秦龍龍 李猛 楊柳 唐磊

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司昆明維搶修分公司

摘  要：B型套筒人工焊接勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。激光視覺傳感具有主動(dòng)性、非接觸、能獲取物體的三維信息、靈敏度和精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)�；�于激光跟蹤系統(tǒng)的自動(dòng)焊接裝置用激光視覺傳感器采集焊接過(guò)程圖像信息，提取焊縫位置參數(shù)，跟蹤控制焊接過(guò)程，實(shí)現(xiàn)B型套筒的自動(dòng)焊接。合作研制B型套筒自動(dòng)焊接裝置，開展自動(dòng)焊接試驗(yàn)，經(jīng)焊評(píng)表明，裝置具備現(xiàn)場(chǎng)焊接施工能力。

關(guān)鍵詞：B型套筒；激光跟蹤系統(tǒng)；激光視覺傳感；自動(dòng)焊接

西南管道公司所轄管道經(jīng)過(guò)山地多、河流多，遭遇地質(zhì)災(zāi)害多，地質(zhì)條件復(fù)雜。國(guó)家四大能源通道之一的中緬油氣管道位于云貴高原地區(qū)，地震、泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，造成大量管道變形、焊口缺陷等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅管道的正常運(yùn)行。當(dāng)管道焊口缺陷問(wèn)題未達(dá)到必須換管的程度，基于油氣保供和經(jīng)濟(jì)效益等綜合考慮，常采用B型套筒焊接修復(fù)解決焊縫腐蝕、焊縫缺陷、管體金屬缺失、凹陷等問(wèn)題[1]。但受制于地形條件，很多情況下B型套筒焊接作業(yè)坑開挖不標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行B型套筒焊接依然采用手工焊條電弧焊方式，尤其大壁厚φ1016 mm的管線焊接套筒，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大，且焊接質(zhì)量受人工技術(shù)水平的影響比較大，國(guó)外已有的管道現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)焊機(jī)適用性不強(qiáng)，價(jià)格昂貴，維修不便[2-3]。

從油氣管道焊縫缺陷B型套筒焊接修復(fù)作業(yè)出發(fā)，基于激光視覺傳感技術(shù)，探索研制激光跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)焊接裝置。

1 基于激光跟蹤系統(tǒng)焊接裝置

根據(jù)B型套筒焊機(jī)要求，裝置主要由智能焊接小車、激光視覺跟蹤控制系統(tǒng)、跟蹤顯示控制箱、手動(dòng)遙控器、數(shù)字焊機(jī)、行走軌道及配套的控制電纜等組成[4-7]（圖 1）。

采用單焊炬氣體保護(hù)焊完成三通或B型套筒焊接作業(yè)，焊接小車通過(guò)對(duì)應(yīng)的配套行走軌道實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)，如圖 2所示。集成激光跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)跟蹤功能；焊接過(guò)程中可微調(diào)電流、電壓、行走、擺動(dòng)相關(guān)參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示和采集，記錄行程工作日志。

2 系統(tǒng)工作原理與控制

基于激光視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)被認(rèn)為是焊縫檢測(cè)的主要發(fā)展方向。線激光法是一種直接獲取深度圖像的方法，它可以獲取焊縫的二維半信息[8-9]。如圖 3所示，系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，分別是激光視覺傳感、焊縫圖像處理和跟蹤控制。

2.1 激光視覺傳感

激光傳感單元為視覺傳感模塊，主要由攝像機(jī)和激光二極管組成，攝像機(jī)垂直對(duì)準(zhǔn)工件，激光器傾斜布置，且與激光器成30°角，激光器打出的激光照射到工件上形成一條寬度很窄的光帶，當(dāng)該光帶被工件反射或折射后，進(jìn)入攝像機(jī)成像，并將圖像傳遞到工控機(jī)處理。

2.2 焊縫圖像處理

通過(guò)激光視覺傳感單元，系統(tǒng)將以每秒25幀的速度采集圖像，采集的數(shù)據(jù)輸入到控制器的圖像處理軟件中，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像識(shí)別后輸出焊縫位置信息。

（1）圖像預(yù)處理。對(duì)采集圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理（主要包括圖像濾波和圖像增強(qiáng)，濾波主要采用了中值濾波和形態(tài)學(xué)濾波方法，圖像增強(qiáng)采用的是直方圖增強(qiáng)；此處的中值濾波、形態(tài)學(xué)濾波、直方圖增強(qiáng)都是沿用目前已有的經(jīng)典算法），通過(guò)圖像預(yù)處理減少了圖像噪聲，為后面進(jìn)一步運(yùn)算做好了準(zhǔn)備。

（2）模板匹配。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像與事先存儲(chǔ)在硬盤中的模板圖像逐點(diǎn)比較得出當(dāng)前最佳匹配位置，用該位置坐標(biāo)減去模板位置坐標(biāo)即得當(dāng)前偏差，此偏差為當(dāng)前傳感器所在位置的偏差，而非焊槍下偏差。

（3）存儲(chǔ)、處理偏差。通過(guò)將焊接速度取回，計(jì)算出激光傳感器與焊槍之間的時(shí)間差，將每次計(jì)算出的偏差存儲(chǔ)在定義好的數(shù)組中，該數(shù)組大小與時(shí)間差和圖像處理時(shí)間（指從圖像采集到輸出偏差的時(shí)間）有關(guān)，數(shù)組大小與時(shí)間差除以圖像處理時(shí)間的商成正比；輸出給電機(jī)控制模塊的偏差并不是本次計(jì)算的偏差而是取前面某次的偏差，從而消除了上述的時(shí)間差。

2.3 跟蹤控制流程

焊接小車內(nèi)置焊接調(diào)整單元，以根據(jù)焊縫跟蹤單元的檢測(cè)參數(shù)值調(diào)整當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊接位置及焊槍高度。焊接調(diào)整單元包括小車控制器、焊接電源及焊槍，焊槍可根據(jù)小車控制器的指令調(diào)整擺動(dòng)中心以及高度；小車控制器接收當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的檢測(cè)參數(shù)值，并讀取焊槍當(dāng)前擺動(dòng)中心量，將焊縫的左右偏差量與焊槍當(dāng)前擺動(dòng)中心量進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，得到左右偏移調(diào)整值，進(jìn)而輸出執(zhí)行擺動(dòng)中心調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)焊槍在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊接位置調(diào)整；小車控制器將當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊縫高度偏差量與焊槍實(shí)時(shí)高度比對(duì)，得到高度偏移調(diào)整值，進(jìn)而輸出執(zhí)行高度調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)焊槍在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊槍高度調(diào)整（圖 4）。

3 焊評(píng)與結(jié)論

根據(jù)以上研究，與廠家合作研制自動(dòng)焊接裝置樣機(jī)，在單位廠房模擬中緬油氣管道情況，開展該B型套筒自動(dòng)焊接裝置的6G焊接工藝評(píng)定工作。焊評(píng)委托中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院焊接技術(shù)中心承擔(dān)， Φ 1016 mm B型套筒參數(shù)：材質(zhì)Q345R、厚度為 36 mm、長(zhǎng)度為700 mm。自動(dòng)焊接的直焊縫和環(huán)焊縫如圖 5所示。

焊接方法采用焊條電弧焊和藥芯焊絲氣體保護(hù)焊組合方式，直焊縫、環(huán)焊縫封焊采用低氫焊條手工焊，焊材選用伯樂E8045-P2；填蓋采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊自動(dòng)焊，焊材選用伯樂E91T1-M21A6-K2-H4。采用的保護(hù)氣是80% Ar+20% CO2的混合氣體。

直焊縫焊接用時(shí)2小時(shí)10分鐘，單道焊接時(shí)長(zhǎng)為4～5分鐘。環(huán)焊縫焊接時(shí)間為13小時(shí)，單道焊接時(shí)長(zhǎng)7～8分鐘。

經(jīng)焊接外觀檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、液體滲透檢測(cè)，彎曲試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、宏觀金相檢驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果符合API STD 1104-2013《Welding of Pipelines and Related Facilities》及GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn)，焊評(píng)合格，出具焊接工藝評(píng)定報(bào)告，該B型套筒自動(dòng)焊接裝置具備現(xiàn)場(chǎng)施工能力。

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作者簡(jiǎn)介：秦龍龍， 1986年生，工程師，碩士研究生，中國(guó)石油大學(xué)（華東）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣管道維搶修及信息化研究工作。聯(lián)系方式： 18087118337，tianrenshui001@163.com。