水下焊接机器人技术发展现状及趋势

2008年11月30日 《机器人技术与应用》 112008年11月30日《机器人器人技术与应用》 111

0、引言

实现高效低成本焊接自动化一直是焊接科研工作者努力的方向，其中水下焊接自动化的实现要比在陆地上困难得多，水下环境对焊接工艺、焊接装备、焊接自动化技术等都是严峻的挑战。

随着人们在海洋的能源开发工程、船舶远洋运输、水上救助等活动的展开, 大型船舶、海洋钢结构如海底管道、海洋平台、海上机场、海底城市、跨海大桥等大量涌现，它们的建造与维修以及安全与可靠性都和水下焊接技术密切相关。同时,水下焊接也是国防工业中一项重要的应用技术,用于舰艇的应急修理和海上救助。此外，随着国家大力发展水利水电事业，水下钢结构物的维护与修理也亟需水下焊接技术。因此水下焊接技术作为水下工程建设与维护必不可少的关键技术，得到越来越多的重视与应用。

目前，我国的水下焊接技术基本上还停留在手工焊接的水平，长期以来，人们都是使用潜水员潜入水底进行水下焊接。由于人的生理极限的限制，人类利用普通混合气体潜水最大深度为100m，利用饱和气体潜水的最大深度也只有650m。对于结构强度要求高的地方，人们通常采用水下干法焊接方式，这种方法构造压力容器仓耗时长、费用高，也非常不灵活。1、水下焊接技术发展现状1.1 人工焊接

水下焊接方法分为水下湿法焊接、水下干法焊接和水下局部干法焊接三大类。不论湿法焊接还是干法焊接，目前最为普遍和广泛使用的还是人工焊接方法，即派潜水员潜入水底或者水下压力仓中，采用SMAW （shielded metal arc welding）方式，按照特定的规程进行操作。对此，美国还专门制定有专门的手册《U.S NAVY UNDERWATER CUTTING &WELDING MANUAL》，以规范水下焊接操作。人工焊接方式优点是设备简单、

操作灵活，适应性强、费用低，缺点是受到人的极限潜水深度的限制，对人员素质和安全问题要求特别高。1.2 机械化或自动化

实现水下焊接自动化主要有三种方式：水下轨道焊接系统、水下遥控焊接、水下焊接机器人系统。轨道焊接要求安装行走轨道，所以受人的潜水深度限制。遥控焊接一般难以达到焊接精度要求。近年来，基于特定用途的机器人得到迅猛发展，水下焊接机器人被认为是未来水下焊接自动化的发展方向。

水下焊接机器人首先可以使潜水焊工不必在危险的水域进行焊接，保证人员生命安全；其次，可以极大地提高工作效率，减少或去除手工焊接所需的生命维持系统及安全保障系统，增加有效工作时间，提高焊接过程的稳定性和一致性，获得更好的工程质量和经济效益；最后，可以满足人们深水焊接的需要。在深水中，人们很难进行手工焊接，有些工作必须借助各种专用设备，如高压干式焊接舱，但焊接空间、焊件形状、过高的水压往往限制干式焊法的使用，因此水下焊接机器人是最理想的选择。焊接设备由手工向水下焊接自动化的方向发展已成为必然的趋势。

由于水下环境的复杂性和不确定性，水下机器人在焊接领域的主要应用是焊缝无损检测和裂纹修复，这在英国北海的油井和天然气生产平台中得到了应用，但世界上完全将水下焊接作业交由水下机器人完成的例子还没有。2、水下焊接自动化关键技术问题

将水下机器人与焊接机器人结合，形成水下焊接机器人，除了解决水下机器人和焊接机器人本身的问题外，水下焊接的辅助工作量往往大于真正实施焊接的工作量，如：水下焊缝跟踪、水下焊接质量控制、水下机器人稳定定位、水下遥控焊接、水下焊接目标寻找定位和避障（涉及三维轨迹规划）、水下切割、水

张 华 李志刚 南昌大学机电研究所

[摘 要]介绍水下焊接技术发展现状，探讨水下焊接机器人研究的关键技术问题，综述水下焊接机器人的技术发展趋势。 [关键词]机器人；水下焊接；自动化

12 《机器人技术与应用双月刊第6期12《机器人技术与应用》双月刊

第6期下结构物焊前清扫和给焊缝打坡口等。2.1 焊接工艺

在水下湿法焊接方法中，SMAW使用最为广泛，但使用这种方法焊接质量较低。相较于SMAW，FCAW（flux cored arc welding）能够有效减少焊缝中的氢裂和孔隙，提高电弧的稳定性,而且易于在自动化设备上使用，因此药芯的冶金学成为越来越多人的研究课题。可以说，药芯在相当程度上决定了水下焊接的成败。GMA（gas metal arc）、PAW(plasma arc welding)、LBW(laser beam welding)等方法可以产生局部干点，将水排在外面，这些方法虽不常用，但也有成功的案例[1]。

水下干法焊接中，高压自动TIG、MIG、FCAW 等都有采用,其中轨道式TIG焊比较成熟，是目前流行的海底管道焊接技术。如Aberdeen Subsea Offshore 公司的OTTO系统、Comex公司的THOR-1系统等[2-3]。常压干法造价非常高昂，一般较少采用。

另外一些特殊的焊接方法如水下爆炸焊、摩擦焊，人们也都有过研究，由于其适用条件的限制，还有待发展[1]。

20世纪中叶开始到现在，我国的科研工作者一直在探寻不同的焊接方法和工艺。上世纪70年代开始，华南理工大学研制了水下湿法专用焊条，并对焊接冶金过程进行了深入研究；哈尔滨焊接研究所于20世纪70年代末期研制了我国第一套水下局部排水CO 2气体保护焊接技术；北京石油化工学院在水下高压焊接工艺方面进行了深入的探讨，并在2006年末进行了为期一周的海上试验，验证了所研制的水下干式管道维修系统。但与国外相比,我国在技术、设备等方面还有不小差距,国内水下管线的维修工作几乎都委托给国外的工程公司进行。2.2 自动化载体

自20世纪50年代开始研制水下运载工具以来，水下无人航行器UUV（Unmanned Underwater Vehicle）已进入实用化的阶段，它主要包括ROV（Remotely Operated Vehicle）和AUV（Autonomous Undersea Vehicle）二种。相比AUV，ROV控制更加简单，而且由于有人的参与和不用担心电池能量不够，因而可靠性也较高。所以，ROV常用于水下安装、操作、维护等功能要求，而AUV应用于勘察、检测的很多[4]。

ROV从结构上可划分为水面指控系统和水下潜航体两大部分。

水面指控系统包括主控计算机、遥控系统、跟踪定位系统、与水下通信的接口等。

水下潜航体可分为流线式和框架式两种，水下潜航体至少应包含水密耐压壳体、推进系统、浮力控制系统、探测识别系统、导航和定位系统、电子控制系统、水下作业工具等。

单纯ROV的设计在国外已经有一定的套路,甚至可以买到一些标准件。设计一台ROV,总体上应该考虑到造价、尺寸、重量、功率、发送和回收方式、极限的水底状态、极限深度等，其他像可靠性、安全性、可维护性、备用性、子系统的可选择性等也需要考虑。

为提高作业能力和作业水平，单一功能的水下作业系统现在已经远远不能满足人们的要求，机械手要求能够搭配多种作业机具乃至自行更换，这就需要ROV 带有包含多种作业工具的工具包和至少一只作业机械手。水下作业工具分为通用和专用水下工具两种。通用水下工具一般是机械手手爪，专用水下作业工具大致有：清洗刷、砂轮锯、冲击钻、剪切器、夹持器、冲洗枪等，这些工具的研制越来越注重具有标准的尺寸和接口。2.3 自动跟踪技术

为各种大型的水下金属结构提供快速、经济和灵活的水下自动焊接装备，水下焊缝信息识别及焊缝跟踪智能控制技术是关键问题。无论湿法还是干法，由于水下高压的存在，导致电弧漂移并压缩变小,焊道变窄,焊缝高度增加，同时导电介质密度增加,电离难度增加,电弧电压升高,电弧稳定性降低，给焊缝跟踪特别是旋转电弧式传感器的跟踪带来难度。

水下的能见度低，加上光的折射、反射现象等，都给激光视觉焊缝跟踪传感器的焊缝跟踪带来难度。2.4 自动检测技术

海洋工程结构物的损伤和破坏会带来巨大的人员伤亡和经济损失,因此，水下工程结构物的自动检测一直是海上作业人员非常关心的事情,它的技术发展远远领先于水下焊接自动化技术，常用的技术有：水下目视检验、水下电位测量、水下超声波检测、水下射线检测、水下交流磁场法（ACFM）和电场特征检测法（FSM）。

另外，水下自动检测技术已经应用或正在开发的还有水下声发射检测、水下涡流检测（UWET）、水下超声全息成像、磁强记录仪、涡流电流法（ECI）、交流应力检测（ACSM）、光测法（Photogrametry）、磁膜探伤（Magfoils）等,这些技术的自动化都是依赖于ROV携带相应工具潜入检测对象附近完成的[5-7]。如何将这些技术结合起来融入水下焊接机器人的功能中，值得思考。