張 磊,王博健,付 傲,鄭永杰,劉滿雨,孟顯偉,宋 揚(yáng)
1.哈爾濱焊接研究院有限公司,黑龍江 哈爾濱 150028 2.中國機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司,北京 311227 3.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150028
窄間隙埋弧焊接技術(shù)是在比常規(guī)坡口窄得多的坡口內(nèi)完成多層多道焊的工藝方法,是厚壁接頭焊接技術(shù)的一次重大革命[1-2],其常見的坡口形式如圖1所示。與普通埋弧焊相比,其具有以下優(yōu)點(diǎn):①坡口截面積比常規(guī)坡口小得多,因此生產(chǎn)效率高。并且隨著產(chǎn)品厚度的增加,這種優(yōu)勢越發(fā)明顯。板厚為100 mm,采用相同焊接工藝參數(shù)時(shí),普通埋弧焊坡口形式與窄間隙埋弧焊坡口形式的效率對比如圖2所示,當(dāng)窄間隙坡口完成焊接時(shí),開60°和16°坡口角度的普通埋弧焊僅完成30%和64%;②焊縫與坡口側(cè)壁過渡圓滑,焊渣可以自行脫落;③焊接接頭的殘余應(yīng)力以及氫的含量低,焊縫金屬抗氫致裂紋的能力高;④焊接接頭的韌性和抗脆斷能力高;⑤焊縫金屬的稀釋率小,各道焊縫金屬化學(xué)成分的均一性和純凈度高;⑥自動化程度高,勞動強(qiáng)度低,焊工水平的差異對焊接質(zhì)量的影響較小[3-6]。
圖1 窄間隙埋弧焊常用的坡口形式Fig.1 Groove types commonly used in narrow gap submerged arc welding
圖2 100 mm厚鋼板不同坡口形式效率對比Fig.2 Efficiency comparison of different groove forms of 100 mm thick steel plate
窄間隙埋弧焊接技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代初[7]。當(dāng)時(shí)世界上的一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家,如蘇聯(lián)、美國、意大利、日本、法國、西德等相繼采用該技術(shù)焊接了石化高壓容器、電站鍋爐厚壁鍋筒、核反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器、水輪機(jī)軸等,取得了預(yù)期的效果[8-10]。
我國從20世紀(jì)80年代起,相繼從國外成套引進(jìn)窄間隙埋弧焊技術(shù)及裝備,并投入生產(chǎn)運(yùn)行,取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。同期,國內(nèi)科研院所也相繼開展了該技術(shù)的消化、吸收及再創(chuàng)新工作,其中哈爾濱焊接研究所最具代表性,在林尚揚(yáng)院士的帶領(lǐng)下自主設(shè)計(jì)了世界首臺雙絲埋弧焊設(shè)備并成功應(yīng)用于壓力容器產(chǎn)品主焊縫的焊接[11-15]。
跟蹤系統(tǒng)作為窄間隙埋弧焊接的關(guān)鍵技術(shù),其穩(wěn)定性、可靠性、以及持久重復(fù)性是核心[16-17]。必須有效地保證焊絲與坡口側(cè)壁距離以及干伸長恒定,才能保證焊縫與坡口側(cè)壁過渡圓滑,達(dá)到側(cè)壁熔合良好,焊渣自動脫落,連續(xù)持久自動焊接等效果。窄間隙埋弧焊的所有技術(shù)優(yōu)勢都以穩(wěn)定、可靠的跟蹤系統(tǒng)為支撐,如果跟蹤系統(tǒng)失靈、不穩(wěn)定或精度不滿足焊接工藝及焊接自動化的要求,其所有技術(shù)優(yōu)勢都無從談起。
為了實(shí)現(xiàn)焊接過程坡口側(cè)壁熔合良好、焊縫與坡口側(cè)壁圓滑過渡的工藝要求,需要確保焊接過程中焊絲端部距坡口側(cè)壁的距離以及干伸長保持在一定的工藝窗口范圍內(nèi),如圖3所示。通過工藝試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐,認(rèn)為焊絲端部距離坡口側(cè)壁距離等于焊絲直徑,偏差在±0.25 mm范圍內(nèi);干伸長數(shù)值在30~40 mm范圍內(nèi)選取,數(shù)值波動在±0.5 mm范圍內(nèi),可以確保焊接過程滿足工藝要求,焊接質(zhì)量合格。
圖3 焊槍進(jìn)入窄間隙埋弧焊坡口Fig.3 Intention of welding gun entering narrow gap submerged arc welding groove
被焊筒節(jié)如圖4所示,不論是鍛造而成還是卷板焊接再校圓而成,均不能保證其是正圓。因此,滾輪架拖動其轉(zhuǎn)動的過程中會使筒節(jié)向一側(cè)竄動。如果焊槍的位置不發(fā)生等量的隨動,焊絲端部距坡口側(cè)壁的距離將比靜止?fàn)顟B(tài)下調(diào)整好時(shí)的距離產(chǎn)生偏差,最終導(dǎo)致側(cè)壁熔合不良或者咬邊等缺陷。筒節(jié)不圓,其轉(zhuǎn)動時(shí)也會導(dǎo)致干伸長發(fā)生變化,如果焊接機(jī)頭不能通過升降來抵消這種變化,將導(dǎo)致干伸長不穩(wěn)定,進(jìn)而影響焊接過程的穩(wěn)定[18]。
圖4 被焊筒節(jié)、滾輪架Fig.4 Welded cylinder section and roller carrier
窄間隙埋弧焊通常用于焊接厚壁產(chǎn)品,一條焊縫的焊接時(shí)長普遍超過24 h。因此需要焊接設(shè)備具有較高的自動化程度,以降低焊工的勞動強(qiáng)度。焊接左側(cè)時(shí),要以左側(cè)坡口為基準(zhǔn),滿足焊接工藝要求。當(dāng)左側(cè)焊完一圈,并且搭接一定距離后,需要焊絲指向坡口右側(cè),并以坡口右側(cè)為基準(zhǔn),滿足焊接工藝要求。當(dāng)焊完一層焊道后,焊槍自動提升一層焊道厚度的距離,來彌補(bǔ)焊層厚度的增加對干伸長造成的影響,再進(jìn)行下一層焊道的焊接。純靠人工操作幾乎難以實(shí)現(xiàn),即使可以實(shí)現(xiàn),焊接時(shí)間太長也會給焊工帶來極大的工作強(qiáng)度。跟蹤系統(tǒng)較好地解決該問題,同時(shí)為實(shí)現(xiàn)焊接自動化提供了基礎(chǔ)條件[19-20]。
窄間隙埋弧焊坡口底部寬度為18~24 mm,單邊坡口角度為0.5°~1.5°,產(chǎn)品壁厚普遍在80~350 mm之間,深而窄的坡口對跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇帶來了較大的困難。目前,在窄間隙埋弧焊領(lǐng)域,跟蹤系統(tǒng)有接觸式和非接觸式兩種技術(shù)形式[21]。
接觸式跟蹤系統(tǒng)通過傳感器與被焊工件坡口側(cè)壁和焊道表面接觸提取所需信號,其中傳感器分為電位器式和光電式兩種。
在工件靜止?fàn)顟B(tài)下,調(diào)整好焊接機(jī)頭位置以達(dá)到滿足焊接工藝要求的程度后將跟蹤數(shù)值記憶。當(dāng)工件開始運(yùn)動時(shí),坡口側(cè)壁以及焊道表面會對傳感器進(jìn)行不同程度的擠壓導(dǎo)致傳感器輸出信號的變化,將此時(shí)跟蹤數(shù)值與靜止?fàn)顟B(tài)下記錄好的跟蹤值進(jìn)行比較,從而控制十字滑板的縱向和橫向電機(jī),向記憶的跟蹤值移動以減小跟蹤偏差,從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。
激光視覺傳感技術(shù)作為非接觸式跟蹤系統(tǒng)普遍選用的技術(shù),近年來發(fā)展較快,已成功應(yīng)用于焊接的多個(gè)場景中,為解決窄間隙埋弧焊接跟蹤系統(tǒng)提供了全新的思路[22-28]。
激光視覺傳感系統(tǒng)的基本構(gòu)想是利用三角測量法,從影像中析取精確的三維信息。激光三角測量的原理是利用激光作為光源,可使影像輪廓分明,現(xiàn)有的CCD或CMOS攝像機(jī)可清晰地?cái)z取激光影像。在激光視覺探頭內(nèi)以特種方式同時(shí)安裝了激光發(fā)生器和攝像機(jī)。當(dāng)激光投射到被測焊接工件上時(shí),所形成的激光帶形狀由攝像機(jī)成像,從中可析取焊接接頭形狀的數(shù)據(jù),如圖5所示。
圖5 坡口成像示意Fig.5 Groove imaging diagram
如果焊槍與焊縫發(fā)生橫向或者縱向偏移,激光條紋圖像的位置也會相應(yīng)改變。因此,激光視覺傳感器只要沿著焊接行進(jìn)方向,不斷采集工件坡口圖像,提取特征點(diǎn)并與參考點(diǎn)比較,通過視覺標(biāo)定技術(shù)便可得知縱向和橫向上的實(shí)際偏差從而指導(dǎo)焊槍跟蹤焊縫[29-30]。
經(jīng)過40余年的實(shí)踐發(fā)展,窄間隙埋弧焊應(yīng)用最成熟的跟蹤系統(tǒng)是接觸式跟蹤系統(tǒng)。但隨著各種CPU的出現(xiàn)及圖像處理技術(shù)的發(fā)展,基于激光視覺傳感的非接觸式跟蹤系統(tǒng),因具有適用性廣、穩(wěn)定性好、精度高、抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)為窄間隙焊縫跟蹤提供了一種全新的思路,已在部分場景成功應(yīng)用[31-35]。
采用接觸式跟蹤技術(shù)的窄間隙埋弧焊接設(shè)備制造企業(yè)有瑞典的伊薩公司[36-38]、中國的哈爾濱焊接研究所等。
伊薩公司的窄間隙埋弧焊裝備整體如圖6所示,其早期跟蹤系統(tǒng)屬于機(jī)械式光電跟蹤,如圖7所示。高度跟蹤輪與坡口底部(或焊道)直接接觸,并可繞小軸隨著坡口底緣高度變化而上下浮動,從而在支點(diǎn)處使頂桿上下運(yùn)動;在頂桿上還同時(shí)安裝有跟蹤爪,該跟蹤系統(tǒng)的跟蹤爪是單側(cè)跟蹤爪,當(dāng)焊接左道或中道時(shí),跟蹤爪靠向左側(cè)坡口側(cè)壁,當(dāng)焊接右道時(shí),跟蹤爪通過氣動的方式靠向右側(cè)坡口側(cè)壁,如果側(cè)壁不光滑或坡口發(fā)生竄動時(shí)都會對跟蹤爪造成擠壓,從而使安裝發(fā)光二極管的托架圍繞頂桿產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)[39]。
圖6 伊薩公司雙絲窄間埋弧焊隙機(jī)頭Fig.6 Double wire narrow gap saw head
圖7 伊薩跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of ESAB tracking system
光敏三極管安裝基座垂直方向和水平方向一共安裝四只光敏三極管,它們都可以接收到由發(fā)光二極管發(fā)出的光通量。垂直方向上的U和D光敏三極管分別檢測高度跟蹤實(shí)時(shí)值相對于設(shè)定值的升起和下降的位移量±Δz,如圖8所示。
圖8 焊道底部不平引起高度跟蹤設(shè)定值與實(shí)時(shí)值的偏差±ΔzFig.8 The uneven bottom of the weld bead causes the deviation between the set value of height tracking and the real-time value
橫向方向上的L和R光敏三極管則檢測橫向跟蹤實(shí)時(shí)值相對于設(shè)定值的左右偏移量±Δx,如圖9所示[40]。將±Δx與±Δz轉(zhuǎn)化為電壓信號傳送給控制器,使電機(jī)帶動滑板縱向和橫向移動,保證焊絲與側(cè)壁的距離和干伸長的穩(wěn)定。
圖9 坡口側(cè)面不平直引起橫向跟蹤設(shè)定值與實(shí)時(shí)值的偏差±ΔxFig.9 The deviation between the set value of horizontal tracking and the real-time value caused by the uneven side of the groove
哈爾濱焊接研究所研制出世界上首臺雙絲窄間隙埋弧焊設(shè)備(見圖10),其跟蹤系統(tǒng)屬于機(jī)械式電位器跟蹤。經(jīng)過對設(shè)備不斷的完善升級,已經(jīng)成功應(yīng)用于中國一重、東方鍋爐、蘭石集團(tuán)、上海電站輔機(jī)廠等重點(diǎn)壓力容器企業(yè),累計(jì)銷售300余臺。
圖10 哈爾濱焊接研究所雙絲窄間隙機(jī)頭Fig.10 Double wire narrow gap machine head developed by Harbin Welding Research Institute
其跟蹤系統(tǒng)如11圖所示,該跟蹤系統(tǒng)采用的傳感器是電位器,其原理是通過焊道表面對高度跟蹤輪的擠壓從而對差動電位器進(jìn)行擠壓,輸出一定范圍電壓,通過工件側(cè)壁對兩側(cè)跟蹤爪的擠壓來改變跟蹤爪張開的角度,從而帶動上端的旋轉(zhuǎn)電位器進(jìn)行旋轉(zhuǎn),輸出一定范圍電壓,與設(shè)定值進(jìn)行比較后,由可編程邏輯控制器(PLC)發(fā)出指令控制十字滑板帶動機(jī)頭縱向和橫向移動。與伊薩設(shè)備不同,哈焊所跟蹤系統(tǒng)的跟蹤爪是雙側(cè)跟蹤爪,焊左側(cè)時(shí),左側(cè)跟蹤爪起作用;焊右側(cè)時(shí),右側(cè)跟蹤爪起作用。近年來,隨著技術(shù)交流與借鑒的增多,伊薩設(shè)備的跟蹤系統(tǒng)也采用了雙側(cè)跟蹤爪,并將傳感器更換為電位器式。
圖11 跟蹤系統(tǒng)Fig.11 Tracking system
伊薩設(shè)備的跟蹤操作方式與哈焊所設(shè)備的跟蹤操作方式大致相同,這里以哈焊所設(shè)備為例,介紹跟蹤系統(tǒng)的使用方法。
在使用橫向和縱向自動跟蹤功能之前,需在工件靜止時(shí)對橫向跟蹤爪和高度跟蹤輪進(jìn)行示教。將跟蹤裝置和焊槍下降到坡口底部中心位置,使干伸長為30~35 mm,高度跟蹤滾輪要與焊縫表面相接觸,打開左右跟蹤爪。將焊槍向左側(cè)擺動,調(diào)整焊絲端部距離坡口左側(cè)側(cè)壁一個(gè)焊絲的距離,記憶左側(cè)跟蹤設(shè)定值;將焊槍向右側(cè)擺動,調(diào)整焊絲端部距離坡口右側(cè)側(cè)壁一個(gè)焊絲的距離,記憶右側(cè)跟蹤設(shè)定值,高度跟蹤設(shè)定也隨之記憶。跟蹤參數(shù)修改頁面如圖12所示。
圖12 跟蹤參數(shù)修改頁Fig.12 Tracking parameter modification page
跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)值在運(yùn)行參數(shù)界面顯示,如圖13所示,當(dāng)跟蹤實(shí)時(shí)值與設(shè)定值的差值大于工藝誤差范圍值時(shí),跟蹤系統(tǒng)開始運(yùn)行,由PLC控制縱向和橫向十字滑板電機(jī),使跟蹤實(shí)時(shí)值逼近跟蹤設(shè)定值,完成跟蹤動作。
圖13 參數(shù)運(yùn)行頁Fig.13 Parameter operation page
采用非接觸式跟蹤技術(shù)的窄間隙埋弧焊接設(shè)備制造企業(yè)有美國的艾美特公司,其采用英國Meta公司為其定制開發(fā)的激光視覺跟蹤系統(tǒng)。其機(jī)頭和激光視覺跟蹤系統(tǒng)如圖14、圖15所示。
圖14 艾美特雙絲窄間隙埋弧焊機(jī)頭Fig.14 Double wire narrow gap submerged arc welding head developed by Airmate company
圖15 激光視覺跟蹤系統(tǒng)Fig.15 Laser vision tracking system
META激光視覺跟蹤系統(tǒng)主畫面如圖16所示,當(dāng)激光器打開時(shí),畫面顯示所探測到的輪廓如圖17所示。表面輪廓圖像經(jīng)分析,可確定接縫特征的位置,并以綠色線條表示。綠色的十字線表示當(dāng)前的“跟蹤位置”,大號灰色十字線表示當(dāng)前跟蹤的“基準(zhǔn)位置”[41]。
圖16 META激光跟蹤主界面Fig.16 META laser tracking main interface
圖17 激光探測圖像Fig.17 Laser detection image
激光傳感跟蹤系統(tǒng)應(yīng)在每道焊縫焊接時(shí),自動將焊槍定位,而無需操作人員再干預(yù),為此,在焊接新焊縫之前需進(jìn)行示教操作。工件靜止時(shí),先把焊槍移動至焊接位置,之后按下示教按鈕,灰色大十字線與綠色十字線重合(當(dāng)前“跟蹤位置”與跟蹤“基準(zhǔn)位置”重合),即示教操作完成,如圖17所示。
焊接過程中跟蹤器就會按照跟蹤基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤,如果當(dāng)前跟蹤位置與跟蹤基準(zhǔn)點(diǎn)有偏差時(shí),激光跟蹤向控制器發(fā)出信號從而控制十字滑板電機(jī)進(jìn)行移動,使“跟蹤位置”逼近“基準(zhǔn)位置”完成跟蹤[42-43],如圖18所示。
圖18 當(dāng)前跟蹤位置與基準(zhǔn)點(diǎn)產(chǎn)生偏差Fig.18 The current tracking position deviates from the reference point
雖然以激光視覺技術(shù)為代表的非接觸式跟蹤系統(tǒng)在窄間隙埋弧焊接領(lǐng)域有一定數(shù)量的應(yīng)用案例。但其在推廣應(yīng)用中存在以下問題:(1)傳感器景深較小,如要實(shí)現(xiàn)大厚度產(chǎn)品焊接(如產(chǎn)品壁厚200 mm),需要傳感器離工件表面較近(約50 mm)。工件預(yù)熱溫度往往要求200℃以上,傳感器長時(shí)間在這種工況條件下工作,對其散熱能力要求較高。傳感器損壞的風(fēng)險(xiǎn)較大。(2)此類傳感器的價(jià)格較高,普遍在30萬元左右。
機(jī)械接觸式跟蹤機(jī)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性,但在長期的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)其容易受焊劑、灰塵干擾而影響傳動精度,甚至發(fā)生跟蹤失效等情況。如果將激光視覺傳感器當(dāng)做機(jī)械跟蹤的“眼睛”,實(shí)時(shí)監(jiān)測焊槍兩側(cè)距坡口上邊緣的距離,來判斷機(jī)械跟蹤是否失靈,這樣激光視覺傳感與工件表面距離較遠(yuǎn),受溫度影響較小,可以大大降低對激光視覺傳感器的技術(shù)要求。
哈爾濱焊接研究所提出了一種非接觸式+接觸式復(fù)合跟蹤系統(tǒng),是解決窄間隙埋弧焊接工程應(yīng)用的一種全新嘗試,如圖19所示。用機(jī)械跟蹤裝置實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤,激光視覺傳感器用于監(jiān)測焊槍兩側(cè)距坡口上邊緣的距離,如圖20所示,以判斷機(jī)械跟蹤是否失靈。在工件靜止時(shí)先設(shè)定好槍兩側(cè)側(cè)壁距坡口上邊緣的距離,開始焊接后隨著焊層厚度的增加,通過算法自動更改距離的設(shè)定值。在機(jī)械跟蹤正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,焊槍兩側(cè)側(cè)壁距坡口上邊緣的距離會大于這個(gè)設(shè)定值。當(dāng)焊槍兩側(cè)側(cè)壁距坡口上邊緣的距離有一側(cè)小于設(shè)定值時(shí),必定是跟蹤失靈的情況,此時(shí)觸發(fā)激光測距傳感器警報(bào),強(qiáng)制設(shè)備停機(jī)以保護(hù)焊接設(shè)備和焊接產(chǎn)品的安全。
圖19 窄間隙機(jī)械式跟蹤與激光跟蹤相結(jié)合Fig.19 Combination of narrow gap mechanical tracking and laser tracking
圖20 激光視覺傳感器監(jiān)測焊槍兩側(cè)距坡口上邊緣的距離Fig.20 The laser vision sensor monitors the distance from both sides of the welding gun to the upper edge of the groove
本文從跟蹤系統(tǒng)的意義、跟蹤傳感器的種類以及跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用三個(gè)方面,對跟蹤系統(tǒng)在窄間隙埋弧焊中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理和總結(jié)。目前,已有的跟蹤技術(shù)較好地解決了焊接自動化問題,但是也存在接觸式跟蹤偶爾失靈與非接觸式跟蹤景深較小、價(jià)格高昂的問題。隨著制造企業(yè)對智能化發(fā)展的渴望,對進(jìn)一步降低焊工勞動強(qiáng)度和焊工技術(shù)水平要求的現(xiàn)實(shí)需求,開發(fā)既穩(wěn)定可靠又能實(shí)現(xiàn)無人化或者少人化焊接操作的跟蹤系統(tǒng),將是窄間隙埋弧焊未來的技術(shù)發(fā)展方向。