電弧傳感技術在超大件構件焊縫跟蹤中的應用價值分析

(上海越盛金屬焊接有限公司，上海 201609)

0 引言

對于火電、汽輪發電機、風力發電等生產制造電站公司而言，其產品通常具有尺寸大(超大直徑刀盤14 m左右)、噸位重(大刀盤構件單重100 t，總重400～600 t)、結構復雜的特點。其主要構件母材均為中低合金鋼，在進行焊接的過程中，需要持續加熱150 ℃～250 ℃。與此同時，多數產品生產屬于勞動密集型，產品制作需要大量焊工進行手工作業，且盾構機、掘進機主要按每個工程地質勘測情況后進行針對專用設計，故產品結構形式均不一樣，產品無法達到批量及定量生產。傳統的焊接機器人生產線主要以符合剛性生產線為主，這對于超大件構件的焊接難以適用，為穩定生產能力，同時減輕焊工的勞動強度，改善施工的環境，對于生產制造電站公司而言，就迫切需要引進全新的自動化及半自動化焊接裝備。焊縫跟蹤就是使焊接電弧與焊接位置對準，來保證焊接接頭的成形和焊接質量，由傳感器檢測焊縫位置有沒有偏差，然后將偏差信號送給控制器，控制器經過分析處理驅動滑板調節焊槍位置。簡單來說，傳感器相當于焊工的眼睛，控制器相當于焊工的電腦，滑板相當于焊工的手。由此看來，一套結構簡單、可靠性高、靈敏度高的焊縫跟蹤傳感器對超大件構件的焊接具有重要意義。

1 電弧傳感器的特性及工作原理

以傳感器的特點為分類標準，焊縫跟蹤傳感器主要包括電弧傳感器、電磁感應傳感器、光電傳感器、機械傳感器四種類型。在這四種類型中，電弧傳感器更有優勢，具體表現在實時響應、結構簡單、成本低等方面，是當下焊縫跟蹤傳感器的主要發展方向，具體來說，電弧傳感器具備以下幾個優點。

1)電弧傳感器屬于實時傳感器的一種，檢測點即是焊接點，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時性。

2)電弧本身屬于傳感器的一部分，不會受導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確性。傳感器是一種高精度檢測儀器，在軍事、航空、航天中應用都有嚴格要求，產品都須經過嚴格測試才能應用。所以傳感器生產是一種高新技術的具體運用和體現。有部分傳感器由于其應用環境的狀況需金屬封裝，一般采用焊接密封，這類傳感器內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，另有焊接強度要求和漏氣率要求，對焊接質量要求高，而且焊接過程中要求變形小，不能對內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，保證焊接參數的穩定性，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φ=B/H，其值會影響到熔池中氣體逸出的難易、熔池的結晶方向、焊縫中心偏析程度等。

4)抗干擾性比較強，如光、電磁、熱等，具有較長的使用壽命。傳感器一般工作環境十分廣泛，從極寒至酷熱地區，許多在露天環境下工作，能抗飛沙走石、灰塵，還應耐潮濕，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，能適應在高溫、極寒、強烈振動、沖擊以及在其他條件下正常工作的能力，還應抗噪聲能力強，信噪比高。

2 電弧傳感技術在超大件構件焊接機器人中的應用現狀

目前，電弧傳感器已廣泛應用于超大件構件的焊接機器人系統中，利用電弧傳感器技術，可對焊接路徑進行獨立、實時的修正，以適應焊接位置的變化，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，準確地引導焊槍沿焊接路徑焊接，實時監控和自動校正。在超大件構件機器人焊接過程中，電弧傳感技術的運用能夠幫助焊接機器人實時檢測并聯電阻，并將信號反饋給電弧傳感電路板。雖然對電弧傳感器已經有大量的研究，但是電弧傳感器的應用特別是在國內的應用還不能達到使人滿意的程度，目前僅限于某些特殊場合的焊縫跟蹤。首先，由電弧傳感器的原理可知，要求焊槍擺動，但有些場合不宜采用擺動。其次，電弧傳感器信號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 電弧傳感技術在超大件構件焊縫跟蹤中的應用展望

根據國內外的研究現狀可知，目前相當一部分學者和研究機構在電弧傳感技術在超大件構件焊縫跟蹤系統的研究和探索方面已經取得較多成果，在這過程中，機器人的焊接精度和焊接質量得到有效提升。與此同時，為了進一步提高視覺傳感圖像的處理速度和精度，部分學者對視覺傳感系統展開大量的研究，通過不斷改進和創新圖像處理算法，實現電弧傳感技術在超大件構件焊縫跟蹤中的應用優化。通過改進超大件構件機器人和焊縫跟蹤系統的控制策略，極大節省加工時間，提高焊縫跟蹤系統的實時性。基于上述分析，未來焊縫跟蹤的具體發展趨勢如下：一是進一步重視多傳感器融合的焊縫跟蹤系統，以有效克服單傳感器信號難以保證輸入信息的準確性和可靠性的問題；二是對現有的圖像處理算法進行改進和創新，總結出適合不同任務的具體應用的焊縫跟蹤算法，提升焊縫跟蹤算法的自調整和自適應能力。與此同時，還應當注意以下幾點。

1)增加視覺跟蹤傳感技術。針對大型構件，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，人工焊接的優勢體現在能感知外部環境變化，對于大型焊接構件的焊道受熱變形，人工施工時能根據實際情況進行焊道追蹤，而傳統的焊接的有效定位點為5 mm以內，這遠遠低于大型構件的變形量，故為能保證焊道的有效銜接，焊接機器人在傳統的坐標定位上應增加視覺跟蹤技術。

2)增加焊接弧壓力控制系統。大型構件的焊接變形量最大要達到20 mm～30 mm，焊接的主要參數為電流電壓(且范圍值經過工藝評定)，由于構件受熱變形容易導致焊接弧長產生變化進而弧壓不穩定，而弧壓變化超過工藝平定值將直接影響焊接質量。可見，焊接作為特殊工藝過程，如工藝參數偏離平定值，則有可能認定焊接質量失效，基于此，為更好地滿足大構件的焊接機器，須應用電弧電壓自動控制系統。

3)充分利用紅外線跟蹤傳感技術。對于采用自動埋弧焊設備，由于焊接熱燃燒置于焊劑內部，視覺傳感不能有效的進行感應追蹤，根據焊接位置和坡口形式，應用紅外線輔助傳感定位，使用焊接運行軌跡得到控制進而控制焊接質量。

4 結語

隨著電子技術、智能技術、網絡技術、機器人技術等的進一步發展，焊縫跟蹤技術將要沿著網絡化、智能化的方向發展。電弧傳感器與光學傳感器并稱為弧焊自動跟蹤兩大傳感器，其中電弧傳感器不同于其他任何一種現有的傳感器，它不是獨立于焊接電弧焊接電源系統之外的東西，而是與電弧特性和電源的特性緊密相關的一部分。雖然在某些場合它的適用性受到限制，但其應用前景還是很廣泛的。隨著智能控制技術的發展和焊縫識別與實時控制等一系列問題的解決，電弧傳感器在焊接自動化中將體現更為重要的應用價值。