長(zhǎng)輸油氣管道焊接機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

尹鐵 ，趙弘，張倩，吳婷婷，周倫 ，王新升

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249

2 中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，廊坊 065000

0 引言

隨著石油天然氣﹑核能等清潔能源需求的快速增長(zhǎng)，對(duì)能源裝備用鋼材和焊接工藝均提出了較高的要求。與常用的金屬結(jié)構(gòu)件焊接機(jī)器人不同，石油化工管道在石油化工裝置中作為輸送物料的特種裝備，由于輸送介質(zhì)具有易燃易爆﹑高溫﹑高壓﹑腐蝕﹑深冷等特點(diǎn)，許多工作需要在環(huán)境條件比較惡劣的野外現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)中完成，因此，在特定的施工工況下作業(yè)，管道焊接機(jī)器人具有自身的特點(diǎn)。

1 技術(shù)發(fā)展背景

長(zhǎng)輸油氣管道輸送介質(zhì)壓力高﹑易燃易爆，一旦發(fā)生泄漏將形成嚴(yán)重的后果。例如2017 年7 月2 日和2018 年6 月10 日發(fā)生在貴州晴隆的兩起天然氣管道泄漏爆燃事故均是由于管道環(huán)焊縫失效引起。因此，環(huán)焊縫焊接作為管道現(xiàn)場(chǎng)施工的重要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量對(duì)于保障管道安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。隨著鋼級(jí)﹑壁厚﹑輸送壓力的不斷提高，為獲得良好的強(qiáng)韌匹配的焊接接頭的難度越來(lái)越大，手工焊﹑半自動(dòng)焊等焊接方式因質(zhì)量受人為影響大﹑焊接效率低﹑一次焊接合格率低﹑焊接缺陷多﹑工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，已無(wú)法滿足管道現(xiàn)場(chǎng)焊接的實(shí)際需求。性能更為優(yōu)越﹑質(zhì)量更有保證的先進(jìn)焊接技術(shù)與裝備成為現(xiàn)代化﹑高效化的工程建設(shè)之亟需，管道焊接機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。

管道焊接機(jī)器人是一種能夠在空間狀態(tài)下按照一定運(yùn)動(dòng)姿態(tài)高精度地移動(dòng)焊槍沿著焊縫進(jìn)行焊接作業(yè)，并能實(shí)現(xiàn)最佳的焊接參數(shù)和焊接運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。憑借其焊接熱入量小﹑環(huán)焊接頭力學(xué)性能穩(wěn)定﹑自動(dòng)化程度高﹑可以最大限度的減少人為因素影響等優(yōu)勢(shì)，目前已成為高鋼級(jí)﹑大口徑管道焊接施工主要焊接方式[1]。管道焊接機(jī)器人的推廣應(yīng)用，可以大幅提高長(zhǎng)輸管道焊接質(zhì)量與焊接效率，保障管道運(yùn)營(yíng)安全﹑提高管道使用壽命；同時(shí)，可有效提升施工企業(yè)的綜合施工能力及核心競(jìng)爭(zhēng)力，引領(lǐng)石油化工和城市管道的焊接技術(shù)變革。

2 技術(shù)發(fā)展歷程

焊接機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中占總工業(yè)機(jī)器人45%以上，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定﹑生產(chǎn)效率高﹑自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前實(shí)現(xiàn)制造業(yè)自動(dòng)化的重要技術(shù)手段。如同工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程，管道焊接機(jī)器人也相似地經(jīng)歷了以下3 個(gè)發(fā)展階段[2-5]。

第一代“示教—再現(xiàn)”管道焊接機(jī)器人。主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)(焊接小車(chē)和軌道)﹑焊接控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)(控制面板和手持操控盒)組成，這類(lèi)機(jī)器人操作不需要建立環(huán)境模型，只需由工程師操作完成指定的動(dòng)作或通過(guò)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成設(shè)定的各個(gè)動(dòng)作。示教時(shí)可重復(fù)執(zhí)行指令動(dòng)作，還可修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤差。第一代機(jī)器人不具備對(duì)外界信息進(jìn)行反饋的能力，對(duì)環(huán)境變化無(wú)法適應(yīng)。在焊接過(guò)程中對(duì)管道坡口的制備及對(duì)接要求很高，當(dāng)內(nèi)壁錯(cuò)邊量或坡口寬度發(fā)生較大變化時(shí)，需要人工通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)。目前，這類(lèi)管道焊接機(jī)器人由于設(shè)備本身穩(wěn)定可靠﹑耐用，仍然在工程中得到應(yīng)用，如圖1 所示，上世紀(jì)90 年代由中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院自主研發(fā)的PAW2000 型管道焊接機(jī)器人。

圖1 PAW2000 型管道焊接機(jī)器人Fig. 1 PAW2000 pipeline welding robot

第二代具有感知功能的管道焊接機(jī)器人。這類(lèi)機(jī)器人具備電信號(hào)﹑視覺(jué)等傳感功能。在焊接過(guò)程中，將糾偏與示教相結(jié)合，根據(jù)激光或電流﹑電壓等傳感器獲得的反饋信號(hào)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)整焊槍運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤[6]。如采用電流﹑電壓等電信號(hào)傳感器對(duì)焊接過(guò)程中坡口尺寸發(fā)生變化產(chǎn)生的電弧電壓和焊接電流實(shí)施反饋，通過(guò)控制自動(dòng)調(diào)整以保證坡口側(cè)壁的融合。圖2 所示為美國(guó)CRC-EVANS公司開(kāi)發(fā)P625 型管道焊接機(jī)器人，利用電流電壓傳感技術(shù)在高焊速下完成焊槍水平和垂直方向跟蹤的應(yīng)用[7]。

第三代是智能型管道焊接機(jī)器人。不僅可以集成多種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)外部復(fù)雜環(huán)境變化的適應(yīng)性，而且還能夠自主實(shí)現(xiàn)規(guī)劃決策和預(yù)定目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，以完成更復(fù)雜的焊接任務(wù)。如：通過(guò)對(duì)管端坡口形狀﹑尺寸﹑對(duì)口間隙等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集﹑整理﹑判斷，自主進(jìn)行焊接填充策略規(guī)劃和焊接工藝參數(shù)的自動(dòng)匹配。很顯然，這對(duì)鋼管坡口的制備精度要求可以大幅降低，焊接過(guò)程中還可以通過(guò)多種傳感信號(hào)的采集進(jìn)行焊接質(zhì)量監(jiān)控，當(dāng)機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)同時(shí)具有自我診斷﹑自我處理的功能，目前該類(lèi)管道機(jī)器人尚在技術(shù)攻關(guān)階段，未見(jiàn)應(yīng)用報(bào)道。

3 技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

20 世紀(jì)60 年代末，美國(guó)CRC-Evans公司率先將管道全位置焊接機(jī)器人應(yīng)用于長(zhǎng)輸油氣管道施工[8-9]。隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，德國(guó)VIETZ﹑英國(guó)NOREAST﹑法國(guó)SERIMAX[10]等公司也相繼開(kāi)展研發(fā)和應(yīng)用，并擁有較為先進(jìn)的技術(shù)水平。截止目前，美國(guó)CRC-Evans公司作為油氣管道焊接機(jī)器人技術(shù)研發(fā)的引領(lǐng)者，已在全球范圍內(nèi)焊接管道里程達(dá)9.6 萬(wàn)km[7]。

圖2 美國(guó)CRC- EVANS公司的P625 型管道焊接機(jī)器人[7]Fig. 2 CRC- EVANS P625 pipeline welding robot[7]

1992 年，中國(guó)石油管道局開(kāi)始管道焊接機(jī)器人自主研發(fā)，并于1998 年12 月在鄭州義馬煤氣管道取得應(yīng)用。同時(shí)，為引進(jìn)消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，我國(guó)自1999年從英國(guó)引進(jìn)NOREAST管道自動(dòng)焊接機(jī)器人，同年11 月，應(yīng)用于港京輸氣管道[11]。歷經(jīng)西氣東輸﹑中俄東線等石油天然氣管道建設(shè)的應(yīng)用，管道焊接機(jī)器人在國(guó)內(nèi)工程建設(shè)中占比越來(lái)越重，如表1，圖3 所示。目前，自動(dòng)焊已成為高鋼級(jí)﹑大口徑管道焊接施工主要焊接方法，正在建設(shè)中的中俄東線(中段)天然氣工程﹑唐山LNG天然氣工程使用管道焊接機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊作業(yè)的比例更是接近100%。

圖3 管道機(jī)器人焊接工程應(yīng)用比例Fig. 3 Pipeline welding robot application ratio in engineering

3.2 設(shè)備及工藝

隨著長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)用鋼管強(qiáng)度等級(jí)提高至X70﹑X80 級(jí)別，管徑和壁厚的增大，管道施工管線通常采用U型坡口或復(fù)合型坡口，管道內(nèi)焊接機(jī)器人打底焊接，外焊接機(jī)器人進(jìn)行熱焊﹑填充和蓋面焊接的工藝進(jìn)行規(guī)模性流水作業(yè)。

3.2.1 管道內(nèi)焊接機(jī)器人

管道內(nèi)焊接機(jī)器人主要完成管道根焊工序，圖4為中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院研制的CPP900-IW系列管道內(nèi)焊機(jī)器人。國(guó)內(nèi)外研制的管道內(nèi)焊接機(jī)器人從外部結(jié)構(gòu)到工作原理﹑技術(shù)性能均基本相同。設(shè)備根據(jù)管徑的不同，沿圓周分布4～8 個(gè)焊接單元，整個(gè)焊接過(guò)程采用對(duì)稱分步的焊接方式，即焊接單元先完成順時(shí)針?lè)较蚝附樱氐狡鹗嘉恢煤笤偻瓿赡鏁r(shí)針?lè)较蚝附?。每個(gè)焊接單元按照程序預(yù)設(shè)好的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行焊接，根焊效率高，以Ф1219 管徑為例，完成一道根焊只需90 秒，而且焊縫成型一致性好。

管道內(nèi)焊機(jī)器人為定管徑專(zhuān)用設(shè)備，不同管徑需要匹配相應(yīng)尺寸的設(shè)備。在適用管徑尺寸方面，最大可應(yīng)用至Ф1422 管徑，最小到Ф610 管徑。從技術(shù)的重復(fù)研發(fā)和應(yīng)用成本方面考慮，這無(wú)疑將造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。今后，突破管徑定型﹑管徑物理空間等因素制約，研制跨管徑或適用于中小管徑的內(nèi)焊接機(jī)器人將是下一步重點(diǎn)研究方向。

圖4 管道內(nèi)焊接機(jī)器人Fig. 4 Pipeline internal welding robot

表1 近年主要工程管道焊接機(jī)器人使用情況Table 1 Application of pipeline welding robot in recent years

3.2.2 管道外焊接機(jī)器人

管道焊接有別于其他金屬結(jié)構(gòu)件焊接形式，管道全位置焊接涵蓋了平焊﹑立焊﹑仰焊全部特征。為減少焊接接頭的產(chǎn)生需采用連續(xù)施焊，且不能使用點(diǎn)焊固定和防變形工裝。受坡口制備精度﹑組對(duì)精度以及局部加熱熔化和冷卻變形產(chǎn)生的影響，焊縫的軌跡在焊接過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化。手工焊或者半自動(dòng)焊時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的焊工可以根據(jù)焊縫的變化和空間位置變化進(jìn)行焊槍姿態(tài)﹑焊接速度等參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。而管道外焊機(jī)器人要適應(yīng)這種變化，必須具備像人一樣的感知，然后做出相應(yīng)改變。空間位置的改變通過(guò)安裝在機(jī)器人本體上的角度傳感器進(jìn)行位置反饋[12-13]，使用DSP﹑FPGA或ARM等芯片對(duì)焊接機(jī)器人的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制[14]，控制精度可以達(dá)到1 μs，故誤差精度δ為10-6s。此外，機(jī)器人根據(jù)空間位置的不同可以進(jìn)行焊接速度﹑送絲速度﹑焊接電流等參數(shù)的調(diào)整，以滿足實(shí)際焊接需要。

受管道自身施工特點(diǎn)的影響，長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)一般采用流水作業(yè)施工。焊接作業(yè)時(shí)將管道外焊接機(jī)器人置于防風(fēng)棚內(nèi)，為焊接過(guò)程提供一個(gè)相對(duì)密閉的空間，如圖5 所示。管道外焊接機(jī)器人由焊接電源﹑送絲系統(tǒng)﹑機(jī)器人本體﹑控制系統(tǒng)組成，其中機(jī)器人本體安裝有一個(gè)焊炬或兩個(gè)焊炬。焊接操作時(shí)將機(jī)器人分別置于管道的左右兩側(cè)，焊炬從管道的12 點(diǎn)或6點(diǎn)位置自上而下或自下而上進(jìn)行全位置焊接，如圖6所示。其中，單焊炬外焊機(jī)器人一般采用直流短路過(guò)渡(GMAW)，焊炬擺動(dòng)方式分別為平擺和角擺，其對(duì)焊接操作工的要求較低；雙焊炬外焊接機(jī)器人采用脈沖直流噴射過(guò)渡(PGMW)，擺動(dòng)方式為平擺，焊接效率是單焊炬機(jī)器人的1.5 倍，對(duì)焊接操作工的要求比單焊炬更為嚴(yán)格。 目前工程在用的單/雙焊炬機(jī)器人均適用管徑323～1422 mm，壁厚30.8 mm以內(nèi)的管道焊接，控制系統(tǒng)大都具備遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸﹑存儲(chǔ)和焊縫跟蹤等具有第二代管道焊接機(jī)器人特征的功能。美國(guó)CRC-EVENS的管道外焊接機(jī)器人除此之外，還具有自診斷﹑衛(wèi)星定位等功能，技術(shù)性更為先進(jìn)。

圖5 長(zhǎng)輸管道焊接機(jī)器人流水作業(yè)Fig. 5 The mechanized current operation of welding robot for pipeline

3.3 幾種先進(jìn)管道焊接機(jī)器人

為了研制更為高效﹑先進(jìn)的管道焊接機(jī)器人，國(guó)內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)多年來(lái)從未間斷技術(shù)探索和工程應(yīng)用的步伐。

3.3.1 多焊炬管道焊接機(jī)器人

多焊炬管道焊接機(jī)器人采用全自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)多個(gè)焊炬同時(shí)工作。系統(tǒng)采用液壓﹑機(jī)械聯(lián)合定位﹑旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式。其中焊接部分采用彈性轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，可提高管徑適應(yīng)性，焊接操作配備多點(diǎn)焊縫跟蹤系統(tǒng)，確保焊縫質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高效焊接，較適用于海洋油氣管道鋪設(shè)，機(jī)器人工位固定，鋼管流水的焊接作業(yè)方式。該類(lèi)型焊接機(jī)器人以八焊炬為例，8 套焊接單元同時(shí)焊接，每套焊接單元需要4 臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再有旋轉(zhuǎn)大盤(pán)驅(qū)動(dòng)行走及焊縫跟蹤控制，整個(gè)系統(tǒng)至少需要控制36 臺(tái)電機(jī)，因此多焊炬運(yùn)動(dòng)控制是關(guān)鍵也是難點(diǎn)，不僅要高度集成運(yùn)動(dòng)控制，還需要與焊縫自動(dòng)跟蹤﹑焊炬自主尋位﹑以及焊接電源的數(shù)據(jù)進(jìn)行高度融合。張鋒﹑苗新剛[15-16]等人研制的一種基EtherCAT的多焊炬管道全位置自動(dòng)焊運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證能夠完成管道焊接。從技術(shù)成熟應(yīng)用角度來(lái)講，還應(yīng)在多焊炬同步引弧﹑焊接過(guò)程分段時(shí)變參數(shù)以及焊縫變位置搭接方面進(jìn)行技術(shù)再完善。

圖6 機(jī)器人焊接過(guò)程Fig. 6 Welding process of robot

法國(guó)SERIMAX公司研制成功的四頭雙炬焊接機(jī)器人[17](見(jiàn)圖7)，采用左右對(duì)稱分布布局，每側(cè)2 個(gè)焊接單元，每個(gè)焊接單元上安置2 個(gè)焊炬，適應(yīng)于管徑36″～48″的近海油氣管線鋪設(shè)。焊接過(guò)程中，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)8 個(gè)焊炬同時(shí)工作，每個(gè)焊接單元分管圓周的1/4，左側(cè)與右側(cè)的兩個(gè)焊炬進(jìn)行向下焊作業(yè)。系統(tǒng)采用往復(fù)旋轉(zhuǎn)定位和焊縫跟蹤技術(shù)，并采用焊接專(zhuān)家系統(tǒng)控制焊接過(guò)程和復(fù)雜的焊接工藝參數(shù)，與現(xiàn)有的單/雙焊炬焊接機(jī)器人相比，可提高焊接效率50%以上。該機(jī)器人在英格蘭藍(lán)格勒的1200 km海底管線中進(jìn)行了應(yīng)用，每道焊口僅需6 min，展現(xiàn)了很高的焊接施工效率。

此外，美國(guó)J.Ray Mcdermott公司研制的6 焊炬JAWS焊接系統(tǒng)，每個(gè)JAWS焊接系統(tǒng)有14 個(gè)伺服軸，系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制﹑過(guò)程控制以及焊接電源的實(shí)時(shí)協(xié)同控制，配備激光焊縫跟蹤完成管道全位置自動(dòng)焊[18]。

3.3.2 激光—電弧復(fù)合焊接機(jī)器人

圖7 八焊矩自動(dòng)外焊接機(jī)器人[17]Fig. 7 Eight torches automatic external welding machine[17]

激光—電弧復(fù)合焊技術(shù)是目前焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)焊接工藝相比，激光—電弧復(fù)合焊兼具了激光焊焊速快﹑熔透性好﹑可以無(wú)坡口焊接等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又彌補(bǔ)了電弧焊熔深不足的問(wèn)題，具有能量密度高﹑熱輸入量小﹑焊縫深寬比大﹑變形小等特點(diǎn)[19-20]。與激光焊相比，激光—電弧復(fù)合焊焊縫橋接能力增強(qiáng)，焊接前對(duì)管道坡口的制備精度和組對(duì)精度要求降低，對(duì)錯(cuò)邊誤差的適應(yīng)能力增強(qiáng)。焊接冷卻速度下降﹑焊縫硬度降低﹑焊縫金屬韌性得到有效改善[21]。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了一些關(guān)于光纖激光—電弧復(fù)合焊管道全位置焊接的技術(shù)研究，德國(guó)焊接教育與培訓(xùn)研究所國(guó)際有限公司哈勒研發(fā)部設(shè)計(jì)具有多自由度的復(fù)合焊執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與10 kW光纖固體激光器配合，通過(guò)弧形引導(dǎo)機(jī)構(gòu)和焊槍夾持機(jī)構(gòu)調(diào)整激光和電弧間的距離和位置，達(dá)到最優(yōu)兩者間的最優(yōu)組合，在管口最對(duì)間隙和錯(cuò)變量較大的情況下，可以焊出鈍邊為8 mm的高質(zhì)量根焊焊口，其試驗(yàn)結(jié)果為管道激光—電弧復(fù)合焊接的適應(yīng)性和全位置工藝參數(shù)的選擇提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)[22-25]。S.GOOK 等[26]采用激光—電弧復(fù)合焊系統(tǒng)焊接 X80 及 X120 管線鋼，試驗(yàn)表明顯微硬度值﹑低溫沖擊韌性﹑接頭抗拉強(qiáng)度均滿足要求。中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院研發(fā)的激光—電弧復(fù)合焊接機(jī)器人(見(jiàn)圖8)，主要由焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)(焊接小車(chē)﹑導(dǎo)向軌道﹑復(fù)合焊炬)﹑智能控制系統(tǒng)﹑激光發(fā)生器等組成，智能控制系統(tǒng)根據(jù)不同空間位置實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激光功率﹑焊接電流﹑焊接電壓﹑焊接速度等工藝參數(shù)，焊縫跟蹤控制系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用激光視覺(jué)傳感系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)光學(xué)原理獲取焊縫圖像信息，經(jīng)過(guò)圖像處理﹑擬合得到焊縫位置信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)糾正焊炬與焊縫中心偏差，系統(tǒng)協(xié)同配合完成管道全位置高效焊接，目前該機(jī)器人同樣能完成8 mm厚鈍邊的一次焊接成形。但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，激光—電弧復(fù)合焊根焊過(guò)程中仰焊位置容易出現(xiàn)內(nèi)凹，魏強(qiáng)[27]等人針對(duì)X70 管線鋼建模并仿真激光—弧焊全位置復(fù)合焊接過(guò)程，通過(guò)有限元分析得出270°和90°位置敏感度大，容易形成焊漏或者焊塌現(xiàn)象，也進(jìn)一步印證了該位置容易產(chǎn)生缺陷。

該技術(shù)距離工程應(yīng)用還需要進(jìn)一步的技術(shù)攻關(guān)。一方面通過(guò)研究離焦量﹑光—絲間距等焊接工藝參數(shù)間的關(guān)系，解決焊接接頭的內(nèi)部缺陷和仰焊位置的內(nèi)凹缺陷；另一方面通過(guò)改善焊接小車(chē)行走穩(wěn)定性和激光光束的對(duì)中精度，提升現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況下機(jī)器人焊接系統(tǒng)的適用性和穩(wěn)定性將是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的主要研究工作[28]。

3.3.3 雙絲管道焊接機(jī)器人

在管道激光復(fù)合焊接技術(shù)成熟之前，串聯(lián)雙絲焊被認(rèn)為是最有效提高管道施工焊接效率的焊接方法之一。其中，德國(guó)CLOOS公司開(kāi)發(fā)的Tandem串聯(lián)雙絲焊接系統(tǒng)應(yīng)用較為成熟，系統(tǒng)具有兩個(gè)獨(dú)立的電源和送絲機(jī)構(gòu)，在焊接參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)可以獨(dú)立控制，保證了焊接熔池中焊絲與焊絲之間的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)移，以及焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定和焊接質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證實(shí)效率明顯提高。

圖8 激光—電弧復(fù)合管道焊接機(jī)器人[28]Fig. 8 Laser-arc hybrid welding robot for pipeline[28]

雙絲管道焊接機(jī)器人結(jié)合雙絲焊接技術(shù)，主要由焊接小車(chē)﹑軌道﹑雙絲焊炬﹑雙絲協(xié)同控制系統(tǒng)﹑專(zhuān)家焊接系統(tǒng)等組成，雙絲焊將兩根焊絲按一定的角度前后排列放在一個(gè)焊炬里，兩根焊絲分別由各自的電源獨(dú)立供電，相互絕緣，送絲速度及其它所有的參數(shù)都彼此獨(dú)立，兩根焊絲的直徑﹑通過(guò)送絲協(xié)同裝置合理的控制電弧，在保證每個(gè)電弧穩(wěn)定燃燒的前提下，將兩個(gè)電弧的相互干擾降到最低。雙絲焊焊接時(shí)，前絲焊接電流較大，有利于形成較大的熔深，后絲電流稍小，兩根焊絲互為加熱，充分利用電弧的能量，實(shí)現(xiàn)較大的熔敷率，使熔池里有充足的熔融金屬和母材充分熔合，焊縫成形美觀。由于存在前后兩個(gè)電弧，熔池的幾何尺寸加長(zhǎng)，熔池中的氣體有充足的時(shí)間析出，氣孔傾向極低。該技術(shù)與常見(jiàn)的單絲熔化氣體保護(hù)焊相比，飛濺小﹑熔敷率高﹑焊接速度和質(zhì)量更高[29-32]。

美國(guó)CRC-Evans﹑法國(guó)SERIMAX﹑韓國(guó)現(xiàn)代重工以及加拿大的RMS公司作為系統(tǒng)集成商已將串列雙絲系統(tǒng)集成在管道焊接設(shè)備中[33-35]。其中，美國(guó)CRC-Evans研制的P-450 Tandem雙焊炬雙絲焊(圖9)配備奧地利Fronius公司Time-Twin Digital 4000/5000焊接電源，已應(yīng)用于Stittsville Loop項(xiàng)目[36]。法國(guó)SERIMAX生產(chǎn)的SATURNAX雙絲焊接系統(tǒng)，配備米勒電源應(yīng)用于哥倫比亞Spadeadam項(xiàng)目﹑中國(guó)的荔灣3-1 海底管線(管徑Φ762 mm，壁厚30.2 mm)，焊接效率高，焊縫質(zhì)量好，返修率低，對(duì)于大口徑﹑大壁厚管道而言，焊接優(yōu)勢(shì)非常明顯[37-38]。加拿大郵政公司的RMS MOW II型單矩雙絲管道全位置焊接機(jī)器人集成了Lincoln公司的Tandem MIG Power Wave 455M Robotic系列焊接電源，采用脈沖熔化極氣體保護(hù)焊方式[39]。中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院于2011 年也開(kāi)發(fā)了單焊炬雙絲焊焊接機(jī)器人，如圖10﹑圖11 所示[40]，采用PC+DSP可編程運(yùn)動(dòng)控制器的控制模式，進(jìn)行窄間隙U型坡口，內(nèi)焊機(jī)根焊﹑雙絲焊填充﹑蓋面焊接試驗(yàn)，獲得了高質(zhì)量焊口。以上實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用證明，雙絲管道焊接機(jī)器人結(jié)合雙絲焊接技術(shù)已具備規(guī)模推廣應(yīng)用條件，應(yīng)結(jié)合野外工況的適用性進(jìn)行技術(shù)完善后，大力推廣使用。

圖9 P-450 雙焊炬雙絲管道焊接機(jī)器人[36]Fig. 9 P-450Dual-torches tandem automatic welding robot for pipeline[36]

3.3.4 攪拌摩擦焊機(jī)器人

攪拌摩擦焊(簡(jiǎn)稱FSW)是一種先進(jìn)的固相連接工藝，目前，利用FSW 技術(shù)已可以完成管線鋼的焊接，與傳統(tǒng)的熔化焊相比，接頭不會(huì)產(chǎn)生熔化焊過(guò)程中由于金屬凝固產(chǎn)生的裂紋﹑氣孔及合金元素的燒損等焊接缺陷，接頭強(qiáng)度高[41-42]；焊接無(wú)需坡口制備﹑填充材料﹑保護(hù)氣體等處理工作，操作環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單；焊接所需能量?jī)H為傳統(tǒng)焊接方法的20%左右，具有更高的能量效率；焊接過(guò)程中無(wú)弧光輻射﹑煙塵和飛濺，噪音低，施焊環(huán)境友好[43]。

圖10 單焊炬雙絲自動(dòng)焊接機(jī)器人[40]Fig. 10 Tandem automatic welding robot for pipeline[40]

美國(guó)與日本在管線鋼攪拌摩擦焊接方面的研究較領(lǐng)先，但其應(yīng)用遠(yuǎn)不如鋁鎂合金材質(zhì)。美國(guó)A.Ozekcin等人用攪拌摩擦焊焊接X(jué)80 鋼，焊縫晶粒組織比傳統(tǒng)熔焊小很多[44]。Hakan Aydin等人研究X80 鋼攪拌摩擦焊，分析了不同焊接熱輸入對(duì)組織的影響[45]。日本大阪大學(xué)Hidetoshi Fujii等人研究了不同碳含量的攪拌摩擦焊工藝[46]。

美國(guó)MEGASTIR公司一直致力于高熔點(diǎn)材料的FSW應(yīng)用開(kāi)發(fā)，該公司研制了配備強(qiáng)制冷卻裝置的多晶立方氮化硼PCBN攪拌頭[47]，與美國(guó)能源部合作成功開(kāi)發(fā)了用于油氣管道焊接的便攜式環(huán)形攪拌摩擦焊接機(jī)器人。設(shè)備攪拌頭組件環(huán)繞在管道圓周上，焊接時(shí)采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)頭，F(xiàn)SW攪拌頭在外側(cè)，同時(shí)可伸縮的心軸在管道內(nèi)部對(duì)焊縫背面進(jìn)行支撐，完成焊接。該設(shè)備2003 年應(yīng)用于X65﹑Ф305﹑13 mm壁厚管線鋼的焊接[48]，見(jiàn)圖12。美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的管道攪拌摩擦焊接項(xiàng)目致力于復(fù)合FSW技術(shù)和焊接系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，用于管道厚壁的多層多道焊，目前研究成果尚未公開(kāi)。國(guó)內(nèi)駱宗安[49]等人研制了油氣管道環(huán)焊縫攪拌摩擦焊機(jī)器人，系統(tǒng)主要由支撐系統(tǒng)﹑夾持系統(tǒng)﹑環(huán)形運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)﹑ 攪拌頭系統(tǒng)與退出孔消除系統(tǒng)組成，利用該設(shè)備可以快速﹑高效地完成X65 油氣管道攪拌摩擦焊接。

圖11 焊縫成形[40]Fig. 11 Weld formation of tandem welding[40]

目前，受限于FSW管道焊接壁厚和攪拌摩擦焊控制系統(tǒng)可靠性，F(xiàn)SW技術(shù)及裝備在油氣管道的工業(yè)化應(yīng)用還需要在以下幾方面重點(diǎn)研究：適用于管道厚壁焊接的攪拌頭設(shè)計(jì)﹑集成復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)(包括壓力測(cè)控﹑溫度測(cè)控﹑焊縫跟蹤等)的機(jī)器人攪拌摩擦焊機(jī)頭設(shè)計(jì)﹑集成多功能控制傳感的機(jī)器人攪拌摩擦焊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制攪拌頭溫度維持穩(wěn)定的同時(shí)，通過(guò)焊縫跟蹤的設(shè)計(jì)，提升焊接過(guò)程攪拌頭軸向壓力控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜焊接軌跡和姿態(tài)的精準(zhǔn)控制[50-51]。

4 存在的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

圖12 攪拌摩擦管道焊接機(jī)器人[48]Fig. 12 Friction stir welding(FSW) robot for pipeline[48]

雖然管道焊接技術(shù)在高效焊接工藝和焊接機(jī)器人的融合配合下，已經(jīng)在自動(dòng)化程度﹑焊接效率以及焊接質(zhì)量控制等方面取得了快速發(fā)展，但在工藝要求甚高的油氣工程實(shí)際應(yīng)用方面仍然存在一定的技術(shù)瓶頸，無(wú)法完全取代高技能技工，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 焊接運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃

管道現(xiàn)場(chǎng)施工中，管道經(jīng)常因外界溫度變化﹑運(yùn)輸和裝配等因素受到擠壓或變形，造成管口對(duì)口偏差且偏差都是隨機(jī)的，針對(duì)此種情況，焊工可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施焊情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整焊接運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃和選擇。而管道焊接機(jī)器人只能按照事先設(shè)定的焊接程序進(jìn)行焊接，一旦焊接外界條件發(fā)生如錯(cuò)邊量超標(biāo)﹑對(duì)口間隙不一致﹑熱變形﹑坡口形狀變化等偏差出現(xiàn)，將影響機(jī)器人精度，且偏差沒(méi)有穩(wěn)定的公式。因此，很難找到一種理想的方法來(lái)模擬實(shí)際被焊管道。

4.2 焊接過(guò)程中的焊縫跟蹤[52]

焊工操作僅隨著焊縫的走向就能施焊，即使在焊縫上留有預(yù)防焊接變形的點(diǎn)焊點(diǎn)固措施都不影響正常焊接。

管道焊接機(jī)器人通常采用視覺(jué)系統(tǒng)和電弧跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤，從經(jīng)濟(jì)性分析，視覺(jué)跟蹤需要系統(tǒng)額外配置激光器﹑基于 CMOS﹑基于 CCD等傳感器，無(wú)疑增加了設(shè)備體積﹑重量和固定成本投入。相較之下，采用電弧跟蹤僅依據(jù)焊接電弧自身的變化情況判斷焊炬偏差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單﹑可達(dá)性﹑實(shí)時(shí)性好，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，在長(zhǎng)輸油氣管道焊接中普遍應(yīng)用[53-55]。從技術(shù)可靠性分析，由于焊接過(guò)程中電弧狀態(tài)受強(qiáng)烈的弧光﹑電弧噪聲﹑焊接飛濺﹑煙塵﹑大電流引起的磁場(chǎng)變化以及熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定造成的焊絲短路等多重因素干擾，機(jī)器人要精確地提取和監(jiān)測(cè)焊縫跟蹤需要的電信號(hào)或視覺(jué)信號(hào)特征存在一定的困難。特別是在窄間隙大壁厚坡口多層多道焊時(shí)，視覺(jué)跟蹤不僅受上述因素干擾，還往往存在視覺(jué)盲區(qū)導(dǎo)致跟蹤效果欠佳。電弧跟蹤除了受電信號(hào)采集波動(dòng)之外，還容易受到坡口制備精度和對(duì)口精度的影響，易產(chǎn)生側(cè)壁未熔合缺陷。再者，由于管道實(shí)際焊接條件復(fù)雜，管件變形﹑下料誤差大(尤其是連頭碰死口)等問(wèn)題都有可能導(dǎo)致焊縫寬度的變化。焊縫的不規(guī)則變化更易出現(xiàn)缺陷，這就要求機(jī)器人必須能夠自適應(yīng)焊縫寬度的不規(guī)則變化，通過(guò)判斷焊縫的實(shí)際寬度，實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍的擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)頻率，提高機(jī)器人抗干擾能力。為此，需要通過(guò)提取焊縫寬度變化信息，建立自適應(yīng)算法控制模型，計(jì)算出焊縫變化后的擺動(dòng)參數(shù)反饋控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)焊槍進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，來(lái)提升機(jī)器人焊縫寬度自適應(yīng)能力[56]。

4.3 焊接質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)及缺陷預(yù)防

目前，管道焊接常見(jiàn)的缺陷如未熔合﹑氣孔﹑裂紋﹑焊漏等，更多的是通過(guò)力學(xué)性能﹑金相觀察試驗(yàn)﹑射線探傷﹑超聲波等方法進(jìn)行焊后檢驗(yàn)，對(duì)焊接的實(shí)際內(nèi)部過(guò)程無(wú)法真正了解，對(duì)出現(xiàn)焊接的缺陷原因難以查找。為此，國(guó)內(nèi)外積極開(kāi)展機(jī)器人在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)﹑檢測(cè)及缺陷預(yù)防研究。運(yùn)用電弧傳感技術(shù)采集電弧的電流﹑電壓﹑聲音﹑光譜以及溫度等信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行綜合判斷分析達(dá)到控制焊接質(zhì)量的目的。其中，利用光譜信號(hào)可以檢測(cè)熔池振蕩﹑熔滴過(guò)渡等[57-58]，電弧信號(hào)主要用在熔透控制﹑焊接缺陷監(jiān)測(cè)等方面[59-60]。

德國(guó)HKS公司研發(fā)的TPS(Thermo Prof il Scanner)焊縫成形溫感掃描系統(tǒng)，可以對(duì)焊縫溫感輪廓進(jìn)行測(cè)量，隨著熔池隨電弧不斷地移動(dòng)，通過(guò)生成完整的熱映圖像獲取信息，反映焊縫的質(zhì)量情況。該系統(tǒng)對(duì)焊縫熱能分布的可視化及參數(shù)化描述實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程質(zhì)量精準(zhǔn)﹑有效地控制，具體反映在：對(duì)焊縫位置﹑焊縫寬度﹑熱輸入的不對(duì)稱性﹑內(nèi)部氣孔及過(guò)熱裂紋﹑邊緣熔合問(wèn)題及熔深的波動(dòng)等缺陷進(jìn)行信息采集與分析，并且可以實(shí)現(xiàn)焊縫過(guò)程質(zhì)量的回放，便于焊后分析。目前該系統(tǒng)主要用于科學(xué)研究，在工程現(xiàn)場(chǎng)使用的焊接機(jī)器人尚未得到工業(yè)應(yīng)用。

圖13 安裝TPS系統(tǒng)的管道焊接機(jī)器人[61]Fig. 13 Welding robot for pipeline by installing TPS system[61]

4.4 特殊工況下管道焊接機(jī)器人適應(yīng)性

與工廠作業(yè)環(huán)境清潔﹑工位固定的機(jī)器人焊接方式不同，長(zhǎng)輸油氣管道流動(dòng)性施工，其作業(yè)點(diǎn)隨施工進(jìn)度而不斷的發(fā)生變化，對(duì)保證焊接質(zhì)量增加了難度。施工工況面臨著山區(qū)陡坡﹑水網(wǎng)﹑沙漠戈壁等地貌迥異的特殊環(huán)境，同時(shí)又要經(jīng)歷我國(guó)從東北地區(qū)的嚴(yán)寒到新疆地區(qū)的高溫考驗(yàn)。作業(yè)環(huán)境惡劣，對(duì)焊接機(jī)器人的重復(fù)性﹑穩(wěn)定性﹑外界環(huán)境溫度的適應(yīng)性均提出了高要求。同時(shí)，針對(duì)主體管道變壁厚﹑彎管﹑連頭碰死口﹑預(yù)制管﹑閥室站場(chǎng)等特殊場(chǎng)合的焊接作業(yè)，焊接機(jī)器人的適應(yīng)性明顯不足。

4.5 管道焊接機(jī)器人的專(zhuān)用焊接電源

管道焊接要求數(shù)字控制電源需具有較強(qiáng)的抗干擾性﹑起弧和收弧的精確控制功能以及故障自檢和自處理能力。而目前管道焊接機(jī)器人多采用通用型的數(shù)字焊接電源，針對(duì)管道特點(diǎn)的專(zhuān)用數(shù)字控制電源開(kāi)發(fā)較少，顯得“大材小用，面廣而不精”。管道焊接機(jī)器人配套焊接電源，國(guó)外進(jìn)口設(shè)備占主導(dǎo)地位，如奧地利FRONIUS公司的TPS/i系列電源，芬蘭KEMPPI公司FASTMIG X系列，這些高端數(shù)字電源適應(yīng)性廣，除了金屬焊接外還可以進(jìn)行鋁合金﹑鎂合金的焊接。其中，F(xiàn)RONIUS公司的TPS500i電源可以提供PMC—多功能脈沖焊工藝，既可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)弧長(zhǎng)脈沖電弧焊又可以實(shí)現(xiàn)短弧長(zhǎng)脈沖電弧。國(guó)內(nèi)的四川熊谷公司﹑山東奧太公司也在加快國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用步伐，部分管道焊接專(zhuān)用電源已在工程取得應(yīng)用。

5 發(fā)展趨勢(shì)

5.1 焊接路徑的自主規(guī)劃和自適應(yīng)焊縫跟蹤

針對(duì)多層多道焊的管道環(huán)焊縫焊接，采用視覺(jué)或觸覺(jué)傳感器對(duì)整條坡口和焊縫進(jìn)行掃描，對(duì)管道坡口形狀﹑坡口尺寸﹑已焊焊縫的特征點(diǎn)以及焊縫位置，包括焊縫長(zhǎng)度﹑寬度和方向等信息進(jìn)行提取，通過(guò)算法運(yùn)算，識(shí)別和分析。管道焊接機(jī)器人根據(jù)坡口和焊縫的識(shí)別分析結(jié)果，獲取焊接路徑點(diǎn)，包括每個(gè)點(diǎn)的機(jī)器人的位置坐標(biāo)以及焊槍的姿態(tài)，并進(jìn)行優(yōu)化，獲取更加理想的路徑點(diǎn)和焊槍姿態(tài)，并以此自主規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)管道環(huán)焊縫的柔性焊接規(guī)劃。

為最大限度降低管道變形﹑坡口制備精度以及工況不確定性等諸多因素影響，自適應(yīng)焊縫控制技術(shù)不僅需要精確的跟蹤焊縫軌跡，而且能夠根據(jù)工況實(shí)時(shí)的控制焊接過(guò)程的變量，實(shí)現(xiàn)焊縫高度﹑寬度的恒定。因此，開(kāi)發(fā)多種自適應(yīng)PID控制方法﹑模糊焊接控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或復(fù)合焊接控制等智能焊縫跟蹤控制方法，尋求適用于長(zhǎng)輸油氣管道環(huán)焊縫焊接條件和坡口類(lèi)型的智能焊縫跟蹤系統(tǒng)成為亟需。

5.2 焊接機(jī)器人遠(yuǎn)程故障診斷

管道焊接機(jī)器人在施工作業(yè)過(guò)程中采用多機(jī)協(xié)同作業(yè)，每一個(gè)焊接工作站負(fù)責(zé)一個(gè)1～2 個(gè)焊層的焊接，一個(gè)焊接工作站出現(xiàn)故障，將會(huì)直接影響到整體的流水焊接作業(yè)。出于安全考慮，管道焊接施工往往處于人口稀少﹑社會(huì)依托差的地區(qū)，對(duì)焊接機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)故障處理帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。為此，依托大量工程應(yīng)用積累﹑建立的焊接專(zhuān)家系統(tǒng)，對(duì)焊接機(jī)器人實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障實(shí)時(shí)診斷，建立起網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和故障處理系統(tǒng)是管道焊接機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

5.3 人工智能、人機(jī)共融

目前，管道焊接機(jī)器人還得需要熟練的焊工控制機(jī)器人完成焊接任務(wù)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，通過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)﹑深度學(xué)習(xí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練，將熟練焊工的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行訓(xùn)練的樣本，使焊接機(jī)器人更加智能化，機(jī)器人可以指導(dǎo)非熟練焊接人員進(jìn)行焊接參數(shù)的調(diào)整﹑焊接軌跡修正的同時(shí)與數(shù)字電源進(jìn)行協(xié)作調(diào)整電源波形﹑控制焊接線能量的輸入，一定程度上降低熟練焊接人員的培訓(xùn)周期。

人機(jī)共融即機(jī)人互動(dòng)﹑人機(jī)互動(dòng)共同完成管道焊接作業(yè)。人機(jī)共融將人與機(jī)器人由主仆關(guān)系變?yōu)榛锇殛P(guān)系，開(kāi)啟了與以往工業(yè)機(jī)器人的人機(jī)關(guān)系本質(zhì)不同的新型機(jī)器人研究[62]，人機(jī)共融是下一代管道焊接機(jī)器人的本質(zhì)特征。

6 結(jié)束語(yǔ)

油氣管道是國(guó)家工業(yè)發(fā)展的命脈，是實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的重要支撐。今后10—15 年，中國(guó)油氣管道建設(shè)仍將處于高峰期，油氣管網(wǎng)總里程將超過(guò)30萬(wàn)km，預(yù)計(jì)將基本建成現(xiàn)代油氣管網(wǎng)體系[63-64]。

隨著管道自動(dòng)焊接技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)不同鋼級(jí)﹑不同管徑壁厚﹑不同焊材的多種自動(dòng)焊接工藝和規(guī)范參數(shù)也將呈現(xiàn)多樣性的應(yīng)用，這勢(shì)必對(duì)油氣管道焊接質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性提出越來(lái)越高的要求。為此，研發(fā)適用性強(qiáng)的高效管道焊接機(jī)器人，進(jìn)一步提高管道焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化生產(chǎn)﹑減少焊接缺陷為管道焊接機(jī)器人智能化研發(fā)道路提出了更高的要求。