長輸油氣管道焊接機器人的技術現狀與發展趨勢

尹鐵 ，趙弘，張倩，吳婷婷，周倫 ，王新升

1 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249

2 中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，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，對能源裝備用鋼材和焊接工藝均提出了較高的要求。與常用的金屬結構件焊接機器人不同，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，由于輸送介質具有易燃易爆﹑高溫﹑高壓﹑腐蝕﹑深冷等特點，許多工作需要在環境條件比較惡劣的野外現場施工作業中完成，因此，在特定的施工工況下作業，管道焊接機器人具有自身的特點。

1 技術發展背景

長輸油氣管道輸送介質壓力高﹑易燃易爆，一旦發生泄漏將形成嚴重的后果。例如2017 年7 月2 日和2018 年6 月10 日發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焊縫失效引起。因此，環焊縫焊接作為管道現場施工的重要環節，其質量對于保障管道安全運營至關重要。隨著鋼級﹑壁厚﹑輸送壓力的不斷提高，為獲得良好的強韌匹配的焊接接頭的難度越來越大，手工焊﹑半自動焊等焊接方式因質量受人為影響大﹑焊接效率低﹑一次焊接合格率低﹑焊接缺陷多﹑工人勞動強度大，已無法滿足管道現場焊接的實際需求。性能更為優越﹑質量更有保證的先進焊接技術與裝備成為現代化﹑高效化的工程建設之亟需，管道焊接機器人便應運而生。

管道焊接機器人是一種能夠在空間狀態下按照一定運動姿態高精度地移動焊槍沿著焊縫進行焊接作業，并能實現最佳的焊接參數和焊接運動參數控制的自動化系統。憑借其焊接熱入量小﹑環焊接頭力學性能穩定﹑自動化程度高﹑可以最大限度的減少人為因素影響等優勢，目前已成為高鋼級﹑大口徑管道焊接施工主要焊接方式[1]。管道焊接機器人的推廣應用，可以大幅提高長輸管道焊接質量與焊接效率，保障管道運營安全﹑提高管道使用壽命；同時，可有效提升施工企業的綜合施工能力及核心競爭力，引領石油化工和城市管道的焊接技術變革。

2 技術發展歷程

焊接機器人在工業生產應用中占總工業機器人45%以上，具有焊接質量穩定﹑生產效率高﹑自動化程度高等優點，是目前實現制造業自動化的重要技術手段。如同工業機器人的發展歷程，管道焊接機器人也相似地經歷了以下3 個發展階段[2-5]。

第一代“示教—再現”管道焊接機器人。主要由執行機構(焊接小車和軌道)﹑焊接控制系統和人機交互系統(控制面板和手持操控盒)組成，這類機器人操作不需要建立環境模型，只需由工程師操作完成指定的動作或通過控制系統發出指令，由執行機構完成設定的各個動作。示教時可重復執行指令動作，還可修正執行機構誤差。第一代機器人不具備對外界信息進行反饋的能力，對環境變化無法適應。在焊接過程中對管道坡口的制備及對接要求很高，當內壁錯邊量或坡口寬度發生較大變化時，需要人工通過控制系統進行干預。目前，這類管道焊接機器人由于設備本身穩定可靠﹑耐用，仍然在工程中得到應用，如圖1 所示，上世紀90 年代由中國石油天然氣管道科學研究院自主研發的PAW2000 型管道焊接機器人。

圖1 PAW2000 型管道焊接機器人Fig. 1 PAW2000 pipeline welding robot

第二代具有感知功能的管道焊接機器人。這類機器人具備電信號﹑視覺等傳感功能。在焊接過程中，將糾偏與示教相結合，根據激光或電流﹑電壓等傳感器獲得的反饋信號，通過運動控制系統調整焊槍運動姿態以實現對焊縫進行實時跟蹤[6]。如采用電流﹑電壓等電信號傳感器對焊接過程中坡口尺寸發生變化產生的電弧電壓和焊接電流實施反饋，通過控制自動調整以保證坡口側壁的融合。圖2 所示為美國CRC-EVANS公司開發P625 型管道焊接機器人，利用電流電壓傳感技術在高焊速下完成焊槍水平和垂直方向跟蹤的應用[7]。

第三代是智能型管道焊接機器人。不僅可以集成多種傳感器實現對外部復雜環境變化的適應性，而且還能夠自主實現規劃決策和預定目標的實現，以完成更復雜的焊接任務。如：通過對管端坡口形狀﹑尺寸﹑對口間隙等關鍵參數進行采集﹑整理﹑判斷，自主進行焊接填充策略規劃和焊接工藝參數的自動匹配。很顯然，這對鋼管坡口的制備精度要求可以大幅降低，焊接過程中還可以通過多種傳感信號的采集進行焊接質量監控，當機器人發生故障時同時具有自我診斷﹑自我處理的功能，目前該類管道機器人尚在技術攻關階段，未見應用報道。

3 技術研發現狀

3.1 應用現狀

20 世紀60 年代末，美國CRC-Evans公司率先將管道全位置焊接機器人應用于長輸油氣管道施工[8-9]。隨著計算機自動控制焊接技術的不斷進步，德國VIETZ﹑英國NOREAST﹑法國SERIMAX[10]等公司也相繼開展研發和應用，并擁有較為先進的技術水平。截止目前，美國CRC-Evans公司作為油氣管道焊接機器人技術研發的引領者，已在全球范圍內焊接管道里程達9.6 萬km[7]。

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

1992 年，中國石油管道局開始管道焊接機器人自主研發，并于1998 年12 月在鄭州義馬煤氣管道取得應用。同時，為引進消化國外先進技術，我國自1999年從英國引進NOREAST管道自動焊接機器人，同年11 月，應用于港京輸氣管道[11]。歷經西氣東輸﹑中俄東線等石油天然氣管道建設的應用，管道焊接機器人在國內工程建設中占比越來越重，如表1，圖3 所示。目前，自動焊已成為高鋼級﹑大口徑管道焊接施工主要焊接方法，正在建設中的中俄東線(中段)天然氣工程﹑唐山LNG天然氣工程使用管道焊接機器人進行自動焊作業的比例更是接近100%。

圖3 管道機器人焊接工程應用比例Fig. 3 Pipeline welding robot application ratio in engineering

3.2 設備及工藝

隨著長輸油氣管道建設用鋼管強度等級提高至X70﹑X80 級別，管徑和壁厚的增大，管道施工管線通常采用U型坡口或復合型坡口，管道內焊接機器人打底焊接，外焊接機器人進行熱焊﹑填充和蓋面焊接的工藝進行規模性流水作業。

3.2.1 管道內焊接機器人

管道內焊接機器人主要完成管道根焊工序，圖4為中國石油天然氣管道科學研究院研制的CPP900-IW系列管道內焊機器人。國內外研制的管道內焊接機器人從外部結構到工作原理﹑技術性能均基本相同。設備根據管徑的不同，沿圓周分布4～8 個焊接單元，整個焊接過程采用對稱分步的焊接方式，即焊接單元先完成順時針方向焊接，回到起始位置后再完成逆時針方向焊接。每個焊接單元按照程序預設好的運動軌跡進行焊接，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。

管道內焊機器人為定管徑專用設備，不同管徑需要匹配相應尺寸的設備。在適用管徑尺寸方面，最大可應用至Ф1422 管徑，最小到Ф610 管徑。從技術的重復研發和應用成本方面考慮，這無疑將造成經濟浪費。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焊接機器人將是下一步重點研究方向。

圖4 管道內焊接機器人Fig. 4 Pipeline internal welding robot

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

3.2.2 管道外焊接機器人

管道焊接有別于其他金屬結構件焊接形式，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生需采用連續施焊，且不能使用點焊固定和防變形工裝。受坡口制備精度﹑組對精度以及局部加熱熔化和冷卻變形產生的影響，焊縫的軌跡在焊接過程中會發生變化。手工焊或者半自動焊時，有經驗的焊工可以根據焊縫的變化和空間位置變化進行焊槍姿態﹑焊接速度等參數的實時調整。而管道外焊機器人要適應這種變化，必須具備像人一樣的感知，然后做出相應改變。空間位置的改變通過安裝在機器人本體上的角度傳感器進行位置反饋[12-13]，使用DSP﹑FPGA或ARM等芯片對焊接機器人的擺動機構進行控制[14]，控制精度可以達到1 μs，故誤差精度δ為10-6s。此外，機器人根據空間位置的不同可以進行焊接速度﹑送絲速度﹑焊接電流等參數的調整，以滿足實際焊接需要。

受管道自身施工特點的影響，長輸油氣管道建設一般采用流水作業施工。焊接作業時將管道外焊接機器人置于防風棚內，為焊接過程提供一個相對密閉的空間，如圖5 所示。管道外焊接機器人由焊接電源﹑送絲系統﹑機器人本體﹑控制系統組成，其中機器人本體安裝有一個焊炬或兩個焊炬。焊接操作時將機器人分別置于管道的左右兩側，焊炬從管道的12 點或6點位置自上而下或自下而上進行全位置焊接，如圖6所示。其中，單焊炬外焊機器人一般采用直流短路過渡(GMAW)，焊炬擺動方式分別為平擺和角擺，其對焊接操作工的要求較低；雙焊炬外焊接機器人采用脈沖直流噴射過渡(PGMW)，擺動方式為平擺，焊接效率是單焊炬機器人的1.5 倍，對焊接操作工的要求比單焊炬更為嚴格。 目前工程在用的單/雙焊炬機器人均適用管徑323～1422 mm，壁厚30.8 mm以內的管道焊接，控制系統大都具備遠程無線傳輸﹑存儲和焊縫跟蹤等具有第二代管道焊接機器人特征的功能。美國CRC-EVENS的管道外焊接機器人除此之外，還具有自診斷﹑衛星定位等功能，技術性更為先進。

圖5 長輸管道焊接機器人流水作業Fig. 5 The mechanized current operation of welding robot for pipeline

3.3 幾種先進管道焊接機器人

為了研制更為高效﹑先進的管道焊接機器人，國內外企業和研究機構多年來從未間斷技術探索和工程應用的步伐。

3.3.1 多焊炬管道焊接機器人

多焊炬管道焊接機器人采用全自動焊接控制系統，驅動多個焊炬同時工作。系統采用液壓﹑機械聯合定位﹑旋轉驅動方式。其中焊接部分采用彈性轉臂結構，可提高管徑適應性，焊接操作配備多點焊縫跟蹤系統，確保焊縫質量，實現高效焊接，較適用于海洋油氣管道鋪設，機器人工位固定，鋼管流水的焊接作業方式。該類型焊接機器人以八焊炬為例，8 套焊接單元同時焊接，每套焊接單元需要4 臺驅動電機，再有旋轉大盤驅動行走及焊縫跟蹤控制，整個系統至少需要控制36 臺電機，因此多焊炬運動控制是關鍵也是難點，不僅要高度集成運動控制，還需要與焊縫自動跟蹤﹑焊炬自主尋位﹑以及焊接電源的數據進行高度融合。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焊運動控制系統經試驗驗證能夠完成管道焊接。從技術成熟應用角度來講，還應在多焊炬同步引弧﹑焊接過程分段時變參數以及焊縫變位置搭接方面進行技術再完善。

圖6 機器人焊接過程Fig. 6 Welding process of robot

法國SERIMAX公司研制成功的四頭雙炬焊接機器人[17](見圖7)，采用左右對稱分布布局，每側2 個焊接單元，每個焊接單元上安置2 個焊炬，適應于管徑36″～48″的近海油氣管線鋪設。焊接過程中，系統驅動8 個焊炬同時工作，每個焊接單元分管圓周的1/4，左側與右側的兩個焊炬進行向下焊作業。系統采用往復旋轉定位和焊縫跟蹤技術，并采用焊接專家系統控制焊接過程和復雜的焊接工藝參數，與現有的單/雙焊炬焊接機器人相比，可提高焊接效率50%以上。該機器人在英格蘭藍格勒的1200 km海底管線中進行了應用，每道焊口僅需6 min，展現了很高的焊接施工效率。

此外，美國J.Ray Mcdermott公司研制的6 焊炬JAWS焊接系統，每個JAWS焊接系統有14 個伺服軸，系統通過運動控制﹑過程控制以及焊接電源的實時協同控制，配備激光焊縫跟蹤完成管道全位置自動焊[18]。

3.3.2 激光—電弧復合焊接機器人

圖7 八焊矩自動外焊接機器人[17]Fig. 7 Eight torches automatic external welding machine[17]

激光—電弧復合焊技術是目前焊接領域研究的熱點，與傳統焊接工藝相比，激光—電弧復合焊兼具了激光焊焊速快﹑熔透性好﹑可以無坡口焊接等優點，同時又彌補了電弧焊熔深不足的問題，具有能量密度高﹑熱輸入量小﹑焊縫深寬比大﹑變形小等特點[19-20]。與激光焊相比，激光—電弧復合焊焊縫橋接能力增強，焊接前對管道坡口的制備精度和組對精度要求降低，對錯邊誤差的適應能力增強。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]。國內外研究機構開展了一些關于光纖激光—電弧復合焊管道全位置焊接的技術研究，德國焊接教育與培訓研究所國際有限公司哈勒研發部設計具有多自由度的復合焊執行機構，與10 kW光纖固體激光器配合，通過弧形引導機構和焊槍夾持機構調整激光和電弧間的距離和位置，達到最優兩者間的最優組合，在管口最對間隙和錯變量較大的情況下，可以焊出鈍邊為8 mm的高質量根焊焊口，其試驗結果為管道激光—電弧復合焊接的適應性和全位置工藝參數的選擇提供了可借鑒的經驗[22-25]。S.GOOK 等[26]采用激光—電弧復合焊系統焊接 X80 及 X120 管線鋼，試驗表明顯微硬度值﹑低溫沖擊韌性﹑接頭抗拉強度均滿足要求。中國石油天然氣管道科學研究院研發的激光—電弧復合焊接機器人(見圖8)，主要由焊接執行機構(焊接小車﹑導向軌道﹑復合焊炬)﹑智能控制系統﹑激光發生器等組成，智能控制系統根據不同空間位置實時調節激光功率﹑焊接電流﹑焊接電壓﹑焊接速度等工藝參數，焊縫跟蹤控制系統通過應用激光視覺傳感系統與結構光學原理獲取焊縫圖像信息，經過圖像處理﹑擬合得到焊縫位置信息，實現實時糾正焊炬與焊縫中心偏差，系統協同配合完成管道全位置高效焊接，目前該機器人同樣能完成8 mm厚鈍邊的一次焊接成形。但試驗中發現，激光—電弧復合焊根焊過程中仰焊位置容易出現內凹，魏強[27]等人針對X70 管線鋼建模并仿真激光—弧焊全位置復合焊接過程，通過有限元分析得出270°和90°位置敏感度大，容易形成焊漏或者焊塌現象，也進一步印證了該位置容易產生缺陷。

該技術距離工程應用還需要進一步的技術攻關。一方面通過研究離焦量﹑光—絲間距等焊接工藝參數間的關系，解決焊接接頭的內部缺陷和仰焊位置的內凹缺陷；另一方面通過改善焊接小車行走穩定性和激光光束的對中精度，提升現場復雜工況下機器人焊接系統的適用性和穩定性將是實現工業化應用的主要研究工作[28]。

3.3.3 雙絲管道焊接機器人

在管道激光復合焊接技術成熟之前，串聯雙絲焊被認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CLOOS公司開發的Tandem串聯雙絲焊接系統應用較為成熟，系統具有兩個獨立的電源和送絲機構，在焊接參數調節時可以獨立控制，保證了焊接熔池中焊絲與焊絲之間的協調轉移，以及焊接過程中電弧穩定和焊接質量，現場應用證實效率明顯提高。

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

雙絲管道焊接機器人結合雙絲焊接技術，主要由焊接小車﹑軌道﹑雙絲焊炬﹑雙絲協同控制系統﹑專家焊接系統等組成，雙絲焊將兩根焊絲按一定的角度前后排列放在一個焊炬里，兩根焊絲分別由各自的電源獨立供電，相互絕緣，送絲速度及其它所有的參數都彼此獨立，兩根焊絲的直徑﹑通過送絲協同裝置合理的控制電弧，在保證每個電弧穩定燃燒的前提下，將兩個電弧的相互干擾降到最低。雙絲焊焊接時，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，實現較大的熔敷率，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。由于存在前后兩個電弧，熔池的幾何尺寸加長，熔池中的氣體有充足的時間析出，氣孔傾向極低。該技術與常見的單絲熔化氣體保護焊相比，飛濺小﹑熔敷率高﹑焊接速度和質量更高[29-32]。

美國CRC-Evans﹑法國SERIMAX﹑韓國現代重工以及加拿大的RMS公司作為系統集成商已將串列雙絲系統集成在管道焊接設備中[33-35]。其中，美國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，已應用于Stittsville Loop項目[36]。法國SERIMAX生產的SATURNAX雙絲焊接系統，配備米勒電源應用于哥倫比亞Spadeadam項目﹑中國的荔灣3-1 海底管線(管徑Φ762 mm，壁厚30.2 mm)，焊接效率高，焊縫質量好，返修率低，對于大口徑﹑大壁厚管道而言，焊接優勢非常明顯[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焊方式[39]。中國石油天然氣管道科學研究院于2011 年也開發了單焊炬雙絲焊焊接機器人，如圖10﹑圖11 所示[40]，采用PC+DSP可編程運動控制器的控制模式，進行窄間隙U型坡口，內焊機根焊﹑雙絲焊填充﹑蓋面焊接試驗，獲得了高質量焊口。以上實驗和應用證明，雙絲管道焊接機器人結合雙絲焊接技術已具備規模推廣應用條件，應結合野外工況的適用性進行技術完善后，大力推廣使用。

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

3.3.4 攪拌摩擦焊機器人

攪拌摩擦焊(簡稱FSW)是一種先進的固相連接工藝，目前，利用FSW 技術已可以完成管線鋼的焊接，與傳統的熔化焊相比，接頭不會產生熔化焊過程中由于金屬凝固產生的裂紋﹑氣孔及合金元素的燒損等焊接缺陷，接頭強度高[41-42]；焊接無需坡口制備﹑填充材料﹑保護氣體等處理工作，操作環節簡單；焊接所需能量僅為傳統焊接方法的20%左右，具有更高的能量效率；焊接過程中無弧光輻射﹑煙塵和飛濺，噪音低，施焊環境友好[43]。

圖10 單焊炬雙絲自動焊接機器人[40]Fig. 10 Tandem automatic welding robot for pipeline[40]

美國與日本在管線鋼攪拌摩擦焊接方面的研究較領先，但其應用遠不如鋁鎂合金材質。美國A.Ozekcin等人用攪拌摩擦焊焊接X80 鋼，焊縫晶粒組織比傳統熔焊小很多[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組織的影響[45]。日本大阪大學Hidetoshi Fujii等人研究了不同碳含量的攪拌摩擦焊工藝[46]。

美國MEGASTIR公司一直致力于高熔點材料的FSW應用開發，該公司研制了配備強制冷卻裝置的多晶立方氮化硼PCBN攪拌頭[47]，與美國能源部合作成功開發了用于油氣管道焊接的便攜式環形攪拌摩擦焊接機器人。設備攪拌頭組件環繞在管道圓周上，焊接時采用一個旋轉頭，FSW攪拌頭在外側，同時可伸縮的心軸在管道內部對焊縫背面進行支撐，完成焊接。該設備2003 年應用于X65﹑Ф305﹑13 mm壁厚管線鋼的焊接[48]，見圖12。美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的管道攪拌摩擦焊接項目致力于復合FSW技術和焊接系統開發，用于管道厚壁的多層多道焊，目前研究成果尚未公開。國內駱宗安[49]等人研制了油氣管道環焊縫攪拌摩擦焊機器人，系統主要由支撐系統﹑夾持系統﹑環形運動驅動系統﹑ 攪拌頭系統與退出孔消除系統組成，利用該設備可以快速﹑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可靠性，FSW技術及裝備在油氣管道的工業化應用還需要在以下幾方面重點研究：適用于管道厚壁焊接的攪拌頭設計﹑集成復雜的測控系統(包括壓力測控﹑溫度測控﹑焊縫跟蹤等)的機器人攪拌摩擦焊機頭設計﹑集成多功能控制傳感的機器人攪拌摩擦焊控制系統設計，控制攪拌頭溫度維持穩定的同時，通過焊縫跟蹤的設計，提升焊接過程攪拌頭軸向壓力控制，實現復雜焊接軌跡和姿態的精準控制[50-51]。

4 存在的問題及挑戰

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

雖然管道焊接技術在高效焊接工藝和焊接機器人的融合配合下，已經在自動化程度﹑焊接效率以及焊接質量控制等方面取得了快速發展，但在工藝要求甚高的油氣工程實際應用方面仍然存在一定的技術瓶頸，無法完全取代高技能技工，主要表現在以下幾個方面。

4.1 焊接運動軌跡的規劃

管道現場施工中，管道經常因外界溫度變化﹑運輸和裝配等因素受到擠壓或變形，造成管口對口偏差且偏差都是隨機的，針對此種情況，焊工可以根據現場施焊情況，動態調整焊接運動軌跡的規劃和選擇。而管道焊接機器人只能按照事先設定的焊接程序進行焊接，一旦焊接外界條件發生如錯邊量超標﹑對口間隙不一致﹑熱變形﹑坡口形狀變化等偏差出現，將影響機器人精度，且偏差沒有穩定的公式。因此，很難找到一種理想的方法來模擬實際被焊管道。

4.2 焊接過程中的焊縫跟蹤[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防焊接變形的點焊點固措施都不影響正常焊接。

管道焊接機器人通常采用視覺系統和電弧跟蹤系統進行跟蹤，從經濟性分析，視覺跟蹤需要系統額外配置激光器﹑基于 CMOS﹑基于 CCD等傳感器，無疑增加了設備體積﹑重量和固定成本投入。相較之下，采用電弧跟蹤僅依據焊接電弧自身的變化情況判斷焊炬偏差，結構簡單﹑可達性﹑實時性好，經濟優勢明顯，在長輸油氣管道焊接中普遍應用[53-55]。從技術可靠性分析，由于焊接過程中電弧狀態受強烈的弧光﹑電弧噪聲﹑焊接飛濺﹑煙塵﹑大電流引起的磁場變化以及熔滴過渡不穩定造成的焊絲短路等多重因素干擾，機器人要精確地提取和監測焊縫跟蹤需要的電信號或視覺信號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，視覺跟蹤不僅受上述因素干擾，還往往存在視覺盲區導致跟蹤效果欠佳。電弧跟蹤除了受電信號采集波動之外，還容易受到坡口制備精度和對口精度的影響，易產生側壁未熔合缺陷。再者，由于管道實際焊接條件復雜，管件變形﹑下料誤差大(尤其是連頭碰死口)等問題都有可能導致焊縫寬度的變化。焊縫的不規則變化更易出現缺陷，這就要求機器人必須能夠自適應焊縫寬度的不規則變化，通過判斷焊縫的實際寬度，實時調整焊槍的擺動幅度和擺動頻率，提高機器人抗干擾能力。為此，需要通過提取焊縫寬度變化信息，建立自適應算法控制模型，計算出焊縫變化后的擺動參數反饋控制系統，驅動焊槍進行相應的補償，來提升機器人焊縫寬度自適應能力[56]。

4.3 焊接質量的在線監測及缺陷預防

目前，管道焊接常見的缺陷如未熔合﹑氣孔﹑裂紋﹑焊漏等，更多的是通過力學性能﹑金相觀察試驗﹑射線探傷﹑超聲波等方法進行焊后檢驗，對焊接的實際內部過程無法真正了解，對出現焊接的缺陷原因難以查找。為此，國內外積極開展機器人在線實時監測﹑檢測及缺陷預防研究。運用電弧傳感技術采集電弧的電流﹑電壓﹑聲音﹑光譜以及溫度等信號，通過對這些信號進行綜合判斷分析達到控制焊接質量的目的。其中，利用光譜信號可以檢測熔池振蕩﹑熔滴過渡等[57-58]，電弧信號主要用在熔透控制﹑焊接缺陷監測等方面[59-60]。

德國HKS公司研發的TPS(Thermo Prof il Scanner)焊縫成形溫感掃描系統，可以對焊縫溫感輪廓進行測量，隨著熔池隨電弧不斷地移動，通過生成完整的熱映圖像獲取信息，反映焊縫的質量情況。該系統對焊縫熱能分布的可視化及參數化描述實現對焊接過程質量精準﹑有效地控制，具體反映在：對焊縫位置﹑焊縫寬度﹑熱輸入的不對稱性﹑內部氣孔及過熱裂紋﹑邊緣熔合問題及熔深的波動等缺陷進行信息采集與分析，并且可以實現焊縫過程質量的回放，便于焊后分析。目前該系統主要用于科學研究，在工程現場使用的焊接機器人尚未得到工業應用。

圖13 安裝TPS系統的管道焊接機器人[61]Fig. 13 Welding robot for pipeline by installing TPS system[61]

4.4 特殊工況下管道焊接機器人適應性

與工廠作業環境清潔﹑工位固定的機器人焊接方式不同，長輸油氣管道流動性施工，其作業點隨施工進度而不斷的發生變化，對保證焊接質量增加了難度。施工工況面臨著山區陡坡﹑水網﹑沙漠戈壁等地貌迥異的特殊環境，同時又要經歷我國從東北地區的嚴寒到新疆地區的高溫考驗。作業環境惡劣，對焊接機器人的重復性﹑穩定性﹑外界環境溫度的適應性均提出了高要求。同時，針對主體管道變壁厚﹑彎管﹑連頭碰死口﹑預制管﹑閥室站場等特殊場合的焊接作業，焊接機器人的適應性明顯不足。

4.5 管道焊接機器人的專用焊接電源

管道焊接要求數字控制電源需具有較強的抗干擾性﹑起弧和收弧的精確控制功能以及故障自檢和自處理能力。而目前管道焊接機器人多采用通用型的數字焊接電源，針對管道特點的專用數字控制電源開發較少，顯得“大材小用，面廣而不精”。管道焊接機器人配套焊接電源，國外進口設備占主導地位，如奧地利FRONIUS公司的TPS/i系列電源，芬蘭KEMPPI公司FASTMIG X系列，這些高端數字電源適應性廣，除了金屬焊接外還可以進行鋁合金﹑鎂合金的焊接。其中，FRONIUS公司的TPS500i電源可以提供PMC—多功能脈沖焊工藝，既可以實現長弧長脈沖電弧焊又可以實現短弧長脈沖電弧。國內的四川熊谷公司﹑山東奧太公司也在加快國產化應用步伐，部分管道焊接專用電源已在工程取得應用。

5 發展趨勢

5.1 焊接路徑的自主規劃和自適應焊縫跟蹤

針對多層多道焊的管道環焊縫焊接，采用視覺或觸覺傳感器對整條坡口和焊縫進行掃描，對管道坡口形狀﹑坡口尺寸﹑已焊焊縫的特征點以及焊縫位置，包括焊縫長度﹑寬度和方向等信息進行提取，通過算法運算，識別和分析。管道焊接機器人根據坡口和焊縫的識別分析結果，獲取焊接路徑點，包括每個點的機器人的位置坐標以及焊槍的姿態，并進行優化，獲取更加理想的路徑點和焊槍姿態，并以此自主規劃機器人的運動路徑，實現管道環焊縫的柔性焊接規劃。

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，自適應焊縫控制技術不僅需要精確的跟蹤焊縫軌跡，而且能夠根據工況實時的控制焊接過程的變量，實現焊縫高度﹑寬度的恒定。因此，開發多種自適應PID控制方法﹑模糊焊接控制，人工神經網絡或復合焊接控制等智能焊縫跟蹤控制方法，尋求適用于長輸油氣管道環焊縫焊接條件和坡口類型的智能焊縫跟蹤系統成為亟需。

5.2 焊接機器人遠程故障診斷

管道焊接機器人在施工作業過程中采用多機協同作業，每一個焊接工作站負責一個1～2 個焊層的焊接，一個焊接工作站出現故障，將會直接影響到整體的流水焊接作業。出于安全考慮，管道焊接施工往往處于人口稀少﹑社會依托差的地區，對焊接機器人的現場故障處理帶來了極大的挑戰。為此，依托大量工程應用積累﹑建立的焊接專家系統，對焊接機器人實施遠程監控及故障實時診斷，建立起網絡化的實時監控系統和故障處理系統是管道焊接機器人發展的一個趨勢。

5.3 人工智能、人機共融

目前，管道焊接機器人還得需要熟練的焊工控制機器人完成焊接任務。隨著人工智能技術的發展和應用，通過系統學習﹑深度學習對機器人進行訓練，將熟練焊工的經驗轉化為可以進行訓練的樣本，使焊接機器人更加智能化，機器人可以指導非熟練焊接人員進行焊接參數的調整﹑焊接軌跡修正的同時與數字電源進行協作調整電源波形﹑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周期。

人機共融即機人互動﹑人機互動共同完成管道焊接作業。人機共融將人與機器人由主仆關系變為伙伴關系，開啟了與以往工業機器人的人機關系本質不同的新型機器人研究[62]，人機共融是下一代管道焊接機器人的本質特征。

6 結束語

油氣管道是國家工業發展的命脈，是實現能源生產和消費革命的重要支撐。今后10—15 年，中國油氣管道建設仍將處于高峰期，油氣管網總里程將超過30萬km，預計將基本建成現代油氣管網體系[63-64]。

隨著管道自動焊接技術的快速發展，針對不同鋼級﹑不同管徑壁厚﹑不同焊材的多種自動焊接工藝和規范參數也將呈現多樣性的應用，這勢必對油氣管道焊接質量一致性和穩定性提出越來越高的要求。為此，研發適用性強的高效管道焊接機器人，進一步提高管道焊接質量，實現焊接自動化生產﹑減少焊接缺陷為管道焊接機器人智能化研發道路提出了更高的要求。