電弧傳感技術(shù)在超大件構(gòu)件焊縫跟蹤中的應(yīng)用價(jià)值分析

(上海越盛金屬焊接有限公司，上海 201609)

0 引言

對(duì)于火電、汽輪發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電等生產(chǎn)制造電站公司而言，其產(chǎn)品通常具有尺寸大(超大直徑刀盤14 m左右)、噸位重(大刀盤構(gòu)件單重100 t，總重400～600 t)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。其主要構(gòu)件母材均為中低合金鋼，在進(jìn)行焊接的過程中，需要持續(xù)加熱150 ℃～250 ℃。與此同時(shí)，多數(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)屬于勞動(dòng)密集型，產(chǎn)品制作需要大量焊工進(jìn)行手工作業(yè)，且盾構(gòu)機(jī)、掘進(jìn)機(jī)主要按每個(gè)工程地質(zhì)勘測(cè)情況后進(jìn)行針對(duì)專用設(shè)計(jì)，故產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式均不一樣，產(chǎn)品無法達(dá)到批量及定量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的焊接機(jī)器人生產(chǎn)線主要以符合剛性生產(chǎn)線為主，這對(duì)于超大件構(gòu)件的焊接難以適用，為穩(wěn)定生產(chǎn)能力，同時(shí)減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善施工的環(huán)境，對(duì)于生產(chǎn)制造電站公司而言，就迫切需要引進(jìn)全新的自動(dòng)化及半自動(dòng)化焊接裝備。焊縫跟蹤就是使焊接電弧與焊接位置對(duì)準(zhǔn)，來保證焊接接頭的成形和焊接質(zhì)量，由傳感器檢測(cè)焊縫位置有沒有偏差，然后將偏差信號(hào)送給控制器，控制器經(jīng)過分析處理驅(qū)動(dòng)滑板調(diào)節(jié)焊槍位置。簡(jiǎn)單來說，傳感器相當(dāng)于焊工的眼睛，控制器相當(dāng)于焊工的電腦，滑板相當(dāng)于焊工的手。由此看來，一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、靈敏度高的焊縫跟蹤傳感器對(duì)超大件構(gòu)件的焊接具有重要意義。

1 電弧傳感器的特性及工作原理

以傳感器的特點(diǎn)為分類標(biāo)準(zhǔn)，焊縫跟蹤傳感器主要包括電弧傳感器、電磁感應(yīng)傳感器、光電傳感器、機(jī)械傳感器四種類型。在這四種類型中，電弧傳感器更有優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在實(shí)時(shí)響應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等方面，是當(dāng)下焊縫跟蹤傳感器的主要發(fā)展方向，具體來說，電弧傳感器具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1)電弧傳感器屬于實(shí)時(shí)傳感器的一種，檢測(cè)點(diǎn)即是焊接點(diǎn)，因而不存在傳感器先行的問題，可以最大程度的保證焊接的實(shí)時(shí)性。

2)電弧本身屬于傳感器的一部分，不會(huì)受導(dǎo)線彎曲引起的電弧偏移帶來的影響，可以有效保證焊接的準(zhǔn)確性。傳感器是一種高精度檢測(cè)儀器，在軍事、航空、航天中應(yīng)用都有嚴(yán)格要求，產(chǎn)品都須經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試才能應(yīng)用。所以傳感器生產(chǎn)是一種高新技術(shù)的具體運(yùn)用和體現(xiàn)。有部分傳感器由于其應(yīng)用環(huán)境的狀況需金屬封裝，一般采用焊接密封，這類傳感器內(nèi)部有敏感元件和集成電路，充惰性氣體或抽真空與外界隔絕，有耐壓、氣密性要求，另有焊接強(qiáng)度要求和漏氣率要求，對(duì)焊接質(zhì)量要求高，而且焊接過程中要求變形小，不能對(duì)內(nèi)部元件和微電路有損壞。

3)電弧傳感器不僅可以跟蹤傳感器，保證焊接參數(shù)的穩(wěn)定性，而且可以提高焊縫的成形效果。電弧焊過程中，在被焊工件上會(huì)形成熔池和焊縫。厚度較小的工件，通常用單面單道焊或雙面單道焊焊成。厚度較大的可用多層和多道焊。對(duì)接焊縫的熔深H 直接影響到接頭的承載能力。焊縫寬度為B，焊縫成形系數(shù)φ=B/H，其值會(huì)影響到熔池中氣體逸出的難易、熔池的結(jié)晶方向、焊縫中心偏析程度等。

4)抗干擾性比較強(qiáng)，如光、電磁、熱等，具有較長(zhǎng)的使用壽命。傳感器一般工作環(huán)境十分廣泛，從極寒至酷熱地區(qū)，許多在露天環(huán)境下工作，能抗飛沙走石、灰塵，還應(yīng)耐潮濕，較高的抗鹽類腐蝕、酸性腐蝕的能力，有抗污染氣體干擾的能力，能適應(yīng)在高溫、極寒、強(qiáng)烈振動(dòng)、沖擊以及在其他條件下正常工作的能力，還應(yīng)抗噪聲能力強(qiáng)，信噪比高。

2 電弧傳感技術(shù)在超大件構(gòu)件焊接機(jī)器人中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，電弧傳感器已廣泛應(yīng)用于超大件構(gòu)件的焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，利用電弧傳感器技術(shù)，可對(duì)焊接路徑進(jìn)行獨(dú)立、實(shí)時(shí)的修正，以適應(yīng)焊接位置的變化，從而在各種形式的焊縫(V形、Y形、U形、角焊縫)的焊接過程中，準(zhǔn)確地引導(dǎo)焊槍沿焊接路徑焊接，實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)校正。在超大件構(gòu)件機(jī)器人焊接過程中，電弧傳感技術(shù)的運(yùn)用能夠幫助焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)檢測(cè)并聯(lián)電阻，并將信號(hào)反饋給電弧傳感電路板。雖然對(duì)電弧傳感器已經(jīng)有大量的研究，但是電弧傳感器的應(yīng)用特別是在國內(nèi)的應(yīng)用還不能達(dá)到使人滿意的程度，目前僅限于某些特殊場(chǎng)合的焊縫跟蹤。首先，由電弧傳感器的原理可知，要求焊槍擺動(dòng)，但有些場(chǎng)合不宜采用擺動(dòng)。其次，電弧傳感器信號(hào)容易受多種因素的影響；還有，不易選擇最合適的控制方法。

3 電弧傳感技術(shù)在超大件構(gòu)件焊縫跟蹤中的應(yīng)用展望

根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可知，目前相當(dāng)一部分學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)在電弧傳感技術(shù)在超大件構(gòu)件焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究和探索方面已經(jīng)取得較多成果，在這過程中，機(jī)器人的焊接精度和焊接質(zhì)量得到有效提升。與此同時(shí)，為了進(jìn)一步提高視覺傳感圖像的處理速度和精度，部分學(xué)者對(duì)視覺傳感系統(tǒng)展開大量的研究，通過不斷改進(jìn)和創(chuàng)新圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)電弧傳感技術(shù)在超大件構(gòu)件焊縫跟蹤中的應(yīng)用優(yōu)化。通過改進(jìn)超大件構(gòu)件機(jī)器人和焊縫跟蹤系統(tǒng)的控制策略，極大節(jié)省加工時(shí)間，提高焊縫跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性?；谏鲜龇治?，未來焊縫跟蹤的具體發(fā)展趨勢(shì)如下：一是進(jìn)一步重視多傳感器融合的焊縫跟蹤系統(tǒng)，以有效克服單傳感器信號(hào)難以保證輸入信息的準(zhǔn)確性和可靠性的問題；二是對(duì)現(xiàn)有的圖像處理算法進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，總結(jié)出適合不同任務(wù)的具體應(yīng)用的焊縫跟蹤算法，提升焊縫跟蹤算法的自調(diào)整和自適應(yīng)能力。與此同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)。

1)增加視覺跟蹤傳感技術(shù)。針對(duì)大型構(gòu)件，其焊接母材厚度主要集中在40 mm～200 mm，焊道以多層多道焊接為主，人工焊接的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能感知外部環(huán)境變化，對(duì)于大型焊接構(gòu)件的焊道受熱變形，人工施工時(shí)能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行焊道追蹤，而傳統(tǒng)的焊接的有效定位點(diǎn)為5 mm以內(nèi)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大型構(gòu)件的變形量，故為能保證焊道的有效銜接，焊接機(jī)器人在傳統(tǒng)的坐標(biāo)定位上應(yīng)增加視覺跟蹤技術(shù)。

2)增加焊接弧壓力控制系統(tǒng)。大型構(gòu)件的焊接變形量最大要達(dá)到20 mm～30 mm，焊接的主要參數(shù)為電流電壓(且范圍值經(jīng)過工藝評(píng)定)，由于構(gòu)件受熱變形容易導(dǎo)致焊接弧長(zhǎng)產(chǎn)生變化進(jìn)而弧壓不穩(wěn)定，而弧壓變化超過工藝平定值將直接影響焊接質(zhì)量?？梢姡附幼鳛樘厥夤に囘^程，如工藝參數(shù)偏離平定值，則有可能認(rèn)定焊接質(zhì)量失效，基于此，為更好地滿足大構(gòu)件的焊接機(jī)器，須應(yīng)用電弧電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3)充分利用紅外線跟蹤傳感技術(shù)。對(duì)于采用自動(dòng)埋弧焊設(shè)備，由于焊接熱燃燒置于焊劑內(nèi)部，視覺傳感不能有效的進(jìn)行感應(yīng)追蹤，根據(jù)焊接位置和坡口形式，應(yīng)用紅外線輔助傳感定位，使用焊接運(yùn)行軌跡得到控制進(jìn)而控制焊接質(zhì)量。

4 結(jié)語

隨著電子技術(shù)、智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，焊縫跟蹤技術(shù)將要沿著網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。電弧傳感器與光學(xué)傳感器并稱為弧焊自動(dòng)跟蹤兩大傳感器，其中電弧傳感器不同于其他任何一種現(xiàn)有的傳感器，它不是獨(dú)立于焊接電弧焊接電源系統(tǒng)之外的東西，而是與電弧特性和電源的特性緊密相關(guān)的一部分。雖然在某些場(chǎng)合它的適用性受到限制，但其應(yīng)用前景還是很廣泛的。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展和焊縫識(shí)別與實(shí)時(shí)控制等一系列問題的解決，電弧傳感器在焊接自動(dòng)化中將體現(xiàn)更為重要的應(yīng)用價(jià)值。