环形焊缝自动焊接技术的应用

 环形焊缝自动焊接技术的应用

吴宏博官磊李洪昊卢桂宇

中建新疆建工（集团）有限公司  新疆乌鲁木齐 830042

摘要：环形焊缝主要应用于各类管道、罐体施工当中，由于母材形状较为特殊，因此在作业过程中对焊接精度要求极高。而自动焊接技术具备质量稳定、成本低廉、效率出色以及操作可控等一系列特点，因此相较于传统的人工作业模式而言有着很大优势。为此本文立足自动焊接技术，讨论了其在具体施工过程中的技术要点。随后结合工程实例，提出了环形焊缝自动焊接技术的应用措施。希望能够起到一定的参考作用，促进我国工业科技水平的进一步提升。

关键词：环形焊缝；自动焊接；实践应用

引言：随着我国城市的发展进步提速,各类热力、输油、供水、排污等大型直径管道建设项目也在随之增加。其中环焊作业是各类管道工程中不可或缺的一步，因此在一过程中自然引起了广泛重视。为此在新时期背景下，工程技术人员需要不断转变工作思维，主动了解全新的自动化技术在管道焊接施工中的应用要点。以便于能够有效提高施工水平，解决以往在工程发展过程中面临的难题。

一、环形焊缝自动焊接技术原理

现阶段随着我国数字技术的不断发展，已经可以借助机械和电控系统来实现焊接工作的自动化运行。当时在环形焊接操作中，由于母材形状较为特殊，并且焊接流程需要分为多道工序进行，因此对设备的环境识别与智能化水平有着较高要求，否则极易对施工质量造成严重影响[1]。

为此当前在进行管道或罐体环形焊接作业的过程中，人们提出了基于专用焊接机器人、焊缝检测追踪系统、控制系统三个部分构成的自动焊接技术。其中“焊缝检测系统”主要起到追中与定位功能，利用机器视觉检测原理，来清晰识别设备在运作过程中的实际情况；主控系统则依托控制技术与传感技术为核心，根据前端系统反馈的信号数值来对焊接单元的焊炬高度、摆动宽度、运动轨迹、前进距离、电流、电压等工艺参数进行控制；焊接机器人则采用有轨式设备进行多段拼装的方式环绕管道一周，同时通过摆动电机控制来实现焊接机器人的往复运动。从而依托程序控制来实现环型焊缝打底层、填充层、盖面层的自动焊接。

二、环形焊缝自动焊接技术的关键要点

（一）焊缝初始位置引导

“焊缝引导”是自动焊接技术的核心所在，以往人们在研究过程中主要采用空间坐标定位的方式来确定初始焊点，虽然取得了一定成果，却难以适应环形焊粉作业条件，容易由于机器转配、加工等因素造成的误差，引起焊接弧点较高的问题。因此当前人们在工作开展过程中加入了视觉传感器设备，其主要原理在于通过安装辅助光源来借助结构管对焊缝进行识别定位，从而能够有效适应更为复杂的作业环境，并借助空间坐标与视觉引导技术来顺利实现了焊缝初始点位的追踪识别[2]。

（二）焊缝跟踪技术

焊缝跟踪技术的主要功能在与调节机器人位置，使其能够实现焊接的精准对接。其主要作用原理在与通过对采集到的激光条纹图像进行处理，从而根据图像像素点个数来对间断点进行判断，并识别待焊区域的坡口信息。具体流程为群定图像最左侧列中心点位置，即“非0像素点”。随后以此作为参照，对其周围临近的8个像素点进行分析，并判断其中非0点位个数。若非0点数量＞1，则此点为连接点；若非0点数量=1，则此点为间断点。最后再通过设备来检测两个相邻间断点间存在的像素点数量，即可以此判断待焊区域的实际宽度。

（三）熔池监控技术

熔池监控技术主要是借助视觉传感器原理，来提取焊缝边缘与熔池的图像。并通过进一步对熔池的温度以及热影响区域进行识别分析，从而判断焊接工艺参数是否符合系统设定要求。其中由于熔池的宽度与深度在很大程度上影响着焊缝质量，因此不仅可以用于辅助焊缝追踪，同时也可以根据熔池的变化规律来判断机器作业是否存在缺陷，避免焊缝出现未焊透及烧伤等问题。从而进一步提高了焊接施工质量，提高设备作业精度。

三、环形焊缝自动焊接技术的应用

某圆形钢管柱壁厚为10～12mm，坡口为V型坡口。现采用自动焊接技术以上向工艺对其进行环焊，设备电流为160～210A。其打底层、填充层和盖面层的焊接应用要点如下所示：

（一）打底层焊接

在进行环焊作业的过程中，通常需要将管道沿截面进行空间分段，以便于能够根据不同焊区特点来调整设备运行参数，从而保证焊接整体质量。通常情况下可以参照钟表上的时间分段将焊接面划分为0～3、3～6、6～9、9～12共四个区段，在进行设备参数设定时，可以整体分为两个区段来完成。其中9点～3点区段由于需要考虑铁水下坠问题，因此需要将控制焊枪行进轨迹保持弧线，且每段弧线的行程时间需要保持在在 0.2～0.6s之间，防止电弧穿透管道；3～9点区段则需要确保母材表面融化的铁水向上运动，因此需要控制焊枪的行动轨迹变为折线，期间若焊缝距离间隔较小，可以适度增加焊枪在拐点位置的停留时间，并提高电流输出功率，以此来融化钝边提高焊接质量[3]。

因此在进行自动焊接控制的过程中，不妨采用STC-8A8K系列单片机设备作为控制系统，采用手操器与主控相互配合的方式，来进一步提高设备运行精度。其中手操器主要借助操作面板来下达指令并获取作业参数；主控设备则借助RS485协议将自动焊接设备与倾角传感器、上位机等设备连接，通过即时共享数据来实现自动运作。

（二）填充层焊接

填充层相较于打底层而言，焊缝宽度有了进一步增加，因此坡口与相邻焊缝的夹角区域，在焊接过程中容易出现未完全融合的情况。因此在焊件过程中需要在焊缝两侧0.5～3.0mm的范围内延长停留时间，以便于能够有效融化母材，并将铁水外引从而增加焊接厚度与宽度，进而能够有效减少环节层数。除此之外，由于焊接情况较为复杂，因此在设定设备参数的过程中，需要将管道沿截面划分为三段作业区域。

其中11～1点是平焊区域，在作业过程中铁水会发生镶嵌流动的情况，并阻隔电弧穿透前层焊道。因此要求设备在自动作业期间，需要保证焊层最大厚度不可超过3mm，同时保证焊枪移动轨迹为三角形，若焊层在3mm以上则需要进行多层焊接；而在3～9点区段，则需要考虑铁水下坠问题，因此需要减小电流进行作业；最后9～11和1～3点区段熔池较为稳定，可以适当增强电流输出功率加快作业进度。

由于在填充层焊接过程中需要考虑的因素众多，因此为避免焊接效果受到影响，可以使用LRC 滤波和浪涌抑制电路来自动感应焊炬弧压变化信号，从而在作业期间能够自动调节焊枪高度，从而进一步保证了焊接精度。

（三）盖面层焊接

盖面层与填充层的焊接工艺参数相似，却别在于盖面层焊接厚度较低，所以需要再填充层的基础上适当调宽焊接宽度。但在具体实施过程中，由于焊道过宽会延长作业时间，导致焊缝会受到额外的热输入影响，因此为了避免造成焊接质量问题，工作人员可以采用多道焊缝合并为一道的方式进行作业，并在焊接过程中使用工业相机、线激光器等设备全程采集熔池图像，以便于能够及时了解焊接情况，并对设备的作业参数进行适度调整。

结语：综上所述，本文对环形焊缝自动焊接技术的应用展开了深入研究，提出了自动焊接系统中的关键技术原理，以及其在具体应用期间需要关注的各项细节。希望能够起到一定的参考作用，促进我国工程建设水平的不断提升。

参考文献：

[1]岳瑞博,孙传钰,董壮壮等. 自动焊接技术在指套管焊接中的应用 [J]. 金属加工(热加工), 2024, (03): 70-75.

[2]姚凯洵,王树强. 机器人焊接技术在管道焊接中的应用现状 [J]. 管道技术与设备, 2024, (01): 54-57.

[3]雷明,王刚. 基于PLC的压力容器环焊缝自动焊接设备研究 [J]. 自动化应用, 2021, (03): 28-30.