球罐全位置焊接机器人研究现状及其关键技术

罗 雨，张中亮，焦向东，杨成功

（1.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；2.北京化工大学机电工程学院，北京100029）

球罐全位置焊接机器人研究现状及其关键技术

罗 雨1，张中亮2，焦向东1，杨成功1

（1.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；2.北京化工大学机电工程学院，北京100029）

随着我国能源工业的发展和能源结构的调整，球罐与储罐工程建设的又一次高峰期已经到来，球罐全位置焊接机器人作为球罐制造中的关键设备，其应用可大幅提高球罐的焊接质量和焊接效率。综述了球罐全位置焊接机器人的发展概况和研究现状，从工程应用发展角度出发，分析了球罐全位置焊接过程中关键技术的研究进展和应用前景。

球罐焊接；全位置焊接机器人；多层多道焊缝跟踪；多机器人协同控制

0 前言

随着我国能源工业的发展和能源结构的调整，球罐与储罐工程建设的又一次高峰期已经到来。在国家石油战略储备建设的同时，我国的商业储备建设也在进行。国内炼油化工产业的快速发展，液化气、乙烯等高温高压、易燃易爆产品储存设施不断地向大型化、规模化发展，使大型球罐群在炼化工程中得到普遍应用。传统焊条电弧焊接工艺效率低的弊端日显突出，球罐全位置焊接机器人成为石化建设者的梦想。

1 球罐全位置焊接机器人

1.1 发展概况

国外从20世纪70年代起，相续对埋弧焊、药芯焊丝自保护焊机MIG焊等方法应用与球罐全位置自

动焊的问题进行了研究。美国林肯等公司于20世纪80年代在自保护全位置自动焊应用上取得了成功，研制出可用于球罐全位置自动焊的自保护焊丝及自动焊机（NR203药芯焊丝、BUG-O自动焊头），这一技术已应用于美、日等国的球罐以及其他类的压力容器；1985年日本的三菱重工还曾建造了15台容积为25 000 m3的球罐，采取以MIG焊接工艺为主的自动焊，自动焊的比率达到了95％以上。我国的球罐自动化焊接仍处于试验研究阶段。20世纪80年代，国内曾就MIG焊用于球罐全位置焊自动焊进行了试验研究，但最终没有得到实际应用。1993年起，中国石化第三建设公司等单位从美国引进了球罐全位置焊接设备（BUG-O系统），该设备主要由爬行机构、摆动机构、柔性或半柔性轨道等部分组成。几年来，中石化三建公司应用此设备对球罐的纵缝、环缝焊接进行了各种试验及工艺评定，并用其完成9台容积为1 000 m3的球罐及4台4 000 m3球罐的焊接，全部纵缝、环缝均采用自动焊，工艺方法主要是药芯焊丝CO2气体保护焊。这些球罐的一次焊接合格率达95％以上，最高达98.7％，为我国大型球罐现场全位置自动焊接技术开创了良好的前景。但也应该指出，该系统没有焊缝自动跟踪系统，根据美国焊接学会的定义，该系统还不构成自动化焊接。实际上这套系统在使用时，仍要求操作者对焊炬进行调整与焊缝对中，因而其自动化程度还是很不理想。

1.2 国内外研究现状

目前国外的球罐全位置自动焊接设备比较齐全。典型的如美国BUG-O和A.O.Smith公司的焊机、加拿大Servo-robot和GULLCO OSCILLATOR公司的焊机、瑞典ESAB公司的焊机。

BUG-O公司生产的全位置焊接设备主要由爬行机构、摆动机构、柔性或半柔性轨道等部分组成[1]。如图1所示，在焊接过程中，该系统要求操作者仔细观察熔池并不断调整焊炬来对中焊缝，由于该系统没有焊缝自动跟踪系统，仅解决了球罐全位置焊接的机械化问题，其自动化程度不够理想。

图1 K-BUG 6000型球罐焊接机器人

GULLCO OSCILLATOR公司的焊机与美国BUG-O公司的产品类似，如图2所示。该公司产品使用药芯气保护和自保护焊丝，产品的高低调整和横向调整机构没有电机，都由焊工使用手动轮机械调节，焊接过程中没有摆动，该类产品同样只解决了球罐全位置焊接的机械化问题，其自动化程度较低，由于没有摆动焊接成形质量较差[2]。

图2 GULLCO OSCILLATOR球罐焊接机器人

瑞典ESAB公司的Railtrac FWR1000型机器人如图3所示，Railtrac是一种可实现机械化焊接应用的系统。该机械系统体积小、结构紧凑、可控性较强、控制精度也高，带驱动摆动和反向回焊功能，可根据自带的专家系统自动规划焊接参数，由于无焊缝跟踪功能，且该焊接机器人产品价格昂贵，在球罐焊接领域还没大量应用，该系统铁路轨道焊接领域应用较多[3]。

图3 Railtrac FWR1000型机器人

加拿大Servo-robot公司的焊机性能适用性较好，其生产的MWR-100/350TM型便携式机器人是一套创新的有视觉且完全可编程的移动式焊接机器人，如图4所示。这套三轴机器人能够用于各种焊接材料及焊缝类型的全位置焊接。此系统的便携性

能够将其置于像球罐、储罐、船板加强筋以及采矿设备这样的大型焊接件上进行工作，系统操作简单，可以同时操作几套系统，进一步降低了操作成本。集成式的激光视觉焊接跟踪系统配备了2D彩色视频摄像头，能实现远程示教及过程监控，同时让操作员远离恶劣的焊接区域。该机器人在美国的核潜艇制造上应用较多，由于配备视觉跟踪模块，该机器人产品的价格也最为昂贵[4]。

图4 MWR-100/350型焊接机器人

目前我国的球罐自动化焊接仍处于试验研究阶段。20世纪80年代，国内就MIG焊用于球罐全位置焊自动焊进行过试验研究，但最终没有得到实际应用。1993年起，中国石化第三建设公司等单位从美国引进了球罐全位置焊接设备（BUG-O系统），该设备主要由爬行机构、摆动机构、柔性或半柔性轨道等部分组成。几年来，中石化三建公司应用此设备对球罐的纵缝、环缝焊接进行了各种试验及工艺评定，并用其完成9台容积为1 000 m3的球罐及4台4 000 m3球罐的焊接，全部纵缝、环缝均采用自动焊，工艺方法主要是药芯焊丝CO2气体保护焊。这些球罐的一次焊接合格率达95％以上，最高达98.7％，为我国大型球罐现场全位置自动焊接技术开创了良好的前景。但也应该指出，该系统没有焊缝自动跟踪系统，根据美国焊接学会的定义，该系统还不构成自动化焊接。三建与十建公司在球罐自动焊工作中采用美国的BUG-O型焊车及加拿大的GULLCO OSCILLATOR型自动焊车，这些设备均需要人工调节焊缝对中，因此仍需要进一步解决自动跟踪及焊缝参数的自适应控制等问题。

国内一些高校、科研机构在吸收国外产品先进技术的基础上，并在国家863计划的支持下，先后开展了球罐全位置焊接机器人的研究。北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室研究开发的具有自主知识产权的系列化无导轨、有导轨及柔性导轨全位置智能焊接机器人，包括焊接机器人机械机构、机械接触跟踪、焊缝轨迹示教、焊接工艺参数管理系统等关键技术的研究[5-7]。

图5 RHC-3柔性导轨全位置焊接机器人

RHC-3柔性导轨全位置焊接机器人系统如图5所示，该系统适用于柔性轨道和圆轨道，能够较好地完成复杂工件的多种焊缝的现场焊接，尤其是球罐全位置焊接的工艺要求。但该系统没有自动跟踪功能，在焊接过程中还需要焊工实时观察熔池，通过手控盒实时调整高低和摆心才能保证良好焊接质量，劳动强度仍然很大[8]。

图6 BIPT-5无导轨全位置焊接机器人

BIPT-5无导轨全位置焊接机器人使用了CO2气体保护药芯焊丝全位置多层多道焊的工艺技术。如图6所示，该机器人采用柔性磁轮式机构和CCD光电测控技术实现了无导轨全位置自由行走和球罐多层多道焊的实时跟踪等关键技术问题，该机器人能对球罐内外纵缝、横缝及仰缝进行无导轨全自动焊接，达到了高效率、高质量、无人实时操作、低劳动强度。但由于该机器人系统的跟踪精度及稳定性还有待提高，仍具有一定的局限性，迄今为止还未见大规模的现场应用[9]。

唐山开元机器人有限公司推出一款全自动焊接机器人MICROBO，如图7所示，该机器人配备具有磁性的柔性导轨，可完成全位置焊接，该机器人体积小、便于携带搬运、易安装。系统具有全自动传感功能，无需示教和繁琐的数据输入，检测，工艺规范、焊接自动完成。接触传感自动识别焊缝起始点、母材板厚、坡口角度、根部间隙等相关信息，并自动生成焊接条件。该机器人操作简单，1人可操作2台以上，还可进行多机器人群控实现焊接任务的协调操作。由于该系统使用多种传感方式，价格较同类产品昂贵[10]。

MICROBO便携式全自动焊接机器人主要应用于建筑钢结构、桥梁、造船、通用机械等行业的中厚板结构件厂内制造及现场安装的焊接。MICROBO具有焊缝信息自动检测、工艺规范自动生成功能，全自动完成多层多道焊接；体积小、可搬运、易安装；可完成平焊、角焊、横焊、立焊及爬坡焊等多种焊接位置作业。迷你的机身、便捷的操作、强大的功能、卓越的焊接品质，使MICROBO成为焊接行业的新亮点。

图7 MICROBO便携式全自动焊接机器人

以提高焊接质量及效率、缩短工期、降低劳动强度和施工成本以及解决球罐焊工培养、流失严重等问题为目的，国内外球罐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。围绕着球罐组焊全位置药芯焊丝焊接工艺、焊缝自动跟踪控制技术及球罐组焊生产线多机器人集群控制网络的等关键技术，国内外球罐焊接设备经历了机械化操作向全位置自动焊接机器人的发展，球罐全位置焊接机器人可分为三代。第一代是跟踪示教型，这种机器人的特点是焊接前需要在轨道上试车，同时通过机械接触式传感器及激光传感器等测量设备，监测管道坡口的变化情况，并将变化量储存在计算机中，以供焊缝跟踪系统进行参数调节，如美国BUG-O公司的K-BUG6000型机器人及北京石油化工学院的RHC-3型柔性导轨全位置焊接机器人；这种方法已经得到了一定量的应用，但由于参数调节缺乏实效性，往往难以实现高精度的跟踪。第二代是自适应焊接机器人，这种机器人克服了第一代跟踪示教机器人的缺点，通过配备的视觉传感器可以检测焊缝的实时变化并对焊接参数进行调节，具有很高的焊接精度和可靠性且不易受装配精度的影响，是目前市场上应用最为广泛管道焊接机器人并逐步取代跟踪示教型机器人，如加拿大Servo-robot公司的MWR-100/350TM型机器人和北京石油化工学院的BIPT-5无导轨全位置焊接机器人；但这种焊接机器人的焊接质量的好坏依然依赖于操作人员的参数选择和操作，因此还有很大的提升空间。第三代是智能型焊接机器人，随着3D扫描技术的进步和计算机运算速度的提高，第三代管道焊接机器人将具有自动识别焊缝并选择焊接参数的能力，并且机器人系统具备由单机操作向以智能化为核心的球罐生产线多机器人协同操作的扩展功能。目前这种焊接机器人尚处于研究当中，还没有产品问世。唐山开元公司代理的日本神户制钢的MICROBO型便携式焊接机器人最接近第三代智能型焊接机器人。

国外球罐焊接机器人大多以嵌入式或PC机作为焊接机器人的控制系统，使传统专用控制器计算负担重、实时性差等问题得到了解决，还将电弧传感跟踪、接触传感、激光焊缝跟踪、多层多道焊以及在线焊接参数优化、神经网络控制和焊接专家系统等智能化应用编写为焊接过程控制软件，极大地提高了机器人系统的智能化程度。

国内焊接机器人控制系统的多数控制器由PLC、单片机构成，主控单元与焊接机器人本体、焊接电源以及手控器等的连接通常采用I/O信号直接相连的形式，线缆多，信号易受干扰，且控制电机（步进或伺服电机）的驱动器与电机分装在主控系统和焊接机器人本体上；由于没有使用网络及总线技术，焊接电源与主控系统之间多采用模拟量或RS-232通信方式设定参数，抗干扰能力差、精度低，能够监控的焊接过程量较少，传输数据慢，实现精细焊接非常困难；系统的开放性及可扩充性较差，不利于电弧传感、接触传感、激光跟踪等智能化应用功能的扩展，且较难实现球罐组焊生产线多级控制网络平台中信息网络与控制网络的无缝集成。针对球罐组

焊的施工特点及目前国内外现有技术基础，研制和开发球罐全位置焊接机器人及球罐组焊生产线多机器人集群控制网络关键技术是一项紧迫的任务。

2 球罐全位置焊接机器人关键技术展望

在研究球罐全位置焊接机器人的过程中,需要解决的关键技术问题是：多层多道自动跟踪控制技术，全位置药芯焊丝焊接工艺，多机器人协同控制技术[11]。

2.1 焊缝跟踪技术

焊缝实时跟踪技术是国内外学者的研究热点，其研究方案主要有：激光传感、基于CCD传感器直接检测弧焊区的视觉跟踪法；采用接触传感器的记忆跟踪法；采用电弧传感器的实时跟踪法，以及示教跟踪法等，但要想将上述跟踪方法用来对球罐全位置多层多道焊缝（纵焊缝和横焊缝）进行实时跟踪，尚有以下技术难点：

（1）焊接电弧强烈干扰，难以检测焊接熔池实际位置。

（2）多层焊跟踪时，难以检测第一层焊缝之后的各层焊缝图像。

（3）多道横焊跟踪更困难，由于是不摆逐道迭加焊，则第一道焊缝后，就难以实时检测以后各道的焊缝位置，这包括较成熟的旋转电弧法。

（4）球罐焊缝是弧形曲线，若用导轨焊机自动跟踪法，导轨不可能与焊缝完全平行，只有采用记忆跟踪法。研究表明，导轨焊机记忆跟踪法虽然能达到一定的精度，但存在有需要标定起点，不能中间断点复位等问题。

为此，需要综合分析各种跟踪技术方法的技术特点及使用局限性，提出一种较为可行的跟踪方案并解决关键技术问题[12]。

2.2 药芯焊丝工艺

由于药芯焊丝中加入了稳弧剂，电弧燃烧稳定，熔化金属呈滴状均匀过渡，故焊接时飞溅很少，且飞溅颗粒细小，在钢板上粘不住，极易清除。

药芯焊丝的熔敷速度及焊接质量均高于实心焊丝。采用药芯焊丝焊接时，由于焊丝断面上通电部分的面积小于同样粗细的实心焊丝，在相同的焊接电流下药芯焊丝的电流密度高，焊丝的熔化速度快，熔敷速度提高，焊缝成形美观。由于焊缝成形的好坏，熔渣起着重要的作用。用实心焊丝焊接时，是无法依靠熔渣起这种作用的，只能靠熔融金属自身的粘性和表面张力形成焊道，所以实心焊丝焊缝的表面形状不美观。当使用药芯焊丝焊接时，能产生一定数量的熔渣，依靠熔渣的表面张力造成一个较软的铸型，这个铸型的生成对形成良好的焊道起着重要的作用。

药芯焊丝适宜于全位置焊接。实践表明，在纵缝、环缝、立焊、横焊、仰焊各种位置情况下，均可采用较大的焊接电流。药芯焊丝分为自保护焊丝和CO2气体保护焊丝两大类。一般自保护焊丝的直径为2.0～2.4 mm，气体保护焊丝的直径1.2～1.6 mm。气体保护焊丝使用时必须外加保护气体，气体保护焊丝焊接时电弧较稳定、飞溅小、脱渣容易、焊缝成形好、熔敷效率高，但使用过程中必须采取可靠的防风措施。自保护焊丝在焊接时不需外加保护气体，因而对焊接环境的适应能力较强，焊接时操作方便，但因其焊接过程中全部靠自身的造气和造渣保护，因此烟雾和飞溅较大，熔敷效率低，脱渣性能较差，焊缝的外观成形不如气体保护焊丝[13-14]。

CO2气体保护药芯焊丝可以用在球罐全位置自动焊接中，但焊后焊缝表面也会出现一层薄薄的焊渣保护层，环缝是球罐中超标缺陷较多的区域，而细长夹渣则是超标缺陷的主要形式，故加强环缝焊道、焊层间清渣是提高自动焊合格率的重要措施。

2.3 基于网络的球罐组焊生产线多机器人控制技术

球罐组焊过程中，为了减少焊接变形和残余应力，需要制定组焊施工规范，合理安排焊接顺序和焊接方法，比如在焊接球壳板赤道带、上温带的纵缝时需要由12名焊工同步对称焊接，同时为了严格控制焊接线能量，需要采用全位对称焊法、分段逆向焊法、多层多道焊法来减少焊接变形和残余应力。目前，球罐组焊焊接生产线处于落后的生产模式，各个球罐焊接机器人之间无任何关联，各球罐焊接自动设备的组焊生产过程采用人工协调、焊接机头人工干预的生产方式，大量的时间花费在焊接机头安装、拆卸以及各组焊机器人的协调上，远远超过实际用于焊接的时间，焊接工作效率较低，因此提高球罐焊接机器人的稳定性和效率有非常现实的意义。如果能将用在各组焊机器人协调、人工操作所浪费的时间节省下来，将极大地提高焊接效率，大大降低其日均施工费用。因此，开发基于网络的球罐组焊生产线多机器人集群控制技术一个重要的

发展趋势[15-17]。

3 结论

以提高焊接质量及效率、缩短工期、降低劳动强度和施工成本以及解决球罐焊工培养困难，流失严重等问题为目的，国内外球罐焊接设备经历了机械化操作向全位置自动焊接机器人的发展历程，目前国内外球罐焊接机器人将朝着操作自动化、功能智能化及网络化方向发展，而球罐组焊全位置药芯焊丝焊接工艺、多层多道焊缝跟踪技术及球罐组焊生产线多机器人集群控制网络等关键技术的突破与集成应用将是新型球罐智能焊接机器人研究的发展趋势[18-21]。

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Research status and key technology of all-position welding robots on spherical tank

LUO Yu1，ZHANG Zhongliang2，JIAO Xiangdong1，YANG Chenggong1
（1.Beijing Institute of Petrochemical Technology Research Center of Energy Engineering Advanced Joining Technology，Beijing 102617，China；2.College of Electrical and Mechanical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

With the development of energy industry and the adjustment of energy structure in China，the engineering construction of the spherical tank and storage tank boom has come again，all-position welding robots of spherical tank as the key equipment of the spherical tank manufacturing，its application can greatly improve the efficiency and quality of the welding of spherical tank.This paper reviews the development and research status of the all-position welding robots on spherical tank，from the angle of the engineering application development，analyzes the research progress and application prospect of the key technologies in the process of all position welding on spherical tanks.

the welding of spherical tank；all position welding robot；multi-layer welding seam tracking；multi-robot coordination control

TP242

C

1001-2303（2016）10-0025-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.05

献

罗雨，张中亮，焦向东，等.球罐全位置焊接机器人研究现状及其关键技术[J].电焊机，2016，46（10）：25-30.

2016-04-28；

2016-06-06

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，内蒙古乌兰察布人，工程师，主要从事高速列车铝合金车体监造等相关工作。