gap submerged arc welding, and looks forward to the technical development direction of the system in the future. This paper starts from three aspects: the significance of tracking system, the types of tracking sensors and the application of tracking system. At present, the tracking system with the most mature application and the largest market share in narrow gap submerged arc welding equipment adopts contact tracking technology. In recent years, with the continuous progress of science and technology, visual sensing technology has developed rapidly. The tracking system using this technology has been widely used in the field of welding and has made some attempts in the field of narrow gap submerged arc welding. With the continuous improvement and optimization of tracking system technology, the automation and intelligence of narrow gap submerged arc welding will be further improved. 窄间隙 埋弧焊 跟踪系统 焊接自动化 narrow gap submerged arc welding tracking system welding automation 前言 1 窄间隙埋弧焊接技术是在比常规坡口窄得多的坡口内完成多层多道焊的工艺方法，是厚壁接头焊接技术的一次重大革命 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ ，其常见的坡口形式如 图1 图1 所示。与普通埋弧焊相比，其具有以下优点：①坡口截面积比常规坡口小得多，因此生产效率高。并且随着产品厚度的增加，这种优势越发明显。板厚为100 mm，采用相同焊接工艺参数时，普通埋弧焊坡口形式与窄间隙埋弧焊坡口形式的效率对比如 图2 图2 所示，当窄间隙坡口完成焊接时，开60°和16°坡口角度的普通埋弧焊仅完成30%和64%；②焊缝与坡口侧壁过渡圆滑，焊渣可以自行脱落；③焊接接头的残余应力以及氢的含量低，焊缝金属抗氢致裂纹的能力高；④焊接接头的韧性和抗脆断能力高；⑤焊缝金属的稀释率小，各道焊缝金属化学成分的均一性和纯净度高；⑥自动化程度高，劳动强度低，焊工水平的差异对焊接质量的影响较小 ［ 3 3 - 6 6 3-6 ］ 。 R =9~12 mm， L =18~24 mm 1;2; （a）开60°普通埋弧焊坡口；（b）开16°普通埋弧焊坡口；（c）开1°窄间隙埋弧焊坡口 窄间隙埋弧焊接技术的应用始于20世纪80年代初 ［ 7 7 ］ 。当时世界上的一些工业发达国家，如苏联、美国、意大利、日本、法国、西德等相继采用该技术焊接了石化高压容器、电站锅炉厚壁锅筒、核反应堆压力容器和蒸汽发生器、水轮机轴等，取得了预期的效果 ［ 8 8 - 10 10 8-10 ］ 。 我国从20世纪80年代起，相继从国外成套引进窄间隙埋弧焊技术及装备，并投入生产运行，取得了一定的经济效益。同期，国内科研院所也相继开展了该技术的消化、吸收及再创新工作，其中哈尔滨焊接研究所最具代表性，在林尚扬院士的带领下自主设计了世界首台双丝埋弧焊设备并成功应用于压力容器产品主焊缝的焊接 ［ 11 11 - 15 15 11-15 ］ 。 跟踪系统的意义 1 跟踪系统作为窄间隙埋弧焊接的关键技术，其稳定性、可靠性、以及持久重复性是核心 ［ 16 16 - 17 17 16-17 ］ 。必须有效地保证焊丝与坡口侧壁距离以及干伸长恒定，才能保证焊缝与坡口侧壁过渡圆滑，达到侧壁熔合良好，焊渣自动脱落，连续持久自动焊接等效果。窄间隙埋弧焊的所有技术优势都以稳定、可靠的跟踪系统为支撑，如果跟踪系统失灵、不稳定或精度不满足焊接工艺及焊接自动化的要求，其所有技术优势都无从谈起。 焊接工艺的要求 2 为了实现焊接过程坡口侧壁熔合良好、焊缝与坡口侧壁圆滑过渡的工艺要求，需要确保焊接过程中焊丝端部距坡口侧壁的距离以及干伸长保持在一定的工艺窗口范围内，如 图3 图3 所示。通过工艺试验及生产实践，认为焊丝端部距离坡口侧壁距离等于焊丝直径，偏差在±0.25 mm范围内；干伸长数值在30~40 mm范围内选取，数值波动在±0.5 mm范围内，可以确保焊接过程满足工艺要求，焊接质量合格。 被焊筒节如 图4 图4 所示，不论是锻造而成还是卷板焊接再校圆而成，均不能保证其是正圆。因此，滚轮架拖动其转动的过程中会使筒节向一侧窜动。如果焊枪的位置不发生等量的随动，焊丝端部距坡口侧壁的距离将比静止状态下调整好时的距离产生偏差，最终导致侧壁熔合不良或者咬边等缺陷。筒节不圆，其转动时也会导致干伸长发生变化，如果焊接机头不能通过升降来抵消这种变化，将导致干伸长不稳定，进而影响焊接过程的稳定 ［ 18 18 ］ 。 焊接自动化的要求 2 窄间隙埋弧焊通常用于焊接厚壁产品，一条焊缝的焊接时长普遍超过24 h。因此需要焊接设备具有较高的自动化程度，以降低焊工的劳动强度。焊接左侧时，要以左侧坡口为基准，满足焊接工艺要求。当左侧焊完一圈，并且搭接一定距离后，需要焊丝指向坡口右侧，并以坡口右侧为基准，满足焊接工艺要求。当焊完一层焊道后，焊枪自动提升一层焊道厚度的距离，来弥补焊层厚度的增加对干伸长造成的影响，再进行下一层焊道的焊接。纯靠人工操作几乎难以实现，即使可以实现，焊接时间太长也会给焊工带来极大的工作强度。跟踪系统较好地解决该问题，同时为实现焊接自动化提供了基础条件 ［ 19 19 - 20 20 19-20 ］ 。 跟踪系统的种类 1 窄间隙埋弧焊坡口底部宽度为18~24 mm，单边坡口角度为0.5°~1.5°，产品壁厚普遍在80~350 mm之间，深而窄的坡口对跟踪系统的设计和选择带来了较大的困难。目前，在窄间隙埋弧焊领域，跟踪系统有接触式和非接触式两种技术形式 ［ 21 21 ］ 。 接触式跟踪系统 2 接触式跟踪系统通过传感器与被焊工件坡口侧壁和焊道表面接触提取所需信号，其中传感器分为电位器式和光电式两种。 在工件静止状态下，调整好焊接机头位置以达到满足焊接工艺要求的程度后将跟踪数值记忆。当工件开始运动时，坡口侧壁以及焊道表面会对传感器进行不同程度的挤压导致传感器输出信号的变化，将此时跟踪数值与静止状态下记录好的跟踪值进行比较，从而控制十字滑板的纵向和横向电机，向记忆的跟踪值移动以减小跟踪偏差，从而实现焊缝跟踪。 非接触式跟踪系统 2 激光视觉传感技术作为非接触式跟踪系统普遍选用的技术，近年来发展较快，已成功应用于焊接的多个场景中，为解决窄间隙埋弧焊接跟踪系统提供了全新的思路 ［ 22 22 - 28 28 22-28 ］ 。 激光视觉传感系统的基本构想是利用三角测量法，从影像中析取精确的三维信息。激光三角测量的原理是利用激光作为光源，可使影像轮廓分明，现有的CCD或CMOS摄像机可清晰地摄取激光影像。在激光视觉探头内以特种方式同时安装了激光发生器和摄像机。当激光投射到被测焊接工件上时，所形成的激光带形状由摄像机成像，从中可析取焊接接头形状的数据，如 图5 图5 所示。 如果焊枪与焊缝发生横向或者纵向偏移，激光条纹图像的位置也会相应改变。因此，激光视觉传感器只要沿着焊接行进方向，不断采集工件坡口图像，提取特征点并与参考点比较，通过视觉标定技术便可得知纵向和横向上的实际偏差从而指导焊枪跟踪焊缝 ［ 29 29 - 30 30 29-30 ］ 。 跟踪系统的应用 1 经过40余年的实践发展，窄间隙埋弧焊应用最成熟的跟踪系统是接触式跟踪系统。但随着各种CPU的出现及图像处理技术的发展，基于激光视觉传感的非接触式跟踪系统，因具有适用性广、稳定性好、精度高、抗干扰性好等优点为窄间隙焊缝跟踪提供了一种全新的思路，已在部分场景成功应用 ［ 31 31 - 35 35 31-35 ］ 。 接触式跟踪的应用 2 采用接触式跟踪技术的窄间隙埋弧焊接设备制造企业有瑞典的伊萨公司 ［ 36 36 - 38 38 36-38 ］ 、中国的哈尔滨焊接研究所等。 伊萨公司的窄间隙埋弧焊装备整体如 图6 图6 所示，其早期跟踪系统属于机械式光电跟踪，如 图7 图7 所示。高度跟踪轮与坡口底部（或焊道）直接接触，并可绕小轴随着坡口底缘高度变化而上下浮动，从而在支点处使顶杆上下运动；在顶杆上还同时安装有跟踪爪，该跟踪系统的跟踪爪是单侧跟踪爪，当焊接左道或中道时，跟踪爪靠向左侧坡口侧壁，当焊接右道时，跟踪爪通过气动的方式靠向右侧坡口侧壁，如果侧壁不光滑或坡口发生窜动时都会对跟踪爪造成挤压，从而使安装发光二极管的托架围绕顶杆产生偏转 ［ 39 39 ］ 。 光敏三极管安装基座垂直方向和水平方向一共安装四只光敏三极管，它们都可以接收到由发光二极管发出的光通量。垂直方向上的U和D光敏三极管分别检测高度跟踪实时值相对于设定值的升起和下降的位移量±Δ z ，如 图8 图8 所示。 横向方向上的L和R光敏三极管则检测横向跟踪实时值相对于设定值的左右偏移量±Δ x ，如 图9 图9 所示 ［ 40 40 ］ 。将±Δ x 与±Δ z 转化为电压信号传送给控制器，使电机带动滑板纵向和横向移动，保证焊丝与侧壁的距离和干伸长的稳定。 哈尔滨焊接研究所研制出世界上首台双丝窄间隙埋弧焊设备（见 图10 图10 ），其跟踪系统属于机械式电位器跟踪。经过对设备不断的完善升级，已经成功应用于中国一重、东方锅炉、兰石集团、上海电站辅机厂等重点压力容器企业，累计销售300余台。 其跟踪系统如11图所示，该跟踪系统采用的传感器是电位器，其原理是通过焊道表面对高度跟踪轮的挤压从而对差动电位器进行挤压，输出一定范围电压，通过工件侧壁对两侧跟踪爪的挤压来改变跟踪爪张开的角度，从而带动上端的旋转电位器进行旋转，输出一定范围电压，与设定值进行比较后，由可编程逻辑控制器（PLC）发出指令控制十字滑板带动机头纵向和横向移动。与伊萨设备不同，哈焊所跟踪系统的跟踪爪是双侧跟踪爪，焊左侧时，左侧跟踪爪起作用；焊右侧时，右侧跟踪爪起作用。近年来，随着技术交流与借鉴的增多，伊萨设备的跟踪系统也采用了双侧跟踪爪，并将传感器更换为电位器式。 伊萨设备的跟踪操作方式与哈焊所设备的跟踪操作方式大致相同，这里以哈焊所设备为例，介绍跟踪系统的使用方法。 在使用横向和纵向自动跟踪功能之前，需在工件静止时对横向跟踪爪和高度跟踪轮进行示教。将跟踪装置和焊枪下降到坡口底部中心位置，使干伸长为30~35 mm，高度跟踪滚轮要与焊缝表面相接触，打开左右跟踪爪。将焊枪向左侧摆动，调整焊丝端部距离坡口左侧侧壁一个焊丝的距离，记忆左侧跟踪设定值；将焊枪向右侧摆动，调整焊丝端部距离坡口右侧侧壁一个焊丝的距离，记忆右侧跟踪设定值，高度跟踪设定也随之记忆。跟踪参数修改页面如 图12 图12 所示。 跟踪系统的实时数值在运行参数界面显示，如 图13 图13 所示，当跟踪实时值与设定值的差值大于工艺误差范围值时，跟踪系统开始运行，由PLC控制纵向和横向十字滑板电机，使跟踪实时值逼近跟踪设定值，完成跟踪动作。 非接触式跟踪的应用 2 采用非接触式跟踪技术的窄间隙埋弧焊接设备制造企业有美国的艾美特公司，其采用英国Meta公司为其定制开发的激光视觉跟踪系统。其机头和激光视觉跟踪系统如 图14 图14 、 图15 图15 所示。 META激光视觉跟踪系统主画面如 图16 图16 所示，当激光器打开时，画面显示所探测到的轮廓如 图17 图17 所示。表面轮廓图像经分析，可确定接缝特征的位置，并以绿色线条表示。绿色的十字线表示当前的“跟踪位置”，大号灰色十字线表示当前跟踪的“基准位置” ［ 41 41 ］ 。 激光传感跟踪系统应在每道焊缝焊接时，自动将焊枪定位，而无需操作人员再干预，为此，在焊接新焊缝之前需进行示教操作。工件静止时，先把焊枪移动至焊接位置，之后按下示教按钮，灰色大十字线与绿色十字线重合（当前“跟踪位置”与跟踪“基准位置”重合），即示教操作完成，如 图17 图17 所示。 焊接过程中跟踪器就会按照跟踪基准点进行跟踪，如果当前跟踪位置与跟踪基准点有偏差时，激光跟踪向控制器发出信号从而控制十字滑板电机进行移动，使“跟踪位置”逼近“基准位置”完成跟踪 ［ 42 42 - 43 43 42-43 ］ ，如 图18 图18 所示。 非接触式 + 接触式复合跟踪系统的应用 2 虽然以激光视觉技术为代表的非接触式跟踪系统在窄间隙埋弧焊接领域有一定数量的应用案例。但其在推广应用中存在以下问题：（1）传感器景深较小，如要实现大厚度产品焊接（如产品壁厚200 mm），需要传感器离工件表面较近（约50 mm）。工件预热温度往往要求200 ℃以上，传感器长时间在这种工况条件下工作，对其散热能力要求较高。传感器损坏的风险较大。（2）此类传感器的价格较高，普遍在30万元左右。 机械接触式跟踪机构具有良好的稳定性和可靠性，但在长期的工程实践中发现其容易受焊剂、灰尘干扰而影响传动精度，甚至发生跟踪失效等情况。如果将激光视觉传感器当做机械跟踪的“眼睛”，实时监测焊枪两侧距坡口上边缘的距离，来判断机械跟踪是否失灵，这样激光视觉传感与工件表面距离较远，受温度影响较小，可以大大降低对激光视觉传感器的技术要求。 哈尔滨焊接研究所提出了一种非接触式+接触式复合跟踪系统，是解决窄间隙埋弧焊接工程应用的一种全新尝试，如 图19 图19 所示。用机械跟踪装置实现焊缝跟踪，激光视觉传感器用于监测焊枪两侧距坡口上边缘的距离，如 图20 图20 所示，以判断机械跟踪是否失灵。在工件静止时先设定好枪两侧侧壁距坡口上边缘的距离，开始焊接后随着焊层厚度的增加，通过算法自动更改距离的设定值。在机械跟踪正常运转的情况下，焊枪两侧侧壁距坡口上边缘的距离会大于这个设定值。当焊枪两侧侧壁距坡口上边缘的距离有一侧小于设定值时，必定是跟踪失灵的情况，此时触发激光测距传感器警报，强制设备停机以保护焊接设备和焊接产品的安全。 结论与展望 1 本文从跟踪系统的意义、跟踪传感器的种类以及跟踪系统的应用三个方面，对跟踪系统在窄间隙埋弧焊中的应用现状进行了梳理和总结。目前，已有的跟踪技术较好地解决了焊接自动化问题，但是也存在接触式跟踪偶尔失灵与非接触式跟踪景深较小、价格高昂的问题。随着制造企业对智能化发展的渴望，对进一步降低焊工劳动强度和焊工技术水平要求的现实需求，开发既稳定可靠又能实现无人化或者少人化焊接操作的跟踪系统，将是窄间隙埋弧焊未来的技术发展方向。 参考文献 林尚扬 ， 杨书田 ， 曹伯华 ， 等 . 双丝窄间隙埋弧焊工艺及设备的研究 ［C］. 哈尔滨 ： 第五届全国焊接学术会议 ， 1986 . 双丝窄间隙埋弧焊工艺及设备的研究 林尚扬 ， 于丹 ， 于静伟 . 压力容器焊接新技术及其应用 ［J］. 压力容器 ， 2009 ，（ 11 ）： 1 - 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