焊接自動(dòng)化技術(shù)在石油鉆采設(shè)備制造中的應(yīng)用

李曉東

（蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅蘭州 730000）

焊接技術(shù)是一種典型的機(jī)械工程制造技術(shù)，在傳統(tǒng)機(jī)械制造領(lǐng)域，工件焊接多采用手工方式進(jìn)行，焊接作業(yè)效率低下，焊接質(zhì)量難以有效保障，進(jìn)而影響到機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行性能和使用壽命。隨著工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)機(jī)械制造生產(chǎn)提出更嚴(yán)格要求，在很大程度上促進(jìn)了焊接技術(shù)革新，焊接自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。為充分發(fā)揮焊接自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)其特點(diǎn)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)做分析總結(jié)。

1 焊接自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)焊接技術(shù)雖然可基本滿足正常焊接的需求，但其焊接過程中涉及的電弧引燃、電弧長度調(diào)整、電弧熄滅等均需通過手工方式進(jìn)行，造成較高的人力資源成本，且影響企業(yè)生產(chǎn)效率提升。焊接自動(dòng)化技術(shù)融入機(jī)械制造領(lǐng)域后，企業(yè)通過生產(chǎn)參數(shù)預(yù)設(shè)，在計(jì)算機(jī)程序的控制下即可高效、精確完成機(jī)械工件的自動(dòng)化焊接。因不涉及人為操作，焊接誤差率可降到最低，且焊接過程迅速，能夠縮短設(shè)備的生產(chǎn)周期。

在我國，焊接技術(shù)應(yīng)用可追溯至20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)焊接技術(shù)即在我國機(jī)械制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但與發(fā)達(dá)國家相比，我國焊接技術(shù)的發(fā)展還要受到鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的限制，有關(guān)技術(shù)體系建設(shè)還不完善。工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展給焊接技術(shù)性能提出更高要求，促使其不斷朝向自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。

2 焊接自動(dòng)化技術(shù)在石油鉆采設(shè)備制造中的應(yīng)用

2.1 技術(shù)選型

焊接自動(dòng)化技術(shù)最早被應(yīng)用于船舶、壓力容器等制造領(lǐng)域，焊接精度較高，變形量非常有限，但當(dāng)時(shí)還無法達(dá)到石油鉆采設(shè)備制造對(duì)精度的要求。在焊縫跟蹤技術(shù)、數(shù)控型鋼下料技術(shù)等被研發(fā)之后，基于焊接自動(dòng)化技術(shù)的智能制造系統(tǒng)不斷完善，大大提高了石油鉆采設(shè)備制造技術(shù)水平。本文重點(diǎn)介紹焊接機(jī)器人、數(shù)控型鋼下料技術(shù)和厚板激光切割技術(shù)。

2.1.1 焊接機(jī)器人

現(xiàn)有的焊接機(jī)器人功能已非常成熟，可完成焊接環(huán)境自動(dòng)識(shí)別、焊道位置精準(zhǔn)判斷、焊縫實(shí)時(shí)跟蹤等活動(dòng)。在弧焊分析過程中，構(gòu)建三維立體模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的動(dòng)態(tài)化控制，以確保焊接質(zhì)量。同時(shí)，利用傳感設(shè)備實(shí)時(shí)跟蹤焊接路徑，自動(dòng)完成焊接糾偏，機(jī)器人可操作性大幅度提升。除環(huán)境較優(yōu)、精度要求較高的產(chǎn)業(yè)，焊接機(jī)器人還可適應(yīng)惡劣工況，用于裝配精度要求較低的機(jī)械制造中。另外，數(shù)控型鋼下料技術(shù)和厚板切割激光技術(shù)的運(yùn)用使得石油鉆采設(shè)備制造裝配精度提升明顯，焊縫誤差被控制到更小范圍，這給焊接機(jī)器人的運(yùn)用提供了更有利條件。

焊接機(jī)器人首要解決的難題為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如焊縫識(shí)別及跟蹤系統(tǒng)。目前國內(nèi)較先進(jìn)的控制技術(shù)為視覺傳感拍照及激光跟蹤，即在系統(tǒng)內(nèi)安裝輔助光源及攝像設(shè)備，全方位采集工件姿態(tài)信息，將采集信息傳輸至系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和計(jì)算，以準(zhǔn)確判斷焊縫位置，有效降低裝配誤差。焊接過程中，激光跟蹤系統(tǒng)可結(jié)合實(shí)際焊接情況對(duì)焊道做實(shí)時(shí)調(diào)整，確保其與焊縫中心相對(duì)正，省去人工糾偏的麻煩。

2.1.2 數(shù)控型鋼下料技術(shù)

機(jī)械設(shè)備制造中多將數(shù)控切割技術(shù)用于板材切割上，板材切割自動(dòng)化程度已經(jīng)發(fā)展至一定水平，但該技術(shù)在型鋼切割中的利用在近年來才開始。數(shù)控型鋼下料系統(tǒng)多采用龍門式，包括機(jī)床、電氣、控制軟件等結(jié)構(gòu)。其中，機(jī)床由等離子發(fā)射器、切割系統(tǒng)、槍嘴、上料及下料模塊、運(yùn)輸模塊、軌道、減速器等構(gòu)成，槍嘴為五軸聯(lián)動(dòng)，可全方位回轉(zhuǎn)，以適應(yīng)各種切割角度，滿足多種尺寸的型鋼切割要求；上料及下料模塊為自動(dòng)控制，使用吊車將型鋼材料運(yùn)輸至指定位置即可自動(dòng)完成上料和下料作業(yè)，該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠有效縮小模塊占地面積，同時(shí)無須反復(fù)操作吊車，生產(chǎn)流暢性較高。

型鋼切割過程橫向切口與立向切口采用不同的工藝參數(shù)，起弧點(diǎn)、切割順序等均存在一定差異，來自不同生產(chǎn)企業(yè)、不同品牌的下料系統(tǒng)，其切割效果也不相同。數(shù)控等離子型鋼自動(dòng)下料系統(tǒng)將三維技術(shù)與等離子切割技術(shù)有機(jī)融合，可實(shí)現(xiàn)型鋼切割的數(shù)字化控制，將原本手工切割的方式過渡為自動(dòng)切割?，F(xiàn)階段我國不少鉆采設(shè)備制造企業(yè)均引進(jìn)該技術(shù)，可確保切口質(zhì)量、生產(chǎn)精度更高的設(shè)備構(gòu)件。例如在帶角度斜口切割中，其精度可達(dá)到0.5°。另外，數(shù)控等離子型鋼自動(dòng)下料系統(tǒng)的應(yīng)用使得型鋼切割進(jìn)入流水線作業(yè)，大大降低了人工作業(yè)的壓力，實(shí)現(xiàn)劃線、切割、清理的一體化，幫助企業(yè)提高鉆采設(shè)備生產(chǎn)效率。

2.1.3 厚板激光切割技術(shù)

激光技術(shù)發(fā)展成熟使其有關(guān)設(shè)備造價(jià)大幅度下降，降低了企業(yè)引入激光技術(shù)的經(jīng)濟(jì)門檻，使得該技術(shù)被用于厚板切割當(dāng)中。數(shù)控激光厚板下料系統(tǒng)也多為龍門式結(jié)構(gòu)，包括激光發(fā)射器、機(jī)械行走、控制軟件三個(gè)部分。厚板切割使用的激光發(fā)射器主要為二氧化碳激光器和半導(dǎo)體激光器。其中，二氧化碳激光器的體積和自重較大，切割過程激光器隨機(jī)床一起運(yùn)動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)線機(jī)架和導(dǎo)軌性能要求較高。該系統(tǒng)雖然需占用較大空間，但因生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)，在生產(chǎn)批量較大且加工精度要求不高的制造企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

鉆采設(shè)備制造過程中，企業(yè)可依照板厚選擇適當(dāng)功率的激光發(fā)射器，進(jìn)而在確保加工質(zhì)量的同時(shí)，合理節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

2.2 應(yīng)用流程

2.2.1 智能控制

對(duì)焊接全過程做智能化控制是焊接自動(dòng)化技術(shù)的基本功能。數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)、智能控制技術(shù)的快速發(fā)展實(shí)現(xiàn)了鉆采設(shè)備焊接過程的智能控制。焊接過程中，在系統(tǒng)控制面板輸入操作指令，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)完成工藝參數(shù)計(jì)算、配置等操作，以對(duì)焊接全過程做智能化跟蹤。目前智能控制面臨的主要問題為控制精度，需要做進(jìn)一步的研究。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

鉆采設(shè)備焊接作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣，以往焊接操作采用人工方式進(jìn)行，容易給作業(yè)人員人身健康造成較大影響。采用焊接自動(dòng)化技術(shù)后，人工操作的環(huán)節(jié)和時(shí)間被大量壓縮，可降低相關(guān)人員工作負(fù)荷，通過控制面板及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即可對(duì)焊接過程做遠(yuǎn)程控制和跟蹤。另外，焊接設(shè)備檢修維護(hù)也可在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輔助下進(jìn)行，實(shí)時(shí)獲取焊接設(shè)備運(yùn)行參數(shù)信息，利用自動(dòng)診斷技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常，并發(fā)出報(bào)警提示，運(yùn)維管理人員依照提示即可快速、準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)并開展維修作業(yè)，以免影響鉆進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)效率。

2.2.3 過程控制

焊接自動(dòng)化技術(shù)在石油鉆井設(shè)備制造領(lǐng)域的應(yīng)用可顯著提高企業(yè)生產(chǎn)效率，使產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)確保焊接操作過程的安全、穩(wěn)定。利用自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的集成化控制，精確把握焊接工藝參數(shù)。操作人員借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)焊接設(shè)備做數(shù)字化控制，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為具體的工藝指令傳輸至焊接設(shè)備，由焊接設(shè)備執(zhí)行有關(guān)指令，以確保焊接過程的規(guī)范性。

2.2.4 技術(shù)融合

焊接自動(dòng)化已成為石油鉆采設(shè)備制造必然的發(fā)展趨勢(shì)，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步完善，應(yīng)將傳統(tǒng)焊接技術(shù)與現(xiàn)代工程技術(shù)有機(jī)融合，構(gòu)建柔性的焊接體系，以滿足多樣化的工件焊接需求，提高石油鉆采設(shè)備生產(chǎn)的自動(dòng)化程度和技術(shù)水平。

2.3 優(yōu)化措施

（1）石油鉆采設(shè)備焊接自動(dòng)化存在如下技術(shù)難題：

① 因構(gòu)件體積和自重較大，存在移動(dòng)不便的問題。

② 焊接過程尋縫難度較高。

③ 若焊接機(jī)器人位置固定，其工作空間即受到嚴(yán)格限制，因此在靈活性上要低于人工焊接方式。

④ 石油鉆采設(shè)備制造中使用的板材厚度較大，部分構(gòu)件需進(jìn)行多道焊接，因坡口填充量較大，在焊接過程中會(huì)釋放更多熱量，易引發(fā)構(gòu)件變形問題。

⑤ 若構(gòu)件發(fā)生形變，會(huì)導(dǎo)致焊槍偏離系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最佳軌跡，導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降，此時(shí)就需要進(jìn)行軌跡糾偏。在人工焊接過程，軌跡糾偏可通過實(shí)時(shí)關(guān)注焊槍位置完成，而在自動(dòng)化焊接過程中，想要對(duì)焊接軌跡做有效跟蹤非常困難。

（2）為提高焊接自動(dòng)化技術(shù)在石油鉆采設(shè)備制造中的應(yīng)用成效，給出如下技術(shù)優(yōu)化措施：

① 針對(duì)鉆采設(shè)備構(gòu)件移動(dòng)不便、焊接機(jī)器人運(yùn)行空間限制較大的問題，可將構(gòu)件固定，改變焊接機(jī)器人位置完成焊接。例如，將焊接機(jī)器人固定在導(dǎo)軌式分體C型走架上，調(diào)節(jié)機(jī)器人與構(gòu)件的相對(duì)位置完成焊接作業(yè)。

② 實(shí)際工作中，工件位置很難絕對(duì)固定，在發(fā)生位置變化后重新編寫自動(dòng)控制程序也不現(xiàn)實(shí)，該問題可通過機(jī)器人接觸尋縫技術(shù)來解決。通過接觸式傳感器，使機(jī)器人自動(dòng)定位焊縫位置，在確定焊縫位置后，利用PR位置寄存器運(yùn)算出機(jī)器人運(yùn)行程序。在確定焊縫起點(diǎn)時(shí)，焊機(jī)向焊絲端部傳遞直流電壓信號(hào)，焊絲與構(gòu)件接觸后給出電流反饋并傳輸回電機(jī)，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)機(jī)器人實(shí)時(shí)TCP位置，以簡化運(yùn)算過程，精確定位焊縫起點(diǎn)。

③ 針對(duì)機(jī)器人焊接靈活性不足的問題，存在兩種優(yōu)化方案。

調(diào)節(jié)焊槍角度，例如當(dāng)焊槍因結(jié)構(gòu)受限偏離原本的坡口平分線位置時(shí)，更換大角度焊槍，以使焊槍逼近平分線；

調(diào)節(jié)焊槍長度，例如在內(nèi)部焊縫焊接時(shí)，焊槍槍頸過短導(dǎo)致其很難探入焊縫所在位置，且后部大體積結(jié)構(gòu)也會(huì)給焊槍在結(jié)構(gòu)內(nèi)部姿態(tài)調(diào)整造成較大阻礙，此時(shí)可更換長頸焊槍，以提高自動(dòng)化焊接的可達(dá)性。

④ 鉆采設(shè)備工件多層多道焊接過程中容易出現(xiàn)焊接變形，此時(shí)可選擇能量密度更高、熱輸入水平更低的焊接方式，如熔化極氣體保護(hù)焊完成焊接作業(yè)。坡口金屬填充量過大的問題可通過適當(dāng)降低坡口角度和間隙的方式解決。另外，在環(huán)縫焊接中，可啟用2臺(tái)焊接機(jī)器人，采用對(duì)稱的方式進(jìn)行焊接。經(jīng)對(duì)比分析，該焊接方式所需的電流幅值較小，焊接速度快，可有效控制放熱現(xiàn)象，防止構(gòu)件變形。

2.4 質(zhì)量控制

（1）鉆采設(shè)備焊接多采用埋弧自動(dòng)焊接工藝，過程中為避免埋弧焊將板材直接打透，可采用手工焊接與自動(dòng)焊接相結(jié)合的方式，以手工焊接進(jìn)行打底。同時(shí)，徹底清理坡口位置及兩側(cè)的雜質(zhì)，避免污染物影響焊接質(zhì)量，作業(yè)面清潔干燥后，可開展正式的焊接作業(yè)。

（2）焊接過程的焊縫控制可分段進(jìn)行，確保各段長度合理，在模塊焊接作業(yè)完畢后，及時(shí)檢查工件形變情況，確保達(dá)到有關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求。

（3）在立焊作業(yè)中，可選用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝，采用從下到上的焊接順序，過程中需在目標(biāo)板材的反面設(shè)置水冷銅作為襯墊。

（4）為有效控制焊接過程放熱，可采用分層焊接的方式，以在提高作業(yè)效率的同時(shí)，確保焊接質(zhì)量。

3 結(jié)束語

綜上所述，焊接自動(dòng)化技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用極大提高了石油鉆采設(shè)備制造的自動(dòng)化水平，為此在技術(shù)實(shí)踐過程中，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)焊縫跟蹤、軌跡糾偏的技術(shù)研究，并結(jié)合具體作業(yè)情況，制定技術(shù)優(yōu)化及質(zhì)量管理方案，確保焊接自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮。