基于擺動電弧傳感的管道焊接焊縫跟蹤技術研究現狀

羅 雨，陳儀平，焦向東，張中亮，楊成功，余成強

（北京石油化工學院能源工程先進連接技術北京高校工程研究中心，北京102617）

基于擺動電弧傳感的管道焊接焊縫跟蹤技術研究現狀

羅 雨，陳儀平，焦向東，張中亮，楊成功，余成強

（北京石油化工學院能源工程先進連接技術北京高校工程研究中心，北京102617）

基于電弧傳感器的焊縫跟蹤技術是目前焊接領域的一個重要研究方向，精確的焊縫跟蹤可以快速實現焊縫的精確定位，是保證焊接質量的關鍵。介紹了擺動頻率影響跟蹤精度的工作原理，綜述了電弧傳感器的發展與研究現狀，分析了各類電弧傳感器的應用特點，論述了擺動電弧傳感器的在管道焊接機器人系統中集成應用情況。

擺動電弧傳感器；焊縫跟蹤；管道焊接機器人

0 前言

焊接導軌是裝卡在管子上供焊接機器人機械本體行走和定位的專用機構，焊接開始前，需要對焊接導軌進行安裝以保證軌道與坡口保持全位置下的平行，同時還要保證全位置下焊槍與坡口高度的一致性，因此導軌的安裝過程復雜、費時，大大影響鋪管效率。此外，大多數成熟的管道焊接機器人的焊接參數都是根據實際作業條件預先設置，焊接時通過插補方法得到不同位置處的焊接參數，在焊接時缺少外部信息傳感和自動調整控制功能，需要焊工實時調整焊槍姿態，保證焊縫的嚴格對中，由于需要同時對焊炬的左右和高低位置進行調整，所以要求焊工調整過程快速、熟練，這樣增加了焊工的勞動強度，而且調整的效果也很難得到保證。同時，管道焊接對焊接作業條件的穩定性要求嚴格。實際管道鋪設中，由于管道坡口加工和軌道裝配誤差很難保證焊絲端部與焊縫位置保持恒定的距離，再加上焊接過程工件受熱及散熱條件改變會造成焊道變形而無法形成恒定的焊道厚度。為克服焊接過程中各種不確定性因素對焊接質量的影響，研究基于電弧傳感的管道焊接技術意義重大[1]。

1 擺動頻率影響電弧傳感靈敏度的工作原理

利用導電嘴端部與母材之間距離變化引起的焊接參數變化來獲得焊炬的空間位置信息。擺動掃描方式和旋轉掃描方式是電弧傳感與跟蹤控制焊縫的兩種主要方法。很多學者認為當使用高的擺動或旋轉頻率時，電弧信號的敏感性會增加。電弧的自調節引起的電弧信號變化與導電嘴到工件的距離變化一致[2]。原理如圖1所示。

圖1 焊槍高低擺動頻率下弧長的差別

對于恒壓熔化極氣體保護焊來說，干伸長的變化可導致焊接電流明顯的變化。相同的導電嘴到工件的距離在使用不同的擺動頻率下可產生不同的電弧信號變化值。對于低的擺動頻率，自調節作用會使電弧長度及干伸長達到一個新的平衡點，高頻率擺動下電弧自調節作用沒有形成新的平衡，干伸長度沒時間自調節變化，因此導電嘴到工件距離的變化就是電弧長度的變化，圖1中La1=La3，La2＞La4因此La3-La4＞La1-La2，故高的擺動頻率使電弧信號的敏感性提高。

2 電弧傳感器的分類

2.1 旋轉式掃描電弧傳感器

在日本NKK的關于窄間隙焊文獻中，旋轉掃描焊炬用來改善兩側熔合和角焊縫及多道焊的成形，但后來發現該焊炬還可用于電弧傳感，且靈敏度更高，因而成功研究了高速旋轉電弧傳感器[3-5]。韓國的C.H.Kim等人制作的偏心導電嘴高速旋轉電弧傳感器可實現電弧的旋轉運動，但焊絲在導電嘴中的高速旋轉，會加劇導電嘴的損耗[6]。德國亞琛科技大學的U.Dilthey等人也在高速旋轉電弧傳感器方面做了大量的研究工作[7]。

國內以清華大學潘際鑾院士為首的研究機構，在旋轉電弧傳感器方面做了大量的研究工作。清華大學博士生廖寶劍在博士生費躍農的研究成果的基礎上，研制成功了一種空心軸電機驅動的旋轉掃描傳感器，之后國內各研究機構對旋轉電弧傳感器的結構改進以及性能進行深入的研究，包括有湘潭大學的洪波教授團隊、南昌大學機器人與焊接自動化重點實驗室以及華南理工大學的曾松盛。江蘇科技大學的王加友以及哈爾濱工業大學的楊春利發明了針對窄間隙焊接的旋轉電弧傳感器[8-12]。

基于旋轉掃描的焊炬旋轉頻率能達到100 Hz以上，在保證改善兩側熔合和角焊縫及多道焊的成形質量的同時，高旋轉頻率的旋轉電弧還可提高電弧傳感的靈敏度。尤其在窄間隙多層焊接中的，較高頻率的旋轉電弧傳感器可實現細絲大電流的高速焊接，因此基于電旋轉掃描方式的電弧傳感具有較大的應用價值。但旋轉電弧傳感器在焊接過程中的旋轉半徑無法自適應調整，只能在焊接前進行調整，對于窄坡口管道焊接以及中厚板焊接來說，前期坡口加工精度、工件組對、焊接過程變形導致的實際焊縫坡口的寬度不一致，焊接時旋轉電弧傳感器固有的旋轉半徑顯然無法自適應變化，無法滿足特殊行業焊接的應用要求。

2.2 擺動式電弧傳感器

擺動掃描式電弧傳感器是目前應用最廣的一種電弧傳感器，該傳感器通過擺動裝置的來回擺動而實現焊縫跟蹤。而弧焊機器人上的擺動電弧傳感通過機器人手臂帶動焊槍作橫向擺動來完成焊縫跟蹤。但弧焊機器人的擺動頻率一般較低，限制了電弧傳感器在高速和薄板搭接接頭焊接中的應用。

高速擺動電弧傳感器是旋轉電弧以及擺動電弧技術的融合，雖然沒有對高速擺動這個概念進行清晰的定義，但一些作者認為超過5 Hz的擺動頻率為高速擺動。這項技術要求擺動系統穩定并通過改善溶滴特性來保證側壁熔合，同時能提高焊縫跟蹤的敏感度，在熔化極氣體保護焊中，焊槍擺動頻率在5～15 Hz之間能有好的溶滴形狀以及低的飛濺產生[13]。

M.Kodama[14-15]等人發明的電磁高速擺動電弧傳感器由兩側的永磁鐵和激勵線圈組成，一定頻率的電流通過激勵線圈后，導電桿便會產生一定頻率的

擺動。如圖2所示，該高速擺動電弧傳感器的擺動頻率范圍為0～40 Hz，結構比較簡單，且電弧擺動時，焊槍外殼不動，該擺動傳感器適合裝配在焊接機器人上使用。新日鐵的MIG-II型管道焊接機器人系統集成了該高速擺動電弧傳感器，可完成高頻擺動下的電弧跟蹤。

圖2 電磁高速擺動電弧傳感器

英國Cranfied大學的David Yapp在研究基于電弧傳感的窄坡口管道焊接時，發明了一種凸輪式高速擺動器，可以進行高速擺動下的電弧跟蹤試驗，該高速擺動器的擺動頻率為0～40Hz，如圖3所示。由于高速擺動裝置內增加了控制擺寬的電機，所以可以實現擺寬的自動調整，但整個機構復雜、體積較大，無法集成與管道焊接中[16]。

圖3 高速擺動電弧傳感器的應用

文獻[17]針對現有掃描焊炬無法滿足較高擺動頻率下擺動寬度的自動調整功能，打破原有焊接擺動器使用齒輪-齒條或導軌絲杠傳動方式，采用具有線性控制、高加速度、快速響應等特點的特種電機直接驅動焊槍高速擺動，同時，通過程序控制可使焊槍在較高的擺動速率下實現擺動寬度的任意調整，圖4a、圖4b為高速擺動器設計圖以及實物圖，高速擺動器采用光柵尺作為音圈電機直線平臺的閉環檢測機構，控制精度高，同時沒有齒輪齒條傳動固有的間隙，保證了焊槍擺動過程中較高的擺寬精度，高速擺動器的最大擺寬為8 mm,在擺動寬度為6 mm時的最大擺動頻率可達15 Hz，該高速擺動器可以進行高頻擺動下的窄坡口電弧跟蹤試驗研究，為進一步實現電弧傳感在管道焊接的集成應用奠定基礎。將高速擺動器安裝于三軸控制平臺可用于擺動電弧傳感的跟蹤試驗[17]，試驗平臺如圖5所示。

1—擺動電機；2—電機編碼器；3—送絲管；4—送氣管；5—電源連接；6—桿管；7—位移傳感器；8—自動移動對準軸承；9—固定對準軸承；10—氣體噴嘴；11—導電嘴；12—焊炬底盤；13—直線軸承；14—凸輪。b高速擺動器實物圖4 高頻擺動焊炬

3 擺動電弧傳感焊縫跟蹤技術的應用狀況

目前國外擺動電弧焊縫跟蹤技術的應用較為成熟和廣泛，如德國的KUKA、REIS等弧焊機器人都配備了擺動電弧焊縫跟蹤模塊，能夠實現精確的

焊縫跟蹤。日本KOBELCO的ARCMAN型中厚板焊接機器人，使用最新控制技術的高精度擺動性能，避免了擺動時上下動作等原因產生誤差，本機器人具有實現高精度電弧傳感功能。針對多層多道焊接也可自動跟蹤焊接。此外，該型號機器人還可實現坡口寬度的自適應跟蹤。

圖5 高速擺動焊槍實物

國外的雙絲管道全位置焊接機器人將電弧傳感技術集成與管道焊接中，包括美國的CRC、法國的DASA、韓國現代重工以及日本新日鐵公司。其中韓國現代重工將擺動電弧傳感集成與雙絲Tandem管道焊接機器人中（見圖6），采用恒流特性焊接電源，系統對采樣的電流信號進行截止頻率為50 Hz硬件低通濾波，然后采用區域移動平均數算法提取焊縫偏差特征值，實現了電弧跟蹤功能[18]。加拿大郵政RMS MOW II鋪管焊接機器人將帶CAN總線接口的焊接電流傳感器集成于電弧傳感的焊縫跟蹤系統中，采用凸輪式高速擺動器掃描坡口，產生高速擺動的電弧，進行了窄坡口管道焊接電弧跟蹤的應用研究[16]。日本的新日鐵公司的管道焊接機器人采用基于電弧傳感的方式可實現焊縫跟蹤及擺動寬度的自適應控制[19]。

圖6 串聯雙絲焊接機器人

國內的應用研究與國外有一定差距，但從第6屆國際管道大會上的產品介紹可知，許多研究機構都已將電弧跟蹤集成在管道焊接中，最典型的產品有廊坊管道局的CPP900-W2型雙炬管道焊接機器人（見圖7）以及熊谷的A-610CW型雙炬管道焊接機器人，據技術人員介紹，這兩款產品也都已集成了單絲的電弧傳感功能，但一些跟蹤的性能測試參數還未見報道。

圖7 基于電弧傳感的管道雙炬焊接機器人

北京石油化工學院的海底管道鋪設焊接機器人系統也集成了高低方向的跟蹤，可以實現不同焊接規范下的高低跟蹤[20]，圖8是高低方向的跟蹤試驗。

圖8 窄坡口高低跟蹤過程

針對左右方向的窄坡口電弧跟蹤問題，實驗室也進行了相應的機理研究，圖9是短路過渡下電弧信號的處理結果，該處理結果可作為橫向跟蹤的偏差提取信號。圖10是最終的跟蹤效果圖。此外，擺寬自適應的電弧跟蹤正在實驗室調試階段。

4 結論

焊接機器人作為焊接自動化的一個重要載體必將得到廣泛的應用，而基于電弧傳感的焊縫跟蹤技術是焊接機器人應用的一個重要研究方向。以提高焊接質量及效率、節約成本為目的，國外管道鋪設焊接機器人朝著操作自動化、功能智能化及網絡化方向發展，其中基于電弧傳感的焊縫跟蹤技術作為智能

化應用技術被集成到管道焊接機器人中，得到了初步的應用，國內的應用研究起步較晚，但基于電弧傳感的智能化集成也得到了很好的發展。隨著智能控制技術的應用和焊縫偏差提取與自適應實時控制算法等一系列關鍵技術問題的解決，基于擺動電弧傳感的管道焊接機器人將得到更加廣泛的應用。

圖9 高頻擺動電弧傳感信號處理

圖10 V型坡口橫向跟蹤焊縫

[1]羅雨.海底管道鋪設焊接機器人系統研究[D].北京：北京化工大學,2012

[2]Kodama S，Ichiyama Y，Ikuno Y，et al.Arc sensor sensitivity in short circuiting metal active gas welding with high speed torch oscillation[J].Science and Technology of Welding and Joining，2006，11（1）：25-32.

[3]Kim C H，Na S J.A study of an arc sensor model for gas metal arc welding with rotating arc-part1：dynamic simulationof wiremelting[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B，London，2001，215（B9）：1271-1279.

[4]Kim C H，Na S J.A study of an arc sensor model for gas metal arc welding with rotating arc-part：dynamic simulation of wire melting[J].Proceedings of the Institution of Mechanical EngineersPart B，London，2001，215（B9）：1281-1288.

[5]Jeong Sangkwun，Lee Gunyou.Development of high speed rotating arc sensor and seam tracking controller for welding robots[R].2001 IEEE ISIE，Pusan，2001：845-850.

[6]Kim C H，Yoo W S，Na S J.Development of an arc sensor with mechanized rotation of electrode[J].Materials Science Forum，2003，426（5）：4135-4140.

[7]Dilthey U，Gollnick J.Through-the-arc-sensing in GMA Welding with high speed rotating Torch[C].Proceedings of the 24th Annual Conference，United States，1998：1017-1026.

[8]潘際鑾，廖寶劍.空心軸電機驅動的旋轉掃描焊炬[P].中國專利：CN2143540，1993210213.

[19]洪波.掃描焊炬[P].實用新型：CN 2614101Y，03227154.9

[10]黃凌翔，張華，馬國紅.旋轉電弧傳感器的結構優化[J].上海交通大學學報，2008（42）：17-19.

[11]王加友，國宏斌.新型高速旋轉電弧窄間隙MAG焊接[J].焊接學報，2005，26（10）：65-67.

[12]楊春利，趙博，孫清潔.旋轉電弧窄間隙焊炬[P].中國專利：CN101200018A，200710144746.X.

[13]Kodama M，Goda H，Iwabuti H.Arc sensor for simultaneous detection of torch aiming deviation and gap width-development of high frequency oscillation arc[J].Welding International，2001，15（12）：952-964.

[14]Kodama M.Simultaneous control of torch aiming and deposition rate to groove gap with high frequency oscillation arc sensor-development of high frequency oscillation arc[J]. Welding International，2002，16（3）：196-204.

[15]Kodama M，Iwabuti H，Goda H.Development of drive high speed MAG welding process[J].Welding Technique，2004，52（8）：91-95.

[16]Yapp D，Blackman S A.Recent developments in high productivity pipeline welding[J].J.of the Braz.Soc.of Mech. Sci.&Eng.，2004，26（1）：89-97.

[17]韓素新，羅雨，焦向東，等.基于CAN-open的高頻擺動焊炬控制系統設計[J].上海交通大學學報，2014（S1）：105-107.

[18]Moon H S，Ko S H，Kim J C.Automatic seam tracking in pipeline welding with narrow groove[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2009，41（4）：234-241.

[19]Nakamura S，Furukawa Y，Ikuno Y，et al.Automatic Control Technology of Welding Machine MAG-II for Onshore Pipelines[R].Nippon Steel Technical Report，2005（92）：51-54.

[20]羅雨，韓素新，焦向東，等.基于電弧傳感的管道焊接高低跟蹤技術研究[J].上海交通大學學報，2015，49（3）：357-360.

Research status of pipe welding seam tracking technology based on the swing arc sensor

LUO Yu，CHEN Yiping，JIAO Xiangdong，ZHANG Zhongliang，YANG Chenggong，YU Chengqiang
（Beijing Institute of Petrochemical Technology Research Center of Energy Engineering Advanced Joining Technology，Beijing 102617，China）

The seam tracking technology based on arc sensor is an important research direction in the field of welding，precision of weld seam tracking can quickly realize the accurate location of welding line，it is the key to ensure the quality of welding.This paper introduces the working principle of oscillation frequency tracking precision，summarizes the research status and the development of the arc sensor，and analyzes the application characteristics of various arc sensor，especially discusses the integration application of swing arc sensor in pipe welding robot system.

swing arc sensor；seam tracking of welding；pipe welding robot

TG409

C

1001-2303（2016）08-0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.01

2016-03-03；

2016-06-20

國家自然科學基金項目（51305037）；北京市屬高校創新團隊建設提升計劃（IDHT20130516）；北京石油化工學院URT資助項目（2015J00083）

羅雨（1981—），男，內蒙古人，講師，主要從事焊接自動化與焊接控制的研究工作。