罗 雨，陈仪平，焦向东，张中亮，杨成功，余成强

（北京石油化工学院能源工程先进连接技术北京高校工程研究中心，北京102617）

基于摆动电弧传感的管道焊接焊缝跟踪技术研究现状

罗 雨，陈仪平，焦向东，张中亮，杨成功，余成强

（北京石油化工学院能源工程先进连接技术北京高校工程研究中心，北京102617）

基于电弧传感器的焊缝跟踪技术是目前焊接领域的一个重要研究方向，精确的焊缝跟踪可以快速实现焊缝的精确定位，是保证焊接质量的关键。介绍了摆动频率影响跟踪精度的工作原理，综述了电弧传感器的发展与研究现状，分析了各类电弧传感器的应用特点，论述了摆动电弧传感器的在管道焊接机器人系统中集成应用情况。

摆动电弧传感器；焊缝跟踪；管道焊接机器人

0 前言

焊接导轨是装卡在管子上供焊接机器人机械本体行走和定位的专用机构，焊接开始前，需要对焊接导轨进行安装以保证轨道与坡口保持全位置下的平行，同时还要保证全位置下焊枪与坡口高度的一致性，因此导轨的安装过程复杂、费时，大大影响铺管效率。此外，大多数成熟的管道焊接机器人的焊接参数都是根据实际作业条件预先设置，焊接时通过插补方法得到不同位置处的焊接参数，在焊接时缺少外部信息传感和自动调整控制功能，需要焊工实时调整焊枪姿态，保证焊缝的严格对中，由于需要同时对焊炬的左右和高低位置进行调整，所以要求焊工调整过程快速、熟练，这样增加了焊工的劳动强度，而且调整的效果也很难得到保证。同时，管道焊接对焊接作业条件的稳定性要求严格。实际管道铺设中，由于管道坡口加工和轨道装配误差很难保证焊丝端部与焊缝位置保持恒定的距离，再加上焊接过程工件受热及散热条件改变会造成焊道变形而无法形成恒定的焊道厚度。为克服焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，研究基于电弧传感的管道焊接技术意义重大[1]。

1 摆动频率影响电弧传感灵敏度的工作原理

利用导电嘴端部与母材之间距离变化引起的焊接参数变化来获得焊炬的空间位置信息。摆动扫描方式和旋转扫描方式是电弧传感与跟踪控制焊缝的两种主要方法。很多学者认为当使用高的摆动或旋转频率时，电弧信号的敏感性会增加。电弧的自调节引起的电弧信号变化与导电嘴到工件的距离变化一致[2]。原理如图1所示。

图1 焊枪高低摆动频率下弧长的差别

对于恒压熔化极气体保护焊来说，干伸长的变化可导致焊接电流明显的变化。相同的导电嘴到工件的距离在使用不同的摆动频率下可产生不同的电弧信号变化值。对于低的摆动频率，自调节作用会使电弧长度及干伸长达到一个新的平衡点，高频率摆动下电弧自调节作用没有形成新的平衡，干伸长度没时间自调节变化，因此导电嘴到工件距离的变化就是电弧长度的变化，图1中La1=La3，La2＞La4因此La3-La4＞La1-La2，故高的摆动频率使电弧信号的敏感性提高。

2 电弧传感器的分类

2.1 旋转式扫描电弧传感器

在日本NKK的关于窄间隙焊文献中，旋转扫描焊炬用来改善两侧熔合和角焊缝及多道焊的成形，但后来发现该焊炬还可用于电弧传感，且灵敏度更高，因而成功研究了高速旋转电弧传感器[3-5]。韩国的C.H.Kim等人制作的偏心导电嘴高速旋转电弧传感器可实现电弧的旋转运动，但焊丝在导电嘴中的高速旋转，会加剧导电嘴的损耗[6]。德国亚琛科技大学的U.Dilthey等人也在高速旋转电弧传感器方面做了大量的研究工作[7]。

国内以清华大学潘际銮院士为首的研究机构，在旋转电弧传感器方面做了大量的研究工作。清华大学博士生廖宝剑在博士生费跃农的研究成果的基础上，研制成功了一种空心轴电机驱动的旋转扫描传感器，之后国内各研究机构对旋转电弧传感器的结构改进以及性能进行深入的研究，包括有湘潭大学的洪波教授团队、南昌大学机器人与焊接自动化重点实验室以及华南理工大学的曾松盛。江苏科技大学的王加友以及哈尔滨工业大学的杨春利发明了针对窄间隙焊接的旋转电弧传感器[8-12]。

基于旋转扫描的焊炬旋转频率能达到100 Hz以上，在保证改善两侧熔合和角焊缝及多道焊的成形质量的同时，高旋转频率的旋转电弧还可提高电弧传感的灵敏度。尤其在窄间隙多层焊接中的，较高频率的旋转电弧传感器可实现细丝大电流的高速焊接，因此基于电旋转扫描方式的电弧传感具有较大的应用价值。但旋转电弧传感器在焊接过程中的旋转半径无法自适应调整，只能在焊接前进行调整，对于窄坡口管道焊接以及中厚板焊接来说，前期坡口加工精度、工件组对、焊接过程变形导致的实际焊缝坡口的宽度不一致，焊接时旋转电弧传感器固有的旋转半径显然无法自适应变化，无法满足特殊行业焊接的应用要求。

2.2 摆动式电弧传感器

摆动扫描式电弧传感器是目前应用最广的一种电弧传感器，该传感器通过摆动装置的来回摆动而实现焊缝跟踪。而弧焊机器人上的摆动电弧传感通过机器人手臂带动焊枪作横向摆动来完成焊缝跟踪。但弧焊机器人的摆动频率一般较低，限制了电弧传感器在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。

高速摆动电弧传感器是旋转电弧以及摆动电弧技术的融合，虽然没有对高速摆动这个概念进行清晰的定义，但一些作者认为超过5 Hz的摆动频率为高速摆动。这项技术要求摆动系统稳定并通过改善溶滴特性来保证侧壁熔合，同时能提高焊缝跟踪的敏感度，在熔化极气体保护焊中，焊枪摆动频率在5～15 Hz之间能有好的溶滴形状以及低的飞溅产生[13]。

M.Kodama[14-15]等人发明的电磁高速摆动电弧传感器由两侧的永磁铁和激励线圈组成，一定频率的电流通过激励线圈后，导电杆便会产生一定频率的

摆动。如图2所示，该高速摆动电弧传感器的摆动频率范围为0～40 Hz，结构比较简单，且电弧摆动时，焊枪外壳不动，该摆动传感器适合装配在焊接机器人上使用。新日铁的MIG-II型管道焊接机器人系统集成了该高速摆动电弧传感器，可完成高频摆动下的电弧跟踪。

图2 电磁高速摆动电弧传感器

英国Cranfied大学的David Yapp在研究基于电弧传感的窄坡口管道焊接时，发明了一种凸轮式高速摆动器，可以进行高速摆动下的电弧跟踪试验，该高速摆动器的摆动频率为0～40Hz，如图3所示。由于高速摆动装置内增加了控制摆宽的电机，所以可以实现摆宽的自动调整，但整个机构复杂、体积较大，无法集成与管道焊接中[16]。

图3 高速摆动电弧传感器的应用

文献[17]针对现有扫描焊炬无法满足较高摆动频率下摆动宽度的自动调整功能，打破原有焊接摆动器使用齿轮-齿条或导轨丝杠传动方式，采用具有线性控制、高加速度、快速响应等特点的特种电机直接驱动焊枪高速摆动，同时，通过程序控制可使焊枪在较高的摆动速率下实现摆动宽度的任意调整，图4a、图4b为高速摆动器设计图以及实物图，高速摆动器采用光栅尺作为音圈电机直线平台的闭环检测机构，控制精度高，同时没有齿轮齿条传动固有的间隙，保证了焊枪摆动过程中较高的摆宽精度，高速摆动器的最大摆宽为8 mm,在摆动宽度为6 mm时的最大摆动频率可达15 Hz，该高速摆动器可以进行高频摆动下的窄坡口电弧跟踪试验研究，为进一步实现电弧传感在管道焊接的集成应用奠定基础。将高速摆动器安装于三轴控制平台可用于摆动电弧传感的跟踪试验[17]，试验平台如图5所示。

1—摆动电机；2—电机编码器；3—送丝管；4—送气管；5—电源连接；6—杆管；7—位移传感器；8—自动移动对准轴承；9—固定对准轴承；10—气体喷嘴；11—导电嘴；12—焊炬底盘；13—直线轴承；14—凸轮。b高速摆动器实物图4 高频摆动焊炬

3 摆动电弧传感焊缝跟踪技术的应用状况

目前国外摆动电弧焊缝跟踪技术的应用较为成熟和广泛，如德国的KUKA、REIS等弧焊机器人都配备了摆动电弧焊缝跟踪模块，能够实现精确的

焊缝跟踪。日本KOBELCO的ARCMAN型中厚板焊接机器人，使用最新控制技术的高精度摆动性能，避免了摆动时上下动作等原因产生误差，本机器人具有实现高精度电弧传感功能。针对多层多道焊接也可自动跟踪焊接。此外，该型号机器人还可实现坡口宽度的自适应跟踪。

图5 高速摆动焊枪实物

国外的双丝管道全位置焊接机器人将电弧传感技术集成与管道焊接中，包括美国的CRC、法国的DASA、韩国现代重工以及日本新日铁公司。其中韩国现代重工将摆动电弧传感集成与双丝Tandem管道焊接机器人中（见图6），采用恒流特性焊接电源，系统对采样的电流信号进行截止频率为50 Hz硬件低通滤波，然后采用区域移动平均数算法提取焊缝偏差特征值，实现了电弧跟踪功能[18]。加拿大邮政RMS MOW II铺管焊接机器人将带CAN总线接口的焊接电流传感器集成于电弧传感的焊缝跟踪系统中，采用凸轮式高速摆动器扫描坡口，产生高速摆动的电弧，进行了窄坡口管道焊接电弧跟踪的应用研究[16]。日本的新日铁公司的管道焊接机器人采用基于电弧传感的方式可实现焊缝跟踪及摆动宽度的自适应控制[19]。

图6 串联双丝焊接机器人

国内的应用研究与国外有一定差距，但从第6届国际管道大会上的产品介绍可知，许多研究机构都已将电弧跟踪集成在管道焊接中，最典型的产品有廊坊管道局的CPP900-W2型双炬管道焊接机器人（见图7）以及熊谷的A-610CW型双炬管道焊接机器人，据技术人员介绍，这两款产品也都已集成了单丝的电弧传感功能，但一些跟踪的性能测试参数还未见报道。

图7 基于电弧传感的管道双炬焊接机器人

北京石油化工学院的海底管道铺设焊接机器人系统也集成了高低方向的跟踪，可以实现不同焊接规范下的高低跟踪[20]，图8是高低方向的跟踪试验。

图8 窄坡口高低跟踪过程

针对左右方向的窄坡口电弧跟踪问题，实验室也进行了相应的机理研究，图9是短路过渡下电弧信号的处理结果，该处理结果可作为横向跟踪的偏差提取信号。图10是最终的跟踪效果图。此外，摆宽自适应的电弧跟踪正在实验室调试阶段。

4 结论

焊接机器人作为焊接自动化的一个重要载体必将得到广泛的应用，而基于电弧传感的焊缝跟踪技术是焊接机器人应用的一个重要研究方向。以提高焊接质量及效率、节约成本为目的，国外管道铺设焊接机器人朝着操作自动化、功能智能化及网络化方向发展，其中基于电弧传感的焊缝跟踪技术作为智能

化应用技术被集成到管道焊接机器人中，得到了初步的应用，国内的应用研究起步较晚，但基于电弧传感的智能化集成也得到了很好的发展。随着智能控制技术的应用和焊缝偏差提取与自适应实时控制算法等一系列关键技术问题的解决，基于摆动电弧传感的管道焊接机器人将得到更加广泛的应用。

图9 高频摆动电弧传感信号处理

图10 V型坡口横向跟踪焊缝

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Research status of pipe welding seam tracking technology based on the swing arc sensor

LUO Yu，CHEN Yiping，JIAO Xiangdong，ZHANG Zhongliang，YANG Chenggong，YU Chengqiang
（Beijing Institute of Petrochemical Technology Research Center of Energy Engineering Advanced Joining Technology，Beijing 102617，China）

The seam tracking technology based on arc sensor is an important research direction in the field of welding，precision of weld seam tracking can quickly realize the accurate location of welding line，it is the key to ensure the quality of welding.This paper introduces the working principle of oscillation frequency tracking precision，summarizes the research status and the development of the arc sensor，and analyzes the application characteristics of various arc sensor，especially discusses the integration application of swing arc sensor in pipe welding robot system.

swing arc sensor；seam tracking of welding；pipe welding robot

TG409

C

1001-2303（2016）08-0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.01

2016-03-03；

2016-06-20

国家自然科学基金项目（51305037）；北京市属高校创新团队建设提升计划（IDHT20130516）；北京石油化工学院URT资助项目（2015J00083）

罗雨（1981—），男，内蒙古人，讲师，主要从事焊接自动化与焊接控制的研究工作。