全位置管道自动焊接设备的研究

全位置管道自动焊接设备的研究

王伟1,薛龙2,李明利2

(11石油大学(北京)机电学院,北京102200;21北京石油化工学院,北京102600)

=摘要>本文从三方面论述了制约管道全位置自动焊接设备全面推广应用的关键因素,即管道环缝的自动跟踪、焊接规范参数的调整及摆动模块等执行机构各类误差的快速补偿,并提出了可行性方案。实验结果表明,所研制的管道全位置自动焊设备跟踪精度高、焊缝成型好,可以实现管道的全位置自动焊接。

关键词:管道环缝自动焊自动焊机自动跟踪

中图分类号:U17513TG432文献标识码:B文章编号:1004-9614(2002)04-0015-02

1前言

管道输送是一种安全、经济、对环境破坏小的运输方式。其建设地区跨度大,沿线施工环境恶劣,加之管道输送逐步向高压(715M Pa)、大口径(51420mm)方向发展,这对管道环焊缝的焊接提出了更高的要求,管道环焊缝的焊接成为制约整个工程质量和建设周期的关键工序。在我国的长输管道焊接工程中,由于受技术水平和经济条件的制约,还停留在手工焊、半自动焊的水平上,往往造成施工周期长,成本高,经济效益较差,加上人为因素的干扰,因而施工质量的稳定性同样也得不到保证。因此,研制开发全位置自动焊技术,对推动技术进步,提高施工水平具有重要意义。

2管道全位置自动焊接技术现状

管道全位置自动焊接就是在管道相对固定的情况下,借助于机械、电气的方法,使焊接设备带动焊枪沿焊缝环绕管壁运动,从而实现自动焊接。

目前,全位置自动焊技术在大直径厚壁压力管道焊接中全面应用尚有一定难度,其主要原因是:(1)大直径厚壁压力管道的安装环缝组装难以达到均匀一致的高精度,这就要求全位置自动焊设备能根据坡口尺寸和偏差自动调整焊枪位置,从而实现焊缝的自动跟踪。但鉴于焊接过程的应用环境恶劣,传感器要受到弧光、高温、烟尘、飞溅、振动和电磁场的干扰,故焊缝的自动跟踪实现起来比较困难;(2)焊缝的空间位置不断变化,要求焊接系统能根据焊枪所在位置自动及时调整焊接工艺参数,实现各处焊缝成型基本一致;(3)执行机构,尤其是需高频换向的焊枪摆动机构传动误差的定量识别及高精度快速实时补偿难度较大。

目前,国内外已研制成功的自动焊接设备,如美国林肯中小口径管道焊接设备,及国内石油天然气管道局管道专用焊接设备等,均人为假设管道环缝组装均匀一致,并且焊接小车爬行轨道与焊缝平行,在必要时完全依赖人工调节焊枪从而无焊缝跟踪功能,所以严格地讲这些设备均不能称为管道自动焊设备。

另外,在焊接规范参数的自调节方面,目前所具有的自动焊设备,均建立在焊前大量试验数据的基础上,并且所建立的数学模型均与实际存有很大出入,这样不但使焊前准备工作过程复杂化,自动焊设备适应性降低,而且在焊接过程中所调节规范参数的合理性,即焊接质量得不到保证。

其次,目前的自动焊设备的摆动机构大多采用摆钟式原理,即摆动机构左右等幅交替摆动,针对各执行机构的传动误差,尤其是具有频繁换向需求的摆动机构所带来的换向耦合误差无能为力,从而照成误差的累积,使摆动的中心偏离实际焊缝中心,焊接熔池位置偏离焊缝。

3新研制的管道自动焊接设备的特点

本文作者研制的管道自动焊设备具有如下三方面特点,从而为上面提出的问题提供解决方案。

311管道环缝的自动跟踪

焊缝跟踪是实现管道环缝自动化焊接的前提,它包括两个方面:(1)管道环缝位置的检测;(2)焊枪纠偏,即实现焊枪对焊缝的实时跟踪。概言之,能否有效的进行焊缝跟踪主要依赖于闭环控制系统中的传感器和跟踪执行机构的精度。

前已述及,焊接过程的应用环境恶劣,传感器种类繁多,但能应用于焊缝跟踪的主要有光学传感、电弧传感和声学传感。理论上讲,直接应用电弧本身的弧长、弧光做传感信号的电弧传感器应是最优的,因为它不

15

第4期#施工与焊接#

附加任何装置,简单可靠,焊枪运动的灵活性和可达性好。但鉴于电弧漂移、磁偏吹、电弧收缩和扩散等干扰,使该类传感器的精度、抗扰性(稳定性)和灵敏度都不够理想。另外,已成型的该类传感器如摆动电弧传感器、旋转电弧传感器尺寸较大,不利于应用于小型化管道自动焊设备中。

声学传感器的优点是:弧焊条件下对弧光、电场、磁场、烟雾等干扰不敏感,经久耐用、价格低廉。其缺点是:对母材表面要求较高,承载声波的介质对其影响较大,CO 2焊接时,CO 2对其影响严重。

/磁吸式球罐全位置焊接机器人0的研制中,采用光学CCD 传感器跟踪焊接坡口平行线,既克服了为避开弧光干扰而将传感器置于焊枪前部的传感导前误差,又能解决多层多道焊的重复跟踪精度。在作者研制的全位置管道自动焊设备中,鉴于焊接小车沿柔性轨道环绕管道有规律的运行,故对焊车的运动无须引导,因此仅采用了一个与焊枪摆动机构同时安装于左右调整机构上的CCD 引导焊枪实时跟踪焊缝。CCD 的跟踪对象是焊接坡口平行线,焊接坡口平行线的绘制很简单,采用如下图所示结构,其中画线笔与引导针的间距等于焊枪摆动中心与CCD 的间距,画线笔与引导针为可旋转式结构,与CCD 和焊枪同时安装于左右调整滑块上。画线时,将二者旋下,引导针置入焊接坡口中,开动焊车,画线笔就能在管道上画出与焊接坡口始终平行的管道环缝平行线。焊接时,将二者旋起,CCD 引导焊枪沿环缝焊接,从而完成管道焊缝的自动跟踪(如下图所示)

。

图 焊缝跟踪示意图

312 焊接规范参数的自调整

全位置管道环缝的空间位置,在焊接过程中不断变化,由于熔池在各个位置的存在条件变化很大,为保证焊接质量,在焊接中,随着电弧运动实际位置的不断变化,要求焊接参数也能随之变化。在焊接过程中,焊车行走速度、送丝速度、焊枪左右摆动频率是三个主要参数。为获得合理焊接参数,可采用如下方案:用一条垂线将管子的圆周分为左右两个半圆,然后将两个半圆顺时针、逆时针方向等分,定出焊接节点。通过大量的实验可以在每个节点处获取理想的焊接参数。例如,在选取了合适的焊接工艺后,通过大量的试验确定

出节点为0b 、30b 、60b 、90b 、120b 、150b 、180b 处的理想的焊接电流、电弧电压、送丝速度、小车行走速度、焊枪振动频率等一系列参数,然后将这些参数送到计算机内进行拟合、运算,这样就实现了从0b -180b 的自动焊接。实际焊接与实验时的数据可能稍存差距,为此在焊接过程中可以根据实际情况调节焊接参数,如送丝速度、振动频率等参数。这些参数的调节是相互关联的,为使这些参数的调节相匹配,可采用建立空间坐标方程的方法。即将焊车行走、送丝速度及焊枪振动频率作为三个因变量,置于一个空间坐标系中,以时间作为自变量,以焊接电流、焊接电压作为边界条件,最后得出焊接小车行走速度、送丝速度、焊枪振动频率之间的空间坐标方程。这样,在实际焊接时,每一次调节均是上述三个参数同时调节,从而确保调节过程的准确性。

313 摆动机构换向耦合误差及其它传动误差的补偿

前已述及,摆动机构采用传统的摆钟式原理,虽然在原理和功能实现上简单易行,但频繁的换向及传动过程所带来的累积误差足以造成摆心偏离焊缝中心线,且控制系统对此无法识别。问题的突破口也在于此,作者研制的管道全位置自动焊设备中,专门设置了一个光电式摆心传感器,使每次摆动均从摆心处开始。如此左摆一次,右摆一次,误差量仅局限于一次。从而消除了传动换向耦合误差及数次摆动带来的累积误差。

此外,本设备采用交流伺服电机外加测速码盘,从而以一个传感器实现对行走机构速度、位置的闭环准确控制。针对高低、左右移动机构,本设备采用步进电机加丝杠结构。分别在滑块上加设电位器式传感器,直接利用模拟量来传感信号,经16位A/D 转换器,形成具有很高精度的反馈信号。

降低执行机构执行调节误差的其它硬件措施如下:使电机输出轴与丝杠的连接不发生相对角位移;使丝杠与螺母之间的配合间隙足够小,可考虑在丝杠与移动螺母间加设预紧弹簧等,以保证焊枪换向调节时误差尽可能小。

4 结论

随着我国管道工业的发展,一方面管道焊接的工作量与日俱增,另一方面对管道焊接质量、焊口寿命等要求不断提高。为了提高管道焊接的质量和焊接生产率,减轻工人劳动强度,确保管线安全、平稳运行,缩短

(下转第25页)

16

管道技术与设备

2002年