秦龍龍 李猛 楊柳 唐磊

國家管網(wǎng)集團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強度大，效率低。激光視覺傳感具有主動性、非接觸、能獲取物體的三維信息、靈敏度和精度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點�；�于激光跟蹤系統(tǒng)的自動焊接裝置用激光視覺傳感器采集焊接過程圖像信息，提取焊縫位置參數(shù)，跟蹤控制焊接過程，實現(xiàn)B型套筒的自動焊接。合作研制B型套筒自動焊接裝置，開展自動焊接試驗，經(jīng)焊評表明，裝置具備現(xiàn)場焊接施工能力。

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

西南管道公司所轄管道經(jīng)過山地多、河流多，遭遇地質(zhì)災(zāi)害多，地質(zhì)條件復(fù)雜。國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、焊口缺陷等問題，嚴重威脅管道的正常運行。當(dāng)管道焊口缺陷問題未達到必須換管的程度，基于油氣保供和經(jīng)濟效益等綜合考慮，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)坑開挖不標準，國內(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，焊工勞動強度大，且焊接質(zhì)量受人工技術(shù)水平的影響比較大，國外已有的管道現(xiàn)場自動焊機適用性不強，價格昂貴，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、手動遙控器、數(shù)字焊機、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焊完成三通或B型套筒焊接作業(yè)，焊接小車通過對應(yīng)的配套行走軌道實現(xiàn)焊接作業(yè)，如圖 2所示。集成激光跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)焊接自動跟蹤功能；焊接過程中可微調(diào)電流、電壓、行走、擺動相關(guān)參數(shù)，并實時顯示和采集，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)被認為是焊縫檢測的主要發(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，主要由攝像機和激光二極管組成，攝像機垂直對準工件，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，進入攝像機成像，并將圖像傳遞到工控機處理。

2.2 焊縫圖像處理

通過激光視覺傳感單元，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，對采集的數(shù)據(jù)進行圖像預(yù)處理、圖像識別后輸出焊縫位置信息。

（1）圖像預(yù)處理。對采集圖像進行圖像預(yù)處理（主要包括圖像濾波和圖像增強，濾波主要采用了中值濾波和形態(tài)學(xué)濾波方法，圖像增強采用的是直方圖增強；此處的中值濾波、形態(tài)學(xué)濾波、直方圖增強都是沿用目前已有的經(jīng)典算法），通過圖像預(yù)處理減少了圖像噪聲，為后面進一步運算做好了準備。

（2）模板匹配。將經(jīng)過預(yù)處理的圖像與事先存儲在硬盤中的模板圖像逐點比較得出當(dāng)前最佳匹配位置，用該位置坐標減去模板位置坐標即得當(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、處理偏差。通過將焊接速度取回，計算出激光傳感器與焊槍之間的時間差，將每次計算出的偏差存儲在定義好的數(shù)組中，該數(shù)組大小與時間差和圖像處理時間（指從圖像采集到輸出偏差的時間）有關(guān)，數(shù)組大小與時間差除以圖像處理時間的商成正比；輸出給電機控制模塊的偏差并不是本次計算的偏差而是取前面某次的偏差，從而消除了上述的時間差。

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參數(shù)值調(diào)整當(dāng)前待焊接點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)整擺動中心以及高度；小車控制器接收當(dāng)前待焊接點處的檢測參數(shù)值，并讀取焊槍當(dāng)前擺動中心量，將焊縫的左右偏差量與焊槍當(dāng)前擺動中心量進行比對計算，得到左右偏移調(diào)整值，進而輸出執(zhí)行擺動中心調(diào)整指令，實現(xiàn)焊槍在當(dāng)前待焊接點處的焊接位置調(diào)整；小車控制器將當(dāng)前待焊接點處的焊縫高度偏差量與焊槍實時高度比對，得到高度偏移調(diào)整值，進而輸出執(zhí)行高度調(diào)整指令，實現(xiàn)焊槍在當(dāng)前待焊接點處的焊槍高度調(diào)整（圖 4）。

3 焊評與結(jié)論

根據(jù)以上研究，與廠家合作研制自動焊接裝置樣機，在單位廠房模擬中緬油氣管道情況，開展該B型套筒自動焊接裝置的6G焊接工藝評定工作。焊評委托中國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、長度為700 mm。自動焊接的直焊縫和環(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焊自動焊，焊材選用伯樂E91T1-M21A6-K2-H4。采用的保護氣是80% Ar+20% CO2的混合氣體。

直焊縫焊接用時2小時10分鐘，單道焊接時長為4～5分鐘。環(huán)焊縫焊接時間為13小時，單道焊接時長7～8分鐘。

經(jīng)焊接外觀檢測、磁粉檢測、液體滲透檢測，彎曲試驗、拉伸試驗、夏比沖擊試驗、硬度試驗、宏觀金相檢驗，檢測結(jié)果符合API STD 1104-2013《Welding of Pipelines and Related Facilities》及GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》標準，焊評合格，出具焊接工藝評定報告，該B型套筒自動焊接裝置具備現(xiàn)場施工能力。

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作者簡介：秦龍龍， 1986年生，工程師，碩士研究生，中國石油大學(xué)（華東）計算機科學(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。