焊接自动化技术在石油钻采设备制造中的应用

2021-01-07李晓东

化工设计通讯 2021年2期

李晓东

（兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃兰州 730000）

焊接技术是一种典型的机械工程制造技术，在传统机械制造领域，工件焊接多采用手工方式进行，焊接作业效率低下，焊接质量难以有效保障，进而影响到机械设备的运行性能和使用寿命。随着工业生产领域的发展，对机械制造生产提出更严格要求，在很大程度上促进了焊接技术革新，焊接自动化技术应运而生。为充分发挥焊接自动化技术优势，需要对其特点及应用经验做分析总结。

1 焊接自动化技术发展现状

传统焊接技术虽然可基本满足正常焊接的需求，但其焊接过程中涉及的电弧引燃、电弧长度调整、电弧熄灭等均需通过手工方式进行，造成较高的人力资源成本，且影响企业生产效率提升。焊接自动化技术融入机械制造领域后，企业通过生产参数预设，在计算机程序的控制下即可高效、精确完成机械工件的自动化焊接。因不涉及人为操作，焊接误差率可降到最低，且焊接过程迅速，能够缩短设备的生产周期。

在我国，焊接技术应用可追溯至20世纪初，当时焊接技术即在我国机械制造领域得到广泛应用，但与发达国家相比，我国焊接技术的发展还要受到钢结构技术的限制，有关技术体系建设还不完善。工业领域的快速发展给焊接技术性能提出更高要求，促使其不断朝向自动化、智能化的方向发展。

2 焊接自动化技术在石油钻采设备制造中的应用

2.1 技术选型

焊接自动化技术最早被应用于船舶、压力容器等制造领域，焊接精度较高，变形量非常有限，但当时还无法达到石油钻采设备制造对精度的要求。在焊缝跟踪技术、数控型钢下料技术等被研发之后，基于焊接自动化技术的智能制造系统不断完善，大大提高了石油钻采设备制造技术水平。本文重点介绍焊接机器人、数控型钢下料技术和厚板激光切割技术。

2.1.1 焊接机器人

现有的焊接机器人功能已非常成熟，可完成焊接环境自动识别、焊道位置精准判断、焊缝实时跟踪等活动。在弧焊分析过程中，构建三维立体模型，实现对焊接过程的动态化控制，以确保焊接质量。同时，利用传感设备实时跟踪焊接路径，自动完成焊接纠偏，机器人可操作性大幅度提升。除环境较优、精度要求较高的产业，焊接机器人还可适应恶劣工况，用于装配精度要求较低的机械制造中。另外，数控型钢下料技术和厚板切割激光技术的运用使得石油钻采设备制造装配精度提升明显，焊缝误差被控制到更小范围，这给焊接机器人的运用提供了更有利条件。

焊接机器人首要解决的难题为控制系统设计，如焊缝识别及跟踪系统。目前国内较先进的控制技术为视觉传感拍照及激光跟踪，即在系统内安装辅助光源及摄像设备，全方位采集工件姿态信息，将采集信息传输至系统进行数据处理、分析和计算，以准确判断焊缝位置，有效降低装配误差。焊接过程中，激光跟踪系统可结合实际焊接情况对焊道做实时调整，确保其与焊缝中心相对正，省去人工纠偏的麻烦。

2.1.2 数控型钢下料技术

机械设备制造中多将数控切割技术用于板材切割上，板材切割自动化程度已经发展至一定水平，但该技术在型钢切割中的利用在近年来才开始。数控型钢下料系统多采用龙门式，包括机床、电气、控制软件等结构。其中，机床由等离子发射器、切割系统、枪嘴、上料及下料模块、运输模块、轨道、减速器等构成，枪嘴为五轴联动，可全方位回转，以适应各种切割角度，满足多种尺寸的型钢切割要求；上料及下料模块为自动控制，使用吊车将型钢材料运输至指定位置即可自动完成上料和下料作业，该设计的优点在于，能够有效缩小模块占地面积，同时无须反复操作吊车，生产流畅性较高。

型钢切割过程横向切口与立向切口采用不同的工艺参数，起弧点、切割顺序等均存在一定差异，来自不同生产企业、不同品牌的下料系统，其切割效果也不相同。数控等离子型钢自动下料系统将三维技术与等离子切割技术有机融合，可实现型钢切割的数字化控制，将原本手工切割的方式过渡为自动切割。现阶段我国不少钻采设备制造企业均引进该技术，可确保切口质量、生产精度更高的设备构件。例如在带角度斜口切割中，其精度可达到0.5°。另外，数控等离子型钢自动下料系统的应用使得型钢切割进入流水线作业，大大降低了人工作业的压力，实现划线、切割、清理的一体化，帮助企业提高钻采设备生产效率。

2.1.3 厚板激光切割技术

激光技术发展成熟使其有关设备造价大幅度下降，降低了企业引入激光技术的经济门槛，使得该技术被用于厚板切割当中。数控激光厚板下料系统也多为龙门式结构，包括激光发射器、机械行走、控制软件三个部分。厚板切割使用的激光发射器主要为二氧化碳激光器和半导体激光器。其中，二氧化碳激光器的体积和自重较大，切割过程激光器随机床一起运动，对生产线机架和导轨性能要求较高。该系统虽然需占用较大空间，但因生产效率高、经济性较强，在生产批量较大且加工精度要求不高的制造企业得到广泛应用。

钻采设备制造过程中，企业可依照板厚选择适当功率的激光发射器，进而在确保加工质量的同时，合理节约经济成本。

2.2 应用流程

2.2.1 智能控制

对焊接全过程做智能化控制是焊接自动化技术的基本功能。数字技术、信息技术、智能控制技术的快速发展实现了钻采设备焊接过程的智能控制。焊接过程中，在系统控制面板输入操作指令，由计算机系统自动完成工艺参数计算、配置等操作，以对焊接全过程做智能化跟踪。目前智能控制面临的主要问题为控制精度，需要做进一步的研究。

2.2.2 数据分析

钻采设备焊接作业环境相对恶劣，以往焊接操作采用人工方式进行，容易给作业人员人身健康造成较大影响。采用焊接自动化技术后，人工操作的环节和时间被大量压缩，可降低相关人员工作负荷，通过控制面板及计算机系统，即可对焊接过程做远程控制和跟踪。另外，焊接设备检修维护也可在计算机系统的辅助下进行，实时获取焊接设备运行参数信息，利用自动诊断技术，及时发现设备运行异常，并发出报警提示，运维管理人员依照提示即可快速、准确定位故障点并开展维修作业，以免影响钻进设备生产效率。

2.2.3 过程控制

焊接自动化技术在石油钻井设备制造领域的应用可显著提高企业生产效率，使产品品质达到更高的标准，同时确保焊接操作过程的安全、稳定。利用自动控制系统，可实现对焊接过程的集成化控制，精确把握焊接工艺参数。操作人员借助计算机系统，对焊接设备做数字化控制，将数字信号转化为具体的工艺指令传输至焊接设备，由焊接设备执行有关指令，以确保焊接过程的规范性。

2.2.4 技术融合

焊接自动化已成为石油钻采设备制造必然的发展趋势，随着相关技术的进一步完善，应将传统焊接技术与现代工程技术有机融合，构建柔性的焊接体系，以满足多样化的工件焊接需求，提高石油钻采设备生产的自动化程度和技术水平。

2.3 优化措施

（1）石油钻采设备焊接自动化存在如下技术难题：

① 因构件体积和自重较大，存在移动不便的问题。

② 焊接过程寻缝难度较高。

③ 若焊接机器人位置固定，其工作空间即受到严格限制，因此在灵活性上要低于人工焊接方式。

④ 石油钻采设备制造中使用的板材厚度较大，部分构件需进行多道焊接，因坡口填充量较大，在焊接过程中会释放更多热量，易引发构件变形问题。

⑤ 若构件发生形变，会导致焊枪偏离系统预设的最佳轨迹，导致焊接质量下降，此时就需要进行轨迹纠偏。在人工焊接过程，轨迹纠偏可通过实时关注焊枪位置完成，而在自动化焊接过程中，想要对焊接轨迹做有效跟踪非常困难。

（2）为提高焊接自动化技术在石油钻采设备制造中的应用成效，给出如下技术优化措施：

① 针对钻采设备构件移动不便、焊接机器人运行空间限制较大的问题，可将构件固定，改变焊接机器人位置完成焊接。例如，将焊接机器人固定在导轨式分体C型走架上，调节机器人与构件的相对位置完成焊接作业。

② 实际工作中，工件位置很难绝对固定，在发生位置变化后重新编写自动控制程序也不现实，该问题可通过机器人接触寻缝技术来解决。通过接触式传感器，使机器人自动定位焊缝位置，在确定焊缝位置后，利用PR位置寄存器运算出机器人运行程序。在确定焊缝起点时，焊机向焊丝端部传递直流电压信号，焊丝与构件接触后给出电流反馈并传输回电机，系统自动存储机器人实时TCP位置，以简化运算过程，精确定位焊缝起点。

③ 针对机器人焊接灵活性不足的问题，存在两种优化方案。

调节焊枪角度，例如当焊枪因结构受限偏离原本的坡口平分线位置时，更换大角度焊枪，以使焊枪逼近平分线；

调节焊枪长度，例如在内部焊缝焊接时，焊枪枪颈过短导致其很难探入焊缝所在位置，且后部大体积结构也会给焊枪在结构内部姿态调整造成较大阻碍，此时可更换长颈焊枪，以提高自动化焊接的可达性。

④ 钻采设备工件多层多道焊接过程中容易出现焊接变形，此时可选择能量密度更高、热输入水平更低的焊接方式，如熔化极气体保护焊完成焊接作业。坡口金属填充量过大的问题可通过适当降低坡口角度和间隙的方式解决。另外，在环缝焊接中，可启用2台焊接机器人，采用对称的方式进行焊接。经对比分析，该焊接方式所需的电流幅值较小，焊接速度快，可有效控制放热现象，防止构件变形。