湿法水下焊接及水下焊接机器人技术进展

Welding Technology Vol．38No．6Jun ．2009·专题综述·

湿法水下焊接及水下焊接机器人技术进展

叶建雄，尹

懿，张晨曙

（南昌大学机器人与焊接自动化重点实验室，江西南昌330029）

摘要：海洋作为能源、食品和原材料的重要来源地，越来越受到世界各国研究人员的重视。大量海洋工程的出现，对水下焊接技术提出了更高的要求。着眼于水下焊接中的湿法焊接技术，介绍了国内外的最新发展，概括了当前研究的两个重要领域，即水下焊接专用焊条的研制和湿法焊接用传感器；指出水下焊接机器人是实现人类从浅水走向深水的必然选择，从水下焊接机器人的机构设计和密封设计、远距离通信及遥控焊接等方面介绍了当前水下焊接机器人的技术进展。关键词：湿法水下焊接；水下焊接机器人；进展中图分类号：TG456.5；TP242.6

文献标志码：A

收稿日期：2008-10-09

基金项目：国家“863”计划———大型构件水下焊接机器人系统研究

与开发（2007AA04Z242）；中国博士后科学研究基金———水下焊接超声焊缝跟踪技术研究（20080441085）

文章编号：1002－025X (2009)06-0001-04

引言

辽阔无际的海洋蕴藏着丰富的石油天然气以及金属矿产资源，人类为实现可持续发展，必将加强对海洋的深入开发，所以21世纪被称为海洋的世纪。

水下焊接不但危险性高、劳动强度大，且对焊接质量的要求更高：焊接结构除承受工作载荷，还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷，很容易产生疲劳破坏、脆性断裂或应力腐蚀开裂。为此，焊接工作者不断研究各种水下焊接方法，如水下电弧焊、水下螺柱焊、水下爆炸焊、水下电子束焊、水下等离子弧焊、水下激光焊、水下摩擦叠焊、水下搅拌摩擦焊等，共计有20余种。世界上主要的工业化国家，如美国、德国、英国、俄罗斯、日本都积极开展水下焊接机理、方法和水下焊接自动化装备方面的研究，为了突破人类饱和潜水极限深度的限制，对全位置智能化水下焊接机器人系统的研究也是热点之一。

1湿法水下焊接

根据焊接电弧所处环境的不同，水下焊接可分为

干法水下焊接、局部干法水下焊接和湿法水下焊接三类。不同的水下焊接方法有不同的特点，如高压干式

TIG 焊焊接接头质量高，是目前海底管道等重要结构

物水下修复普遍采用的焊接方法，但环境压力的增大会造成电弧不稳，故水深超过500m 时应选择高压

MIG 焊或摩擦叠焊［1］。由于湿法焊接具有设备简单、

成本低廉、操作灵活及适应性强等优点，被广泛用于海洋工程的建造安装及维修，特别是近年来随着专用焊条等焊材的不断改进，湿法水下焊接得到了迅猛发展，焊接质量达到了美国焊接学会AWS D3．6M－99的要求。英国已把湿法水下焊接技术用于北海钻井平台的建造和检修，美国采用水下焊条进行潜艇的修理，我国也在大桥的施工中采用了湿法水下焊接技术。

1．1湿法焊接专用焊条

湿法焊接是电弧在亚稳定状态的电弧空腔中连续

燃烧的过程。空腔的形成一方面是由于电弧热使水蒸气电离出气体，另一方面是由于焊条药皮产生气体，从而在电弧周围形成一定大小的气相区，把电弧和熔池与水隔开。随着水深的增加，形成电弧气泡的体积会逐渐变小，而过小的电弧气泡不但会导致焊缝气孔增加，而且电弧极易熄灭［2］。所以对水下焊接专用焊条的研究具有重要的意义。

焊条药皮不但要能够防潮、提高焊缝的耐蚀性和韧塑性，更要有良好的造渣、造气功能。Hydroweld 是一家致力于水下湿法焊接技术的专业公司，

Hydroweld FSTM 焊条是惟一被英国国防部认可的军舰

水下修补焊条，曾对1艘英国皇家海军潜艇的球罐进行水下修补，并在世界很多水下工程中得到应用，于

1

焊接技术第38卷第6期2009年6月·专题综述·

2000年完成了对澳大利亚Mission River Bridge的修补，焊缝检验结果表明，水下焊接质量甚至超出AWS D3．6的要求［3］；德国Hanover大学基于渣气联合保护对熔滴过渡的影响和保护机理，开发了双层自保护药芯焊条，力学性能测试显示焊缝在0℃时的冲击吸收功达到77J，扩散氢含量仅为9m L/mg；美国发明了专利产品7018’S焊条，焊条药皮上有一层铝粉，水下焊接时能产生大量气体，铝粉颗粒尺寸约为0．025μm，使焊条的抗湿性很强，焊缝连续20d在相对湿度为100％的条件下，金属含氢量仍保持在2．3×10－6的低值，适用于高强度钢材的水下焊接，－30℃时的冲击吸收功达到100J［4］；美国还研究了名为“黑美人（Black Beauty）”的水下专用焊条，其在焊接时产生的微裂纹少、工艺好且适合全位置焊接。

我国自上世纪60年代开始研发水下专用焊条，现在主要产品有TSH－1，TS202，TS203及TS208，TS208适用于Q345钢的焊接，抗拉强度>530MPa，研究者将其与国外知名品牌进行了对比试验，获得了满意的结果［5］。

1．2湿法焊缝跟踪传感器研究

实现陆地焊缝跟踪所采用的传感器种类较多，但水下环境大大缩小了可用传感器的选择范围。从文献报道看，CCD视觉传感器是主流传感器，此外，超声波传感器和旋转电弧传感器的研究也有报道。1．2．1CCD视觉传感器的应用

舒新宇等在湿法焊接中，利用激光作为主动光源来摄取湿法焊接时的图像，然后对图像进行二值化处理和形态学滤波，通过腐蚀、膨胀及加窗提高了细节描述能力，可以方便地标定出焊缝中心位置［6］；梁明等采用Bubble函数过零点检测来提取焊缝图像边缘的小波多尺度方法，通过调整尺度参数值，有效克服了传统的边缘检测算子对噪声敏感的缺点，在水下药芯焊丝焊接的焊缝边缘检测中获得较好的效果［7］。

徐鹏飞等采用了CCD配合一字线激光的方法来分析焊缝偏差，并对湿法焊接环境中的泥沙干扰、弧光干扰、水泡气泡干扰、水对光的散射干扰等进行了分析，提出去除干扰因素的“二步干扰因素法”，即通过对水下焊缝图像中的各种成分进行频域分析，采用小波滤波的方法低频的弧光和高频的散射干扰，在中频得到包含有气泡噪声的焊缝信号，为进一步去除气泡等中频干扰，采用聚类的方法，通过设定合适的阈值去除气泡等中频干扰，提取出真正的激光图像［8］。1．2．2超声波传感器的应用

超声波传感器应用于焊接中的方式主要有扫描式和固定式2种，也有采用辅助磁条的方法［9－10］。胡绳荪、侯文考等人采用直线扫描和固定式边缘扫描的方法，焊缝跟踪的精度达到0．5mm；日本Keio大学利用高频、小体积的超声波传感器，在水下的焊缝跟踪中达到了很高的跟踪精度。

1．2．3旋转电弧传感器的应用

笔者等人采用旋转电弧传感器进行湿法水下焊接研究，搭建了水下药芯焊丝电弧焊研究平台，根据焊接电流随弧长自动调节的原理，提出了区间积分差值法检测焊缝实时偏差的方法，得到了浅水条件下的焊缝偏差检测依据，通过在水平和垂直方向上采用不同控制策略得到了良好的V形坡口水下焊缝跟踪效果［11］。

2水下焊接机器人

与喷涂、清扫、铺缆、护理机器人一样，水下焊接机器人属特种机器人，是专用于水下自动化焊接的智能装备，代表水下焊接自动化的发展方向。它可代替潜水焊工进行水下作业，从而提高工作效率和保持焊接过程的稳定性、一致性。此外，随着海洋工程由浅水走向深水，在650m及更深的水中很难再进行手工深水焊接，这时水下焊接机器人将是最理想的选择。

水下焊接机器人技术涉及电力、电子、计算机、流体、结构、材料、液压、水声、光学、导航、控制等学科，体现着一个国家的综合技术力量和水平。当前还没有研制出真正意义上的水下焊接机器人，拟从

图1旋转电弧水下焊缝跟踪效果

（b）水下V形坡口焊接从右开始跟踪

（a）水下V 形坡口焊接从左开始跟踪

2