螺旋钢管内焊缝自动跟踪系统的研究

0 引言

螺旋钢管在现代工业领域用途非常广泛，主要用于石油、天然气传输，热力管道、自来水系统、污水处理系统以及建筑、桥梁、海洋打桩等领域。其主要优点是强度较高，成本低，能用较窄的钢带生产管径较大的焊管。就目前的生产工艺来看，一般螺旋钢管多采用单丝或双丝埋弧焊进行焊接，根据板材的厚度及质量要求采用单面焊或双面焊工艺。

焊接作为一项传统的金属加工方法在国民经济发展过程中有着不可替代的作用，然而焊接加工环境比较恶劣，高温、粉尘、噪音，工人的劳动条件比较差，为了获得优良焊接质量的焊缝，对工人的技能要求非常高。随着计算机控制技术的发展，焊接过程自动化越来越得到人们的重视，焊缝自动跟踪技术是焊接过程自动化的重要组成部分，是保证焊接质量、改善劳动条件、提高焊接效率的重要技术手段。

焊缝自动跟踪系统中，焊缝识别技术是关键的一环，焊缝识别传感器按照工作方式可分为接触式、电磁式、电弧直接式和光电非接触式等几种，其中以光电非接触式发展最为迅速，目前广泛采用的视觉传感器（CCD）即属于光电非接触式传感器，具有信息量大、灵敏度高、动作响应快等特点，抗干扰能力强，适合于各种坡口形式。然而其也有不可忽视的缺点就是体积大、价格昂贵，尤其是对于没有开坡口的焊缝不能很好地识别。螺旋钢管的焊接工艺中，当管径较小时，视觉传感器无法安装，从而无法实现焊缝自动跟踪，同样当螺旋钢管焊接工艺不需要开坡口时，视觉传感器也就无用武之地了。

对于螺旋钢管来说，当螺旋钢管焊接完成，如果内焊缝出现焊接缺陷，尤其是直径较小的焊管，后期根本无法修复，所以内焊缝的焊接质量尤其重要。笔者对螺旋钢管的焊接过程进行了认真分析，根据其焊接工艺特点，提出了一种简单可行的内焊缝自动跟踪解决方案，经过现场使用，很好地解决了螺旋钢管内焊缝自动跟踪问题。

1 螺旋钢管焊接工艺分析

螺旋钢管的成形及焊接由螺旋焊管机组完成，目前国内通用的是滚动摩擦全辊套成形机组，主要工序是钢带打开、矫平、铣边、成形、焊接、切割等。按照生产要求以及钢带宽度，通过机组调整钢带的输送角度，利用三辊卷圆机原理，形成连续的圆管，并用单丝或双丝埋弧焊进行焊接。通过观察发现，钢带经过铣边后非常整齐，宽度完全一致，焊接过程中，钢带受上下摩擦辊轮的作用，不会上下波动，即使有轻微的波动，由于焊枪移动机构和机组固定在一起，所以微小的上下波动不会影响焊接质量，焊缝的主要偏移是轴向的位移，主要原因是随着螺旋钢管的焊接，其重力不断改变，轴向的受力不断变化，尤其是当螺旋管焊接到规定长度需要切割时，在轴向受到的力会发生突然变化，从而造成其焊接过程中的轴向位移，如果没有内焊缝的自动跟踪系统，工人则完全靠视力观察，不断调整焊枪的轴向移动，劳动强度非常大，一旦出现疲劳，精力不集中，焊接质量将无法得到保障。

2 焊缝跟踪系统硬件设计

螺旋钢管内焊缝自动跟踪系统主要包括三个方面：位移传感器、CPU以及执行机构。

2.1 传感器的选择及安装

根据以上焊接工艺分析，焊缝的偏移是轴向的，螺旋钢管的生产标准要求焊枪偏移焊缝的相对距离不能超过 mm，同时考虑到焊接过程中钢带是移动的，并且现场温度较高，有烟雾和粉尘，所以采用非接触式传感器比较合适，最终选择了奥普士CD1－50N型激光位移传感器，该传感器反应时间最快可达1 ms，测量距离（50±10）mm，模拟量输出 4~20 mA，采样精度0.02 mm，完全满足设计要求。

传感器的安装非常重要，传感器越靠近焊接点，误差越小，由于现场条件的限制，同时考虑到埋弧焊保护焊料脱落会对激光测距产生影响，决定将传感器安装在距离焊接点15 cm的位置，具体如图1所示。

图1 激光位移传感器安装位置

2.2 CPU 的选择

焊缝跟踪系统设计采用了宏晶科技公司生产的STC12C5410AD单片机作为主控芯片，该芯片是1T高速单片机，增强型8051内核，运行速度是传统8051单片机的8~12倍，最高工作频率35 MHz，片载10位8通道ADC，10 K Flash程序存储器，512字节RAM数据存储器，内含EEPROM，4通道PWM，高速SPI通信端口、定时器和中断、看门狗电路等资源，具有加密性强，超强抗干扰等特点。利用芯片自身资源即能满足设计需求，不需要外扩功能芯片，使设计电路简单可靠。

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