跟蹤系統在窄間隙埋弧焊中的應用現狀

張 磊，王博健，付 傲，鄭永杰，劉滿雨，孟顯偉，宋 揚

1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028 2.中國機械科學研究總院集團有限公司，北京 311227 3.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

窄間隙埋弧焊接技術是在比常規坡口窄得多的坡口內完成多層多道焊的工藝方法，是厚壁接頭焊接技術的一次重大革命[1-2]，其常見的坡口形式如圖1所示。與普通埋弧焊相比，其具有以下優點：①坡口截面積比常規坡口小得多，因此生產效率高。并且隨著產品厚度的增加，這種優勢越發明顯。板厚為100 mm，采用相同焊接工藝參數時，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，當窄間隙坡口完成焊接時，開60°和16°坡口角度的普通埋弧焊僅完成30%和64%；②焊縫與坡口側壁過渡圓滑，焊渣可以自行脫落；③焊接接頭的殘余應力以及氫的含量低，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，各道焊縫金屬化學成分的均一性和純凈度高；⑥自動化程度高，勞動強度低，焊工水平的差異對焊接質量的影響較小[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的應用始于20世紀80年代初[7]。當時世界上的一些工業發達國家，如蘇聯、美國、意大利、日本、法國、西德等相繼采用該技術焊接了石化高壓容器、電站鍋爐厚壁鍋筒、核反應堆壓力容器和蒸汽發生器、水輪機軸等，取得了預期的效果[8-10]。

我國從20世紀80年代起，相繼從國外成套引進窄間隙埋弧焊技術及裝備，并投入生產運行，取得了一定的經濟效益。同期，國內科研院所也相繼開展了該技術的消化、吸收及再創新工作，其中哈爾濱焊接研究所最具代表性，在林尚揚院士的帶領下自主設計了世界首臺雙絲埋弧焊設備并成功應用于壓力容器產品主焊縫的焊接[11-15]。

1 跟蹤系統的意義

跟蹤系統作為窄間隙埋弧焊接的關鍵技術，其穩定性、可靠性、以及持久重復性是核心[16-17]。必須有效地保證焊絲與坡口側壁距離以及干伸長恒定，才能保證焊縫與坡口側壁過渡圓滑，達到側壁熔合良好，焊渣自動脫落，連續持久自動焊接等效果。窄間隙埋弧焊的所有技術優勢都以穩定、可靠的跟蹤系統為支撐，如果跟蹤系統失靈、不穩定或精度不滿足焊接工藝及焊接自動化的要求，其所有技術優勢都無從談起。

1.1 焊接工藝的要求

為了實現焊接過程坡口側壁熔合良好、焊縫與坡口側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壁的距離以及干伸長保持在一定的工藝窗口范圍內，如圖3所示。通過工藝試驗及生產實踐，認為焊絲端部距離坡口側壁距離等于焊絲直徑，偏差在±0.25 mm范圍內；干伸長數值在30～40 mm范圍內選取，數值波動在±0.5 mm范圍內，可以確保焊接過程滿足工藝要求，焊接質量合格。

圖3 焊槍進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，滾輪架拖動其轉動的過程中會使筒節向一側竄動。如果焊槍的位置不發生等量的隨動，焊絲端部距坡口側壁的距離將比靜止狀態下調整好時的距離產生偏差，最終導致側壁熔合不良或者咬邊等缺陷。筒節不圓，其轉動時也會導致干伸長發生變化，如果焊接機頭不能通過升降來抵消這種變化，將導致干伸長不穩定，進而影響焊接過程的穩定[18]。

圖4 被焊筒節、滾輪架Fig.4 Welded cylinder section and roller carrier

1.2 焊接自動化的要求

窄間隙埋弧焊通常用于焊接厚壁產品，一條焊縫的焊接時長普遍超過24 h。因此需要焊接設備具有較高的自動化程度，以降低焊工的勞動強度。焊接左側時，要以左側坡口為基準，滿足焊接工藝要求。當左側焊完一圈，并且搭接一定距離后，需要焊絲指向坡口右側，并以坡口右側為基準，滿足焊接工藝要求。當焊完一層焊道后，焊槍自動提升一層焊道厚度的距離，來彌補焊層厚度的增加對干伸長造成的影響，再進行下一層焊道的焊接。純靠人工操作幾乎難以實現，即使可以實現，焊接時間太長也會給焊工帶來極大的工作強度。跟蹤系統較好地解決該問題，同時為實現焊接自動化提供了基礎條件[19-20]。

2 跟蹤系統的種類

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°，產品壁厚普遍在80～350 mm之間，深而窄的坡口對跟蹤系統的設計和選擇帶來了較大的困難。目前，在窄間隙埋弧焊領域，跟蹤系統有接觸式和非接觸式兩種技術形式[21]。

2.1 接觸式跟蹤系統

接觸式跟蹤系統通過傳感器與被焊工件坡口側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。

在工件靜止狀態下，調整好焊接機頭位置以達到滿足焊接工藝要求的程度后將跟蹤數值記憶。當工件開始運動時，坡口側壁以及焊道表面會對傳感器進行不同程度的擠壓導致傳感器輸出信號的變化，將此時跟蹤數值與靜止狀態下記錄好的跟蹤值進行比較，從而控制十字滑板的縱向和橫向電機，向記憶的跟蹤值移動以減小跟蹤偏差，從而實現焊縫跟蹤。

2.2 非接觸式跟蹤系統

激光視覺傳感技術作為非接觸式跟蹤系統普遍選用的技術，近年來發展較快，已成功應用于焊接的多個場景中，為解決窄間隙埋弧焊接跟蹤系統提供了全新的思路[22-28]。

激光視覺傳感系統的基本構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，現有的CCD或CMOS攝像機可清晰地攝取激光影像。在激光視覺探頭內以特種方式同時安裝了激光發生器和攝像機。當激光投射到被測焊接工件上時，所形成的激光帶形狀由攝像機成像，從中可析取焊接接頭形狀的數據，如圖5所示。

圖5 坡口成像示意Fig.5 Groove imaging diagram

如果焊槍與焊縫發生橫向或者縱向偏移，激光條紋圖像的位置也會相應改變。因此，激光視覺傳感器只要沿著焊接行進方向，不斷采集工件坡口圖像，提取特征點并與參考點比較，通過視覺標定技術便可得知縱向和橫向上的實際偏差從而指導焊槍跟蹤焊縫[29-30]。

3 跟蹤系統的應用

經過40余年的實踐發展，窄間隙埋弧焊應用最成熟的跟蹤系統是接觸式跟蹤系統。但隨著各種CPU的出現及圖像處理技術的發展，基于激光視覺傳感的非接觸式跟蹤系統，因具有適用性廣、穩定性好、精度高、抗干擾性好等優點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用[31-35]。

3.1 接觸式跟蹤的應用

采用接觸式跟蹤技術的窄間隙埋弧焊接設備制造企業有瑞典的伊薩公司[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，其早期跟蹤系統屬于機械式光電跟蹤，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，從而在支點處使頂桿上下運動；在頂桿上還同時安裝有跟蹤爪，該跟蹤系統的跟蹤爪是單側跟蹤爪，當焊接左道或中道時，跟蹤爪靠向左側坡口側壁，當焊接右道時，跟蹤爪通過氣動的方式靠向右側坡口側壁，如果側壁不光滑或坡口發生竄動時都會對跟蹤爪造成擠壓，從而使安裝發光二極管的托架圍繞頂桿產生偏轉[39]。

圖6 伊薩公司雙絲窄間埋弧焊隙機頭Fig.6 Double wire narrow gap saw head

圖7 伊薩跟蹤系統的結構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光二極管發出的光通量。垂直方向上的U和D光敏三極管分別檢測高度跟蹤實時值相對于設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定值與實時值的偏差±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時值相對于設定值的左右偏移量±Δx，如圖9所示[40]。將±Δx與±Δz轉化為電壓信號傳送給控制器，使電機帶動滑板縱向和橫向移動，保證焊絲與側壁的距離和干伸長的穩定。

圖9 坡口側面不平直引起橫向跟蹤設定值與實時值的偏差±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備（見圖10），其跟蹤系統屬于機械式電位器跟蹤。經過對設備不斷的完善升級，已經成功應用于中國一重、東方鍋爐、蘭石集團、上海電站輔機廠等重點壓力容器企業，累計銷售300余臺。

圖10 哈爾濱焊接研究所雙絲窄間隙機頭Fig.10 Double wire narrow gap machine head developed by Harbin Welding Research Institute

其跟蹤系統如11圖所示，該跟蹤系統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行擠壓，輸出一定范圍電壓，通過工件側壁對兩側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電位器進行旋轉，輸出一定范圍電壓，與設定值進行比較后，由可編程邏輯控制器（PLC）發出指令控制十字滑板帶動機頭縱向和橫向移動。與伊薩設備不同，哈焊所跟蹤系統的跟蹤爪是雙側跟蹤爪，焊左側時，左側跟蹤爪起作用；焊右側時，右側跟蹤爪起作用。近年來，隨著技術交流與借鑒的增多，伊薩設備的跟蹤系統也采用了雙側跟蹤爪，并將傳感器更換為電位器式。

圖11 跟蹤系統Fig.11 Tracking system

伊薩設備的跟蹤操作方式與哈焊所設備的跟蹤操作方式大致相同，這里以哈焊所設備為例，介紹跟蹤系統的使用方法。

在使用橫向和縱向自動跟蹤功能之前，需在工件靜止時對橫向跟蹤爪和高度跟蹤輪進行示教。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。將焊槍向左側擺動，調整焊絲端部距離坡口左側側壁一個焊絲的距離，記憶左側跟蹤設定值；將焊槍向右側擺動，調整焊絲端部距離坡口右側側壁一個焊絲的距離，記憶右側跟蹤設定值，高度跟蹤設定也隨之記憶。跟蹤參數修改頁面如圖12所示。

圖12 跟蹤參數修改頁Fig.12 Tracking parameter modification page

跟蹤系統的實時數值在運行參數界面顯示，如圖13所示，當跟蹤實時值與設定值的差值大于工藝誤差范圍值時，跟蹤系統開始運行，由PLC控制縱向和橫向十字滑板電機，使跟蹤實時值逼近跟蹤設定值，完成跟蹤動作。

圖13 參數運行頁Fig.13 Parameter operation page

3.2 非接觸式跟蹤的應用

采用非接觸式跟蹤技術的窄間隙埋弧焊接設備制造企業有美國的艾美特公司，其采用英國Meta公司為其定制開發的激光視覺跟蹤系統。其機頭和激光視覺跟蹤系統如圖14、圖15所示。

圖14 艾美特雙絲窄間隙埋弧焊機頭Fig.14 Double wire narrow gap submerged arc welding head developed by Airmate company

圖15 激光視覺跟蹤系統Fig.15 Laser vision tracking system

META激光視覺跟蹤系統主畫面如圖16所示，當激光器打開時，畫面顯示所探測到的輪廓如圖17所示。表面輪廓圖像經分析，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前的“跟蹤位置”，大號灰色十字線表示當前跟蹤的“基準位置”[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

激光傳感跟蹤系統應在每道焊縫焊接時，自動將焊槍定位，而無需操作人員再干預，為此，在焊接新焊縫之前需進行示教操作。工件靜止時，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（當前“跟蹤位置”與跟蹤“基準位置”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點進行跟蹤，如果當前跟蹤位置與跟蹤基準點有偏差時，激光跟蹤向控制器發出信號從而控制十字滑板電機進行移動，使“跟蹤位置”逼近“基準位置”完成跟蹤[42-43]，如圖18所示。

圖18 當前跟蹤位置與基準點產生偏差Fig.18 The current tracking position deviates from the reference point

3.3 非接觸式+接觸式復合跟蹤系統的應用

雖然以激光視覺技術為代表的非接觸式跟蹤系統在窄間隙埋弧焊接領域有一定數量的應用案例。但其在推廣應用中存在以下問題：（1）傳感器景深較小，如要實現大厚度產品焊接（如產品壁厚200 mm），需要傳感器離工件表面較近（約50 mm）。工件預熱溫度往往要求200℃以上，傳感器長時間在這種工況條件下工作，對其散熱能力要求較高。傳感器損壞的風險較大。（2）此類傳感器的價格較高，普遍在30萬元左右。

機械接觸式跟蹤機構具有良好的穩定性和可靠性，但在長期的工程實踐中發現其容易受焊劑、灰塵干擾而影響傳動精度，甚至發生跟蹤失效等情況。如果將激光視覺傳感器當做機械跟蹤的“眼睛”，實時監測焊槍兩側距坡口上邊緣的距離，來判斷機械跟蹤是否失靈，這樣激光視覺傳感與工件表面距離較遠，受溫度影響較小，可以大大降低對激光視覺傳感器的技術要求。

哈爾濱焊接研究所提出了一種非接觸式+接觸式復合跟蹤系統，是解決窄間隙埋弧焊接工程應用的一種全新嘗試，如圖19所示。用機械跟蹤裝置實現焊縫跟蹤，激光視覺傳感器用于監測焊槍兩側距坡口上邊緣的距離，如圖20所示，以判斷機械跟蹤是否失靈。在工件靜止時先設定好槍兩側側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定值。在機械跟蹤正常運轉的情況下，焊槍兩側側壁距坡口上邊緣的距離會大于這個設定值。當焊槍兩側側壁距坡口上邊緣的距離有一側小于設定值時，必定是跟蹤失靈的情況，此時觸發激光測距傳感器警報，強制設備停機以保護焊接設備和焊接產品的安全。

圖19 窄間隙機械式跟蹤與激光跟蹤相結合Fig.19 Combination of narrow gap mechanical tracking and laser tracking

圖20 激光視覺傳感器監測焊槍兩側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

4 結論與展望

本文從跟蹤系統的意義、跟蹤傳感器的種類以及跟蹤系統的應用三個方面，對跟蹤系統在窄間隙埋弧焊中的應用現狀進行了梳理和總結。目前，已有的跟蹤技術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、價格高昂的問題。隨著制造企業對智能化發展的渴望，對進一步降低焊工勞動強度和焊工技術水平要求的現實需求，開發既穩定可靠又能實現無人化或者少人化焊接操作的跟蹤系統，將是窄間隙埋弧焊未來的技術發展方向。