电弧传感技术在超大件构件焊缝跟踪中的应用价值分析

(上海越盛金属焊接有限公司，上海 201609)

0 引言

对于火电、汽轮发电机、风力发电等生产制造电站公司而言，其产品通常具有尺寸大(超大直径刀盘14 m左右)、吨位重(大刀盘构件单重100 t，总重400～600 t)、结构复杂的特点。其主要构件母材均为中低合金钢，在进行焊接的过程中，需要持续加热150 ℃～250 ℃。与此同时，多数产品生产属于劳动密集型，产品制作需要大量焊工进行手工作业，且盾构机、掘进机主要按每个工程地质勘测情况后进行针对专用设计，故产品结构形式均不一样，产品无法达到批量及定量生产。传统的焊接机器人生产线主要以符合刚性生产线为主，这对于超大件构件的焊接难以适用，为稳定生产能力，同时减轻焊工的劳动强度，改善施工的环境，对于生产制造电站公司而言，就迫切需要引进全新的自动化及半自动化焊接装备。焊缝跟踪就是使焊接电弧与焊接位置对准，来保证焊接接头的成形和焊接质量，由传感器检测焊缝位置有没有偏差，然后将偏差信号送给控制器，控制器经过分析处理驱动滑板调节焊枪位置。简单来说，传感器相当于焊工的眼睛，控制器相当于焊工的电脑，滑板相当于焊工的手。由此看来，一套结构简单、可靠性高、灵敏度高的焊缝跟踪传感器对超大件构件的焊接具有重要意义。

1 电弧传感器的特性及工作原理

以传感器的特点为分类标准，焊缝跟踪传感器主要包括电弧传感器、电磁感应传感器、光电传感器、机械传感器四种类型。在这四种类型中，电弧传感器更有优势，具体表现在实时响应、结构简单、成本低等方面，是当下焊缝跟踪传感器的主要发展方向，具体来说，电弧传感器具备以下几个优点。

1)电弧传感器属于实时传感器的一种，检测点即是焊接点，因而不存在传感器先行的问题，可以最大程度的保证焊接的实时性。

2)电弧本身属于传感器的一部分，不会受导线弯曲引起的电弧偏移带来的影响，可以有效保证焊接的准确性。传感器是一种高精度检测仪器，在军事、航空、航天中应用都有严格要求，产品都须经过严格测试才能应用。所以传感器生产是一种高新技术的具体运用和体现。有部分传感器由于其应用环境的状况需金属封装，一般采用焊接密封，这类传感器内部有敏感元件和集成电路，充惰性气体或抽真空与外界隔绝，有耐压、气密性要求，另有焊接强度要求和漏气率要求，对焊接质量要求高，而且焊接过程中要求变形小，不能对内部元件和微电路有损坏。

3)电弧传感器不仅可以跟踪传感器，保证焊接参数的稳定性，而且可以提高焊缝的成形效果。电弧焊过程中，在被焊工件上会形成熔池和焊缝。厚度较小的工件，通常用单面单道焊或双面单道焊焊成。厚度较大的可用多层和多道焊。对接焊缝的熔深H 直接影响到接头的承载能力。焊缝宽度为B，焊缝成形系数φ=B/H，其值会影响到熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、焊缝中心偏析程度等。

4)抗干扰性比较强，如光、电磁、热等，具有较长的使用寿命。传感器一般工作环境十分广泛，从极寒至酷热地区，许多在露天环境下工作，能抗飞沙走石、灰尘，还应耐潮湿，较高的抗盐类腐蚀、酸性腐蚀的能力，有抗污染气体干扰的能力，能适应在高温、极寒、强烈振动、冲击以及在其他条件下正常工作的能力，还应抗噪声能力强，信噪比高。

2 电弧传感技术在超大件构件焊接机器人中的应用现状

目前，电弧传感器已广泛应用于超大件构件的焊接机器人系统中，利用电弧传感器技术，可对焊接路径进行独立、实时的修正，以适应焊接位置的变化，从而在各种形式的焊缝(V形、Y形、U形、角焊缝)的焊接过程中，准确地引导焊枪沿焊接路径焊接，实时监控和自动校正。在超大件构件机器人焊接过程中，电弧传感技术的运用能够帮助焊接机器人实时检测并联电阻，并将信号反馈给电弧传感电路板。虽然对电弧传感器已经有大量的研究，但是电弧传感器的应用特别是在国内的应用还不能达到使人满意的程度，目前仅限于某些特殊场合的焊缝跟踪。首先，由电弧传感器的原理可知，要求焊枪摆动，但有些场合不宜采用摆动。其次，电弧传感器信号容易受多种因素的影响；还有，不易选择最合适的控制方法。

3 电弧传感技术在超大件构件焊缝跟踪中的应用展望

根据国内外的研究现状可知，目前相当一部分学者和研究机构在电弧传感技术在超大件构件焊缝跟踪系统的研究和探索方面已经取得较多成果，在这过程中，机器人的焊接精度和焊接质量得到有效提升。与此同时，为了进一步提高视觉传感图像的处理速度和精度，部分学者对视觉传感系统展开大量的研究，通过不断改进和创新图像处理算法，实现电弧传感技术在超大件构件焊缝跟踪中的应用优化。通过改进超大件构件机器人和焊缝跟踪系统的控制策略，极大节省加工时间，提高焊缝跟踪系统的实时性。基于上述分析，未来焊缝跟踪的具体发展趋势如下：一是进一步重视多传感器融合的焊缝跟踪系统，以有效克服单传感器信号难以保证输入信息的准确性和可靠性的问题；二是对现有的图像处理算法进行改进和创新，总结出适合不同任务的具体应用的焊缝跟踪算法，提升焊缝跟踪算法的自调整和自适应能力。与此同时，还应当注意以下几点。

1)增加视觉跟踪传感技术。针对大型构件，其焊接母材厚度主要集中在40 mm～200 mm，焊道以多层多道焊接为主，人工焊接的优势体现在能感知外部环境变化，对于大型焊接构件的焊道受热变形，人工施工时能根据实际情况进行焊道追踪，而传统的焊接的有效定位点为5 mm以内，这远远低于大型构件的变形量，故为能保证焊道的有效衔接，焊接机器人在传统的坐标定位上应增加视觉跟踪技术。

2)增加焊接弧压力控制系统。大型构件的焊接变形量最大要达到20 mm～30 mm，焊接的主要参数为电流电压(且范围值经过工艺评定)，由于构件受热变形容易导致焊接弧长产生变化进而弧压不稳定，而弧压变化超过工艺平定值将直接影响焊接质量。可见，焊接作为特殊工艺过程，如工艺参数偏离平定值，则有可能认定焊接质量失效，基于此，为更好地满足大构件的焊接机器，须应用电弧电压自动控制系统。

3)充分利用红外线跟踪传感技术。对于采用自动埋弧焊设备，由于焊接热燃烧置于焊剂内部，视觉传感不能有效的进行感应追踪，根据焊接位置和坡口形式，应用红外线辅助传感定位，使用焊接运行轨迹得到控制进而控制焊接质量。

4 结语

随着电子技术、智能技术、网络技术、机器人技术等的进一步发展，焊缝跟踪技术将要沿着网络化、智能化的方向发展。电弧传感器与光学传感器并称为弧焊自动跟踪两大传感器，其中电弧传感器不同于其他任何一种现有的传感器，它不是独立于焊接电弧焊接电源系统之外的东西，而是与电弧特性和电源的特性紧密相关的一部分。虽然在某些场合它的适用性受到限制，但其应用前景还是很广泛的。随着智能控制技术的发展和焊缝识别与实时控制等一系列问题的解决，电弧传感器在焊接自动化中将体现更为重要的应用价值。