石油鉆采設(shè)備制造焊接自動化技術(shù)應(yīng)用

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摘要：鉆采設(shè)備為石油生產(chǎn)的核心機械設(shè)備，其由旋轉(zhuǎn)、循環(huán)、提升、動力等模塊構(gòu)成，在設(shè)備制造過程中涉及大量焊接作業(yè)。介紹了焊接自動化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，而后著重分析其在石油鉆采設(shè)備制造中的具體應(yīng)用。經(jīng)實踐驗證，焊接自動化技術(shù)可顯著提高鉆采設(shè)備制造效率，提供更可靠的機械焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：焊接自動化技術(shù)；石油鉆采設(shè)備；設(shè)備制造；焊接機器人

焊接技術(shù)是一種典型的機械工程制造技術(shù)，在傳統(tǒng)機械制造領(lǐng)域，工件焊接多采用手工方式進行，焊接作業(yè)效率低下，焊接質(zhì)量難以有效保障，進而影響到機械設(shè)備的運行性能和使用壽命。隨著工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展，對機械制造生產(chǎn)提出更嚴格要求，在很大程度上促進了焊接技術(shù)革新，焊接自動化技術(shù)應(yīng)運而生。為充分發(fā)揮焊接自動化技術(shù)優(yōu)勢，需要對其特點及應(yīng)用經(jīng)驗做分析總結(jié)。

1焊接自動化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)焊接技術(shù)雖然可基本滿足正常焊接的需求，但其焊接過程中涉及的電弧引燃、電弧長度調(diào)整、電弧熄滅等均需通過手工方式進行，造成較高的人力資源成本，且影響企業(yè)生產(chǎn)效率提升。焊接自動化技術(shù)融入機械制造領(lǐng)域后，企業(yè)通過生產(chǎn)參數(shù)預(yù)設(shè)，在計算機程序的控制下即可高效、精確完成機械工件的自動化焊接。因不涉及人為操作，焊接誤差率可降到最低，且焊接過程迅速，能夠縮短設(shè)備的生產(chǎn)周期。在我國，焊接技術(shù)應(yīng)用可追溯至20世紀初，當時焊接技術(shù)即在我國機械制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但與發(fā)達國家相比，我國焊接技術(shù)的發(fā)展還要受到鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的限制，有關(guān)技術(shù)體系建設(shè)還不完善。工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展給焊接技術(shù)性能提出更高要求，促使其不斷朝向自動化、智能化的方向發(fā)展。

2焊接自動化技術(shù)在石油鉆采設(shè)備制造中的應(yīng)用

2.1技術(shù)選型

焊接自動化技術(shù)最早被應(yīng)用于船舶、壓力容器等制造領(lǐng)域，焊接精度較高，變形量非常有限，但當時還無法達到石油鉆采設(shè)備制造對精度的要求。在焊縫跟蹤技術(shù)、數(shù)控型鋼下料技術(shù)等被研發(fā)之后，基于焊接自動化技術(shù)的智能制造系統(tǒng)不斷完善，大大提高了石油鉆采設(shè)備制造技術(shù)水平。本文重點介紹焊接機器人、數(shù)控型鋼下料技術(shù)和厚板激光切割技術(shù)。

2.1.1焊接機器人現(xiàn)有的焊接機器人功能已非常成熟，可完成焊接環(huán)境自動識別、焊道位置精準判斷、焊縫實時跟蹤等活動。在弧焊分析過程中，構(gòu)建三維立體模型，實現(xiàn)對焊接過程的動態(tài)化控制，以確保焊接質(zhì)量。同時，利用傳感設(shè)備實時跟蹤焊接路徑，自動完成焊接糾偏，機器人可操作性大幅度提升。除環(huán)境較優(yōu)、精度要求較高的產(chǎn)業(yè)，焊接機器人還可適應(yīng)惡劣工況，用于裝配精度要求較低的機械制造中。另外，數(shù)控型鋼下料技術(shù)和厚板切割激光技術(shù)的運用使得石油鉆采設(shè)備制造裝配精度提升明顯，焊縫誤差被控制到更小范圍，這給焊接機器人的運用提供了更有利條件。焊接機器人首要解決的難題為控制系統(tǒng)設(shè)計，如焊縫識別及跟蹤系統(tǒng)。目前國內(nèi)較先進的控制技術(shù)為視覺傳感拍照及激光跟蹤，即在系統(tǒng)內(nèi)安裝輔助光源及攝像設(shè)備，全方位采集工件姿態(tài)信息，將采集信息傳輸至系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理、分析和計算，以準確判斷焊縫位置，有效降低裝配誤差。焊接過程中，激光跟蹤系統(tǒng)可結(jié)合實際焊接情況對焊道做實時調(diào)整，確保其與焊縫中心相對正，省去人工糾偏的麻煩。

2.1.2數(shù)控型鋼下料技術(shù)機械設(shè)備制造中多將數(shù)控切割技術(shù)用于板材切割上，板材切割自動化程度已經(jīng)發(fā)展至一定水平，但該技術(shù)在型鋼切割中的利用在近年來才開始。數(shù)控型鋼下料系統(tǒng)多采用龍門式，包括機床、電氣、控制軟件等結(jié)構(gòu)。其中，機床由等離子發(fā)射器、切割系統(tǒng)、槍嘴、上料及下料模塊、運輸模塊、軌道、減速器等構(gòu)成，槍嘴為五軸聯(lián)動，可全方位回轉(zhuǎn)，以適應(yīng)各種切割角度，滿足多種尺寸的型鋼切割要求；上料及下料模塊為自動控制，使用吊車將型鋼材料運輸至指定位置即可自動完成上料和下料作業(yè)，該設(shè)計的優(yōu)點在于，能夠有效縮小模塊占地面積，同時無須反復(fù)操作吊車，生產(chǎn)流暢性較高。型鋼切割過程橫向切口與立向切口采用不同的工藝參數(shù)，起弧點、切割順序等均存在一定差異，來自不同生產(chǎn)企業(yè)、不同品牌的下料系統(tǒng)，其切割效果也不相同。數(shù)控等離子型鋼自動下料系統(tǒng)將三維技術(shù)與等離子切割技術(shù)有機融合，可實現(xiàn)型鋼切割的數(shù)字化控制，將原本手工切割的方式過渡為自動切割。現(xiàn)階段我國不少鉆采設(shè)備制造企業(yè)均引進該技術(shù)，可確保切口質(zhì)量、生產(chǎn)精度更高的設(shè)備構(gòu)件。例如在帶角度斜口切割中，其精度可達到0.5°。另外，數(shù)控等離子型鋼自動下料系統(tǒng)的應(yīng)用使得型鋼切割進入流水線作業(yè)，大大降低了人工作業(yè)的壓力，實現(xiàn)劃線、切割、清理的一體化，幫助企業(yè)提高鉆采設(shè)備生產(chǎn)效率。

2.1.3厚板激光切割技術(shù)激光技術(shù)發(fā)展成熟使其有關(guān)設(shè)備造價大幅度下降，降低了企業(yè)引入激光技術(shù)的經(jīng)濟門檻，使得該技術(shù)被用于厚板切割當中。數(shù)控激光厚板下料系統(tǒng)也多為龍門式結(jié)構(gòu)，包括激光發(fā)射器、機械行走、控制軟件三個部分。厚板切割使用的激光發(fā)射器主要為二氧化碳激光器和半導(dǎo)體激光器。其中，二氧化碳激光器的體積和自重較大，切割過程激光器隨機床一起運動，對生產(chǎn)線機架和導(dǎo)軌性能要求較高。該系統(tǒng)雖然需占用較大空間，但因生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟性較強，在生產(chǎn)批量較大且加工精度要求不高的制造企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。鉆采設(shè)備制造過程中，企業(yè)可依照板厚選擇適當功率的激光發(fā)射器，進而在確保加工質(zhì)量的同時，合理節(jié)約經(jīng)濟成本。

2.2應(yīng)用流程

2.2.1智能控制對焊接全過程做智能化控制是焊接自動化技術(shù)的基本功能。數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)、智能控制技術(shù)的快速發(fā)展實現(xiàn)了鉆采設(shè)備焊接過程的智能控制。焊接過程中，在系統(tǒng)控制面板輸入操作指令，由計算機系統(tǒng)自動完成工藝參數(shù)計算、配置等操作，以對焊接全過程做智能化跟蹤。目前智能控制面臨的主要問題為控制精度，需要做進一步的研究。

2.2.2數(shù)據(jù)分析鉆采設(shè)備焊接作業(yè)環(huán)境相對惡劣，以往焊接操作采用人工方式進行，容易給作業(yè)人員人身健康造成較大影響。采用焊接自動化技術(shù)后，人工操作的環(huán)節(jié)和時間被大量壓縮，可降低相關(guān)人員工作負荷，通過控制面板及計算機系統(tǒng)，即可對焊接過程做遠程控制和跟蹤。另外，焊接設(shè)備檢修維護也可在計算機系統(tǒng)的輔助下進行，實時獲取焊接設(shè)備運行參數(shù)信息，利用自動診斷技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行異常，并發(fā)出報警提示，運維管理人員依照提示即可快速、準確定位故障點并開展維修作業(yè)，以免影響鉆進設(shè)備生產(chǎn)效率。

2.2.3過程控制焊接自動化技術(shù)在石油鉆井設(shè)備制造領(lǐng)域的應(yīng)用可顯著提高企業(yè)生產(chǎn)效率，使產(chǎn)品品質(zhì)達到更高的標準，同時確保焊接操作過程的安全、穩(wěn)定。利用自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對焊接過程的集成化控制，精確把握焊接工藝參數(shù)。操作人員借助計算機系統(tǒng)，對焊接設(shè)備做數(shù)字化控制，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為具體的工藝指令傳輸至焊接設(shè)備，由焊接設(shè)備執(zhí)行有關(guān)指令，以確保焊接過程的規(guī)范性。

2.2.4技術(shù)融合焊接自動化已成為石油鉆采設(shè)備制造必然的發(fā)展趨勢，隨著相關(guān)技術(shù)的進一步完善，應(yīng)將傳統(tǒng)焊接技術(shù)與現(xiàn)代工程技術(shù)有機融合，構(gòu)建柔性的焊接體系，以滿足多樣化的工件焊接需求，提高石油鉆采設(shè)備生產(chǎn)的自動化程度和技術(shù)水平。

2.3優(yōu)化措施

（1）石油鉆采設(shè)備焊接自動化存在如下技術(shù)難題：①因構(gòu)件體積和自重較大，存在移動不便的問題。②焊接過程尋縫難度較高。③若焊接機器人位置固定，其工作空間即受到嚴格限制，因此在靈活性上要低于人工焊接方式。④石油鉆采設(shè)備制造中使用的板材厚度較大，部分構(gòu)件需進行多道焊接，因坡口填充量較大，在焊接過程中會釋放更多熱量，易引發(fā)構(gòu)件變形問題。⑤若構(gòu)件發(fā)生形變，會導(dǎo)致焊槍偏離系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最佳軌跡，導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降，此時就需要進行軌跡糾偏。在人工焊接過程，軌跡糾偏可通過實時關(guān)注焊槍位置完成，而在自動化焊接過程中，想要對焊接軌跡做有效跟蹤非常困難。（2）為提高焊接自動化技術(shù)在石油鉆采設(shè)備制造中的應(yīng)用成效，給出如下技術(shù)優(yōu)化措施：①針對鉆采設(shè)備構(gòu)件移動不便、焊接機器人運行空間限制較大的問題，可將構(gòu)件固定，改變焊接機器人位置完成焊接。例如，將焊接機器人固定在導(dǎo)軌式分體C型走架上，調(diào)節(jié)機器人與構(gòu)件的相對位置完成焊接作業(yè)。②實際工作中，工件位置很難絕對固定，在發(fā)生位置變化后重新編寫自動控制程序也不現(xiàn)實，該問題可通過機器人接觸尋縫技術(shù)來解決。通過接觸式傳感器，使機器人自動定位焊縫位置，在確定焊縫位置后，利用PR位置寄存器運算出機器人運行程序。在確定焊縫起點時，焊機向焊絲端部傳遞直流電壓信號，焊絲與構(gòu)件接觸后給出電流反饋并傳輸回電機，系統(tǒng)自動存儲機器人實時TCP位置，以簡化運算過程，精確定位焊縫起點。③針對機器人焊接靈活性不足的問題，存在兩種優(yōu)化方案。調(diào)節(jié)焊槍角度，例如當焊槍因結(jié)構(gòu)受限偏離原本的坡口平分線位置時，更換大角度焊槍，以使焊槍逼分線；調(diào)節(jié)焊槍長度，例如在內(nèi)部焊縫焊接時，焊槍槍頸過短導(dǎo)致其很難探入焊縫所在位置，且后部大體積結(jié)構(gòu)也會給焊槍在結(jié)構(gòu)內(nèi)部姿態(tài)調(diào)整造成較大阻礙，此時可更換長頸焊槍，以提高自動化焊接的可達性。④鉆采設(shè)備工件多層多道焊接過程中容易出現(xiàn)焊接變形，此時可選擇能量密度更高、熱輸入水平更低的焊接方式，如熔化極氣體保護焊完成焊接作業(yè)。坡口金屬填充量過大的問題可通過適當降低坡口角度和間隙的方式解決。另外，在環(huán)縫焊接中，可啟用2臺焊接機器人，采用對稱的方式進行焊接。經(jīng)對比分析，該焊接方式所需的電流幅值較小，焊接速度快，可有效控制放熱現(xiàn)象，防止構(gòu)件變形。

2.4質(zhì)量控制

（1）鉆采設(shè)備焊接多采用埋弧自動焊接工藝，過程中為避免埋弧焊將板材直接打透，可采用手工焊接與自動焊接相結(jié)合的方式，以手工焊接進行打底。同時，徹底清理坡口位置及兩側(cè)的雜質(zhì)，避免污染物影響焊接質(zhì)量，作業(yè)面清潔干燥后，可開展正式的焊接作業(yè)。（2）焊接過程的焊縫控制可分段進行，確保各段長度合理，在模塊焊接作業(yè)完畢后，及時檢查工件形變情況，確保達到有關(guān)技術(shù)指標的要求。（3）在立焊作業(yè)中，可選用二氧化碳氣體保護焊工藝，采用從下到上的焊接順序，過程中需在目標板材的反面設(shè)置水冷銅作為襯墊。（4）為有效控制焊接過程放熱，可采用分層焊接的方式，以在提高作業(yè)效率的同時，確保焊接質(zhì)量。

3結(jié)束語

綜上所述，焊接自動化技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用極大提高了石油鉆采設(shè)備制造的自動化水平，為此在技術(shù)實踐過程中，應(yīng)重點加強焊縫跟蹤、軌跡糾偏的技術(shù)研究，并結(jié)合具體作業(yè)情況，制定技術(shù)優(yōu)化及質(zhì)量管理方案，確保焊接自動化技術(shù)優(yōu)勢充分發(fā)揮。

參考文獻

[1]張旭，田立勇.工程機械焊接自動化技術(shù)分析[J].科技風(fēng)，2020（14）：177.

作者：李曉東 單位：蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司