海底管道铺设窄坡口焊接机器人电弧传感技术研究

Arc-based sensing narrow groove pipe welding is the key technology to realize automated pipeline welding, as a result of pipe welding using narrow groove form and belongs to all position welding, The use of through-the-arc sensing for narrow groove pipe welding applications poses specific challenges due to the steep groove sidewalls, the use of short arc lengths and the change of all position welding parameters. In order to overcome the negative influence of these characteristics, this project is intended to high speed oscillation arc signal as the breakthrough point. The law of arc sensor sensitivity in short circuiting metal active gas welding with high speed torch oscillation is studied. Bead profile analysis performed at different sidewall proximities indicated that optimum wire to sidewall proximities can be found in order to obtain steady welding electrical signals; Through the analysis of melting polar gas shielded welding arc signal, this paper puts forward to control algorithm suitable for narrow groove pipe all position welding seam tracking and oscillation width adjustment. Different wall distance of the drip characteristics to find wire stable combustion best distance value in order to obtain steady welding electrical signals; At the same time, the quantitative relationship of welding specification parameters、droplet transfer、arc shade、shape of molten、pool-weld shape is established to narrow groove pipe all position, the research on double wire melting polar gas protection all position pipe welding process optimization has been conducted. These research results will greatly improve pipeline welding robot intelligent, and promote the process of practical engineering applications for submarine pipeline laying welding robot.

基于电弧传感的窄坡口管道焊接是实现海底管道铺设焊接自动化的关键技术，但由于管道焊接采用窄坡口形式且属于全位置焊接，陡峭的坡口侧壁、小电流熔滴过渡及全位置焊接工艺参数的变化，增加了传统基于电弧传感焊缝跟踪方式的难度。为了克服这些特点带来的不利影响，本项目拟以高速摆动电弧信号为切入点，研究焊枪摆动频率对电弧传感信号灵敏度的影响规律；研究不同侧壁距离下的溶滴特性以获得焊丝稳定燃烧的最佳距离值及稳定的焊接电信号；通过分析熔化极气体保护焊接电弧信号，提出适宜于窄坡口管道全位置焊接的焊缝跟踪及摆宽自调整控制算法；建立窄坡口管道全位置"焊接规范参数-熔滴过渡-电弧形态-熔池形态-焊缝成形"之间的定量关系，开展双丝熔化极气体保护全位置管道焊接工艺的优化研究。本项目的研究成功，将极大的提升海底管道铺设焊接机器人的智能化程度，为其顺利的工程应用打下坚实的技术基础。

基于电弧传感的窄坡口管道焊接是实现海底管道铺设焊接自动化的关键技术，管道窄坡口全位置焊接的J型坡口、小电流熔滴过渡及全位置焊接工艺参数的变化，增加了电弧传感在管道焊接中的研究难度。项目以高速摆动电弧信号为切入点，研究焊枪摆动频率对电弧传感信号灵敏度的影响规律；研究摆动宽度对电弧传感信号的影响规律； 通过对焊接电弧信号的采集、处理和分析，提出适宜于窄坡口管道全位置焊接的焊缝跟踪及摆宽自调整控制算法；开展双丝熔化极气体保护全位置管道焊接工艺的优化研究。.主要的研究工作及重要结果如下：.(1)搭建了基于CAN总线的高频摆动焊接实验平台，可对电弧信号进行实时的采集，方便焊缝跟踪过程中的信号处理。.(2)研究窄坡口电弧传感的机理，建立了窄坡口短路过渡和射流过渡电弧传感数值模型。进行不同摆频和摆宽条件下的焊接电信号波形仿真，仿真结果与实际电弧信号在数值和波形特征上都基本吻合，为实际应用提供了理论支撑。.(3)研究了不同焊枪摆频和摆宽对电弧传感信号的影响规律。研究结果表明，较高的摆频会使短路噪声和环境噪声混入焊炬位置特征信号中，在满足跟踪精度的前提下应该选择较小的摆频。摆动宽度使侧间距大于-0.5 mm小于1 mm时会获得好的焊缝成形和理想的电弧特征信号。.(4)针对高低跟踪的给定电流信号，滑动平均滤波与中值滤波的组合滤波可以取得良好的信号处理效果；对焊接电流的降噪方法进行了研究，5阶coif5小波在开启软阈值条件下对短路和射流模式下的焊接电流有很好的降噪效果。.(5)建立了不同区位焊接电流与焊枪高度的数学模型，提出了可变增益的PID多模型控制算法．研究结果表明，高低跟踪系统的稳态和动态性能良好，可实现不同焊接规范下焊矩高度的实时跟踪控制，保证了焊接过程的稳定性。.(6)针对横向跟踪电弧信号特点，提出了区间积分偏差提取算法，采用带死区的PID控制策略，编写了焊缝跟踪算法程序，获得了较好的跟踪性能。.(7)进行了大口径UOE海管的自动焊接工艺试验，通过窄坡口管道全位置焊接规范与焊接质量的定量关系优化了工艺，形成了基于电弧传感的管道自动焊接工艺规范。.研究成果为海底管道铺设焊接机器人智能化关键技术的应用奠定了基础，提升了国内海底管道铺设焊接机器人的技术水平，具有重大的科学意义和工程应用前景。