樊秀剛

中石化第十建設(shè)有限公司 山東青島 266555

作為國(guó)家重工業(yè)的重要組成部分，石油化工建設(shè)行業(yè)承擔(dān)了大量大型結(jié)構(gòu)、大型儲(chǔ)罐、承壓設(shè)備、厚壁管道、特殊材料等的焊接作業(yè)。目前，該行業(yè)內(nèi)焊接作業(yè)大多以傳統(tǒng)的手工焊接和機(jī)動(dòng)焊接（半自動(dòng)焊）為主。焊接時(shí)，操作人員、焊接設(shè)備、組對(duì)工裝、焊接工藝、焊接材料、焊接檢驗(yàn)方法和焊接作業(yè)環(huán)境等因素都會(huì)在一定程度上影響焊接的質(zhì)量，焊縫返修及重復(fù)檢測(cè)還會(huì)導(dǎo)致施工成本增加。而且人工焊接對(duì)操作者的依賴程度過(guò)高，即便是埋弧自動(dòng)焊等半自動(dòng)焊機(jī)，在調(diào)整焊接參數(shù)和電弧移動(dòng)過(guò)程中也不能離開(kāi)人工操作。操作人員質(zhì)量意識(shí)淡薄、操作技能不熟練、水平發(fā)揮不穩(wěn)定等因素都會(huì)造成焊接效率低、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。此外，由于焊接作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的電弧煙塵污染對(duì)人體有害，越來(lái)越多的焊工改行至相對(duì)更為環(huán)保的行業(yè)工作，施工企業(yè)面臨著熟練焊工用工荒加劇、焊工人工成本持續(xù)上漲等項(xiàng)目管理壓力。

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代人工智能的迅猛發(fā)展，焊接機(jī)器人自動(dòng)化焊接技術(shù)日漸成熟，且基于其對(duì)車(chē)間環(huán)境要求低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在制造業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而石油化工建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)林立、管道錯(cuò)綜復(fù)雜，環(huán)境相較于車(chē)間更加復(fù)雜。因此，從技術(shù)層面研究分析焊接機(jī)器人能否在這種環(huán)境下正常發(fā)揮作用，并推動(dòng)機(jī)器人焊接廣泛取代人工焊接，實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度與工程質(zhì)量的雙贏，是非常必要的。

1 焊接機(jī)器人現(xiàn)狀

我國(guó)是世界工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)最大國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年全年，全國(guó)工業(yè)機(jī)器人完成產(chǎn)量366044 臺(tái)。MIRDATABANK 數(shù)據(jù)顯示，僅2022 年上半年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器交易量就已超過(guò)13 萬(wàn)臺(tái)[1]。據(jù)億歐智庫(kù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年焊接機(jī)器人占我國(guó)機(jī)器人消費(fèi)總數(shù)的25%，消費(fèi)占比情況如表1 所示。焊接機(jī)器人在各領(lǐng)域所展現(xiàn)出來(lái)的高效性、有序性、不知疲倦和靈活可靠等特性是其發(fā)展迅速的重要原因。

表1 2021 年焊接機(jī)器人消費(fèi)占比情況

焊接機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：第一代“示教—再現(xiàn)”焊接機(jī)器人，只會(huì)簡(jiǎn)單的機(jī)械操作，沒(méi)有信息收集回傳的功能，即便是在簡(jiǎn)單的工作環(huán)境中也有可能受其他細(xì)微影響而不能很好完成焊接作業(yè)，基本已被現(xiàn)代工業(yè)所淘汰；第二代具有感知功能的焊接機(jī)器人，已具備一定的感知能力，能夠搭載各種傳感器，并在傳感器的幫助下簡(jiǎn)單辨別并很好地采集作業(yè)環(huán)境信息，也能夠在簡(jiǎn)單的環(huán)境下獨(dú)立完成工作；第三代智能型焊接機(jī)器人，集多種傳感器于一身，可自動(dòng)檢測(cè)作業(yè)環(huán)境，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以基于收集到的信息自主決策并進(jìn)行路徑規(guī)劃，“柔性”大大加強(qiáng)，是未來(lái)焊接機(jī)器人發(fā)展的主要形式，人類自此加快了步入自動(dòng)焊接的時(shí)代[2]。

20 世紀(jì)80 年代末，我國(guó)研制出了第一臺(tái)弧焊機(jī)器人——“華宇- Ⅰ型”焊接機(jī)器人[3]，迄今為止已有近40年的歷史。我國(guó)機(jī)器人研究雖起步晚，但發(fā)展速度迅猛，從最初的點(diǎn)焊、弧焊發(fā)展到鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、激光焊和等離子焊等焊接方式，作業(yè)環(huán)境也由原來(lái)的室內(nèi)操作擴(kuò)展到室外，如山間、水下、外太空和其他高污染環(huán)境等[4]?？梢?jiàn)，焊接機(jī)器人能夠幫助人類從危險(xiǎn)系數(shù)高的勞動(dòng)環(huán)境中脫離出來(lái)。

2 焊接機(jī)器人應(yīng)用的可行性分析

2.1 焊縫識(shí)別與跟蹤

焊縫識(shí)別與跟蹤是自動(dòng)化焊接技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)所在。在石油化工建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)，高空焊接作業(yè)非常常見(jiàn)。但高空焊接作業(yè)時(shí)操作空間受限，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，焊接難度大，極易導(dǎo)致焊接操作人員焊接水平發(fā)揮失常，直接影響到焊縫整體質(zhì)量。而焊接機(jī)器人能夠精準(zhǔn)地識(shí)別到焊縫，并確保焊槍準(zhǔn)確定位并找到焊縫位置，快速適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，且操作性能穩(wěn)定，極大程度上保證了焊接質(zhì)量。

焊接機(jī)器人依托各種傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)既定功能。我國(guó)很早就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)傳感器的研究，在工業(yè)機(jī)器人中，傳感器技術(shù)的應(yīng)用已比較成熟。智能機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境有超強(qiáng)的感知力，在傳感器的作用下，機(jī)器人可以獲取外界信號(hào)數(shù)據(jù)，能夠自主識(shí)別、提取焊縫，并對(duì)焊槍位置進(jìn)行矯正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)母材接口的精準(zhǔn)焊接[5]。為消除自動(dòng)化焊接過(guò)程中噪音、灰塵或金屬飛濺等對(duì)傳感器穩(wěn)定性所產(chǎn)生的干擾，智能機(jī)器人采用圖像預(yù)處理法，對(duì)采集圖像做去噪處理，突出增強(qiáng)圖像中的焊縫特征信息，有助于后續(xù)焊縫特征的提取[6]。

隨著軟件技術(shù)的不斷更新，計(jì)算機(jī)性能有了質(zhì)的提升，邏輯運(yùn)算功能進(jìn)一步提高，視覺(jué)傳感的響應(yīng)速率更快，成為最有潛力的一種傳感方式。當(dāng)前視覺(jué)傳感的研究一般以激光作為光源，激光光源能量大、亮度高，對(duì)周?chē)h(huán)境光線的變化反應(yīng)不敏感，能準(zhǔn)確反映焊縫外觀，并提高焊接機(jī)器人的空間分辨率和靈敏度，是目前較好的傳感方法[7]。根據(jù)這種傳感方法，國(guó)內(nèi)很多公司研究出了精密比較高的焊縫跟蹤系統(tǒng)。例如唐山英萊的IL- HSP- 100SD02 激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)，不僅能夠檢測(cè)內(nèi)角、平板、對(duì)角、V 型坡口等類型的焊縫，還支持10 多種非標(biāo)準(zhǔn)焊縫的定制檢測(cè)，可以保存現(xiàn)場(chǎng)焊縫數(shù)據(jù)。北京創(chuàng)想的CXZK- MIC 微型激光焊縫跟蹤器，可以實(shí)時(shí)糾正焊縫存在的細(xì)小偏差，自動(dòng)引導(dǎo)焊槍對(duì)焊縫進(jìn)行追蹤[8]。在這些系統(tǒng)的作用下，焊接機(jī)器人能夠成功地排除施工過(guò)程中產(chǎn)生的弧光、金屬飛濺及煙塵等影響因素, 大幅度降低自然環(huán)境下光線、灰塵及空氣濕度等因素所產(chǎn)生的不良影響，既提高焊接效率，又確保焊縫成型良好；既安全、美觀，又提高了焊材的有效利用率，降低損耗量，使焊接質(zhì)量有了質(zhì)的提高。

2.2 焊縫質(zhì)量控制

石油化工生產(chǎn)工藝多數(shù)具有高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易腐蝕等特點(diǎn)。若出現(xiàn)焊接質(zhì)量缺陷，不僅會(huì)影響各種設(shè)備、管道的使用壽命，還可能產(chǎn)生物料泄露，既污染環(huán)境，又易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重安全事故。焊接過(guò)程會(huì)使焊縫及其周?chē)鸁嵊绊憛^(qū)材料的金相組織和性能發(fā)生變化：若焊接過(guò)程中線能量過(guò)大，熱影響區(qū)組織晶粒紊亂、粗大易會(huì)造成材料脆化；若線能量過(guò)小，則造成淬硬組織從而產(chǎn)生焊接裂紋。由于焊接機(jī)器人對(duì)焊縫線能量的控制極為精準(zhǔn)，焊接過(guò)程中依靠其敏銳的感知能力，焊接工藝參數(shù)可根據(jù)外部環(huán)境的變化實(shí)時(shí)調(diào)整，如起收弧穩(wěn)定性、起收弧位置、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊槍傾斜角、焊槍擺動(dòng)幅度及頻率、焊槍擺動(dòng)左右停留時(shí)間、干伸長(zhǎng)、弧長(zhǎng)、熔滴過(guò)渡形式和保護(hù)氣體流量等[9]。這些因素的控制得當(dāng)與否直接決定焊縫成形質(zhì)量的好壞。

為了控制這些因素，20 世紀(jì)80 年代起國(guó)外就開(kāi)始對(duì)焊接專家系統(tǒng)的研究。目前焊接專家系統(tǒng)主要分為8 類，主要包括焊接工藝、焊接材料、焊接結(jié)構(gòu)、焊接缺陷診斷、焊接成本估算、焊接過(guò)程控制、設(shè)備故障診斷和焊工考試專家系統(tǒng)。其中焊接過(guò)程控制專家系統(tǒng)主要是根據(jù)焊接過(guò)程檢測(cè)裝置，對(duì)焊接位置是否產(chǎn)生偏差、焊接位置是否熔透、焊接時(shí)有無(wú)產(chǎn)生母材的變形等進(jìn)行逐一檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果實(shí)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行焊接調(diào)整的專用系統(tǒng)[10]。在焊接過(guò)程中，焊接控制專家系統(tǒng)可以根據(jù)各種焊接參數(shù)提供不同的焊接方法，使焊接機(jī)器人能夠根據(jù)捕獲的信息精準(zhǔn)地進(jìn)行軌跡移動(dòng)，調(diào)整焊槍的使用姿態(tài)和一系列參數(shù)；選擇脈沖弧焊電源時(shí)可自行調(diào)節(jié)脈沖電流強(qiáng)度，使電流達(dá)到噴射過(guò)渡狀態(tài)，在保證熔深深度的條件下縮小熔池體積，從而實(shí)現(xiàn)焊接位置全覆蓋；同時(shí)因減小線能量而縮小熱影響區(qū)，降低熱影響區(qū)組織晶粒的粗大化，從而降低裂紋傾向和結(jié)構(gòu)變形，使焊接工藝和焊接動(dòng)作相互協(xié)調(diào)配合，提高焊接機(jī)器人控制的時(shí)效性，減少焊材損耗量、降低返工率，進(jìn)而延長(zhǎng)各種工件的使用期限，保證化工裝置的安全運(yùn)行。

2.3 焊接質(zhì)量檢測(cè)

焊接質(zhì)量受諸多因素的直接或間接影響。即使選擇了最優(yōu)的焊接方法和焊接工藝參數(shù)，采取了大量避免缺陷產(chǎn)生的工藝措施，也不能保證焊接不產(chǎn)生缺陷。常見(jiàn)的幾種焊縫缺陷類型包括未熔合、未焊透、裂紋、夾渣和氣孔等[11]。這些缺陷會(huì)影響焊接構(gòu)件的力學(xué)性能和使用壽命，嚴(yán)重情況下會(huì)對(duì)公眾安全和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大的威脅和損失。因此，在焊后及時(shí)對(duì)工件的焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，評(píng)估焊縫內(nèi)部不同類型、不同程度的缺陷位置和缺陷大小是非常重要的工作。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用在航空航天、機(jī)械制造、石油化工、特種設(shè)備制造等領(lǐng)域。

當(dāng)前，石油化工施工行業(yè)對(duì)于焊縫質(zhì)量的檢測(cè)依然沿用傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式，檢測(cè)內(nèi)部缺陷的方法一般使用射線檢測(cè)（RT）、超聲檢測(cè)（UT）兩種。射線檢測(cè)時(shí)無(wú)損檢測(cè)操作人員手持X 射線機(jī)或γ 源射線機(jī)對(duì)需要檢測(cè)的位置進(jìn)行曝光。如工件較厚，曝光時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，檢測(cè)時(shí)射線的輻射極易對(duì)操作人員身體造成傷害。在超聲檢測(cè)方面, 由于傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)儀無(wú)法記錄檢測(cè)到的數(shù)據(jù)且，超聲探頭對(duì)薄壁工件不敏感，很少應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)。近幾年，隨著數(shù)字化儀器的發(fā)展和應(yīng)用，超聲相控陣（PAUT）開(kāi)始逐步替代傳統(tǒng)的超聲技術(shù)走入化工行業(yè)的施工現(xiàn)場(chǎng)，超聲相控陣檢測(cè)儀具有檢測(cè)探頭多樣、檢測(cè)敏感度高、數(shù)據(jù)可記錄、機(jī)身輕巧、可全天作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了檢測(cè)的效率。但仍需人工攜帶至工件位置，使用探頭對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，并判定焊縫質(zhì)量是否合格。

實(shí)際工作中，很多大型設(shè)備、結(jié)構(gòu)和管道所處位置較高，檢測(cè)人員通常需要借助腳手架或機(jī)械才能到達(dá)焊縫位置，不僅危險(xiǎn)系數(shù)高，而且花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)量大，耗費(fèi)巨大的成本。而焊接機(jī)器人的應(yīng)用會(huì)使焊縫缺陷檢測(cè)更加簡(jiǎn)便快捷、經(jīng)濟(jì)安全。文獻(xiàn)[12]提出一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人焊縫缺陷圖像自動(dòng)辨別方法，通過(guò)模糊增強(qiáng)等預(yù)處理過(guò)程，增強(qiáng)圖像質(zhì)量，突出缺陷特征，以圖像特征為辨識(shí)依據(jù)，不斷訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而得到準(zhǔn)確的辨識(shí)結(jié)果[12]，有利于工件焊接的二次改進(jìn)。阿里巴巴DAMO 研究院人工智能團(tuán)隊(duì)使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)訓(xùn)練，已成功識(shí)別新冠肺炎病灶的細(xì)微變化，如斑片狀或節(jié)段狀磨玻璃密度影等。根據(jù)這種新的研究思路，利用現(xiàn)代人工智能算法速度快、精度高的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)造了專用于氣孔、夾雜物、裂紋、未焊透及未熔合等焊接缺陷的超聲相控陣檢測(cè)圖譜特征集及其智能分類算法，加強(qiáng)焊接缺陷檢測(cè)定性的分類[12]，使焊接質(zhì)量檢測(cè)變得更加精準(zhǔn)高效。

3 結(jié)語(yǔ)

目前焊接機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越成熟，在各行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但在石油化工建設(shè)行業(yè)，仍以用傳統(tǒng)的人工焊接為主，對(duì)焊接機(jī)器人的應(yīng)用不多。結(jié)合當(dāng)前焊接機(jī)器人研發(fā)技術(shù)，從石油化工施工行業(yè)焊接工作各階段著手，對(duì)焊接機(jī)器人在該行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析：

（1）焊接機(jī)器人可以采用焊縫識(shí)別與追蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的準(zhǔn)確定位和提取，提高石油化工建設(shè)行業(yè)的焊接精度；

（2）在專家控制系統(tǒng)及傳感器技術(shù)的加持下，焊接機(jī)器人對(duì)焊縫成形質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)控制是可行的；

（3）焊接機(jī)器人與人工智能技術(shù)結(jié)合，能夠?qū)附又挟a(chǎn)生的氣孔、夾雜物等焊接缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確、高精度識(shí)別，提高識(shí)別效率，進(jìn)一步保證焊接質(zhì)量。

綜上所述，現(xiàn)代焊接機(jī)器人與視覺(jué)傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能深度融合在石油化工建設(shè)行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用是可行的。