容器内壁堆焊焊炬高度自适应跟踪技术学习体会

文献概况与技术背景

本文出自《制造技术与机床》2025年第1期，由新疆大学智能制造现代产业学院的张宁、薛瑞雷、夏磊、康峰四位学者联合撰写，研究内容聚焦于立式容器内壁自动化堆焊修复中的焊炬高度实时跟踪难题。该项目受新疆维吾尔自治区自然科学基金面上基金（2022D01C391）和新疆大学"优秀博士研究生创新项目"（XJU2022BS092）资助，体现了产学研结合的研究特色。

在石化、电力、冶金等行业中，立式容器内壁因长期承受高温、高压及介质腐蚀，局部区域往往出现减薄、裂纹或冲蚀损伤，需要进行自动化堆焊修复。与传统手工堆焊相比，自动化堆焊效率更高、焊缝质量更稳定，但立式容器内壁的曲面几何特征对焊炬高度控制提出了极高要求。焊炬高度偏差直接影响电弧长度、热输入分布及熔敷层成形质量，是决定修复效果的关键工艺变量。

核心技术方法解读

模型参考自适应控制原理

本文提出了一种基于积分项的模型参考自适应控制（MRAC）堆焊焊炬高度跟踪控制器。MRAC 的基本思想是建立一个理想的参考模型，通过实时比较实际输出与参考模型输出之间的偏差，利用自适应律调整控制器参数，使实际系统跟踪参考模型的响应。

作者在该框架中引入了积分项，其目的在于增强控制器对焊接电流干扰信号的抗扰能力。在实际堆焊过程中，焊接电流受到多种因素影响而产生波动，包括母材厚度变化、熔池状态波动、保护气体流量变化等。单纯的比例-微分控制难以有效抑制这些低频干扰，而积分项能够累积偏差信息，实现对稳态误差的消除。

电流信号滤波与高度偏差计算

文中采用无限脉冲响应滤波器（IIR）对采集的堆焊电流进行滤波处理。IIR 滤波器具有频率选择性好的特点，能够有效滤除高频噪声，同时保留反映焊炬高度变化的低频信号。在横焊工况下，作者建立了焊炬高度与焊接电流之间的数学模型，通过模型计算焊炬高度偏差，再由积分项 MRAC 控制器进行纠偏。

从工程实践角度看，横焊时熔池在重力作用下存在下淌倾向，电弧长度变化对熔池流动状态的影响更为显著，因此焊炬高度跟踪的精度要求比平焊更高。IIR 滤波器的引入对提高控制系统的鲁棒性具有重要意义。

试验结果与工程评价

试验结果表明，采用积分项 MRAC 控制方法的最大跟踪误差为 ±0.34 mm。这一精度指标对于容器内壁自动化堆焊而言，基本能够满足焊接质量控制要求。在工程实践中，一般认为焊炬高度跟踪误差控制在 ±0.5 mm 以内即可保证堆焊层的成形质量，而 ±0.34 mm 的误差水平意味着该方法具有较好的工程适用性。

与工程实践的结合思考

现场应用中的挑战

在实际的容器内壁堆焊修复工程中，除了焊炬高度跟踪之外，还需要考虑以下工程因素：一是容器内壁的几何约束，特别是直径较小的容器内部，焊炬摆动空间有限，对机器人运动学提出了更高要求；二是内壁曲面的法向偏差，焊炬不仅需要在径向上跟踪高度，还需要在切向上调整角度，以保证熔敷层的均匀性；三是多层多道堆焊时，前道焊缝的余高会影响后续焊道的起始高度，控制系统需要具备在线补偿能力。

控制策略的扩展性

从技术路线上看，本文提出的积分项 MRAC 方法属于基于电流反馈的间接高度跟踪策略。与激光测距、视觉检测等直接测量方法相比，电流反馈法具有成本低、结构简单、抗飞溅干扰能力强的优点，但也存在响应速度受限于电弧动态特性的固有缺陷。在后续的工程应用中，可以考虑将电流反馈与视觉检测进行融合，实现多传感器信息互补，进一步提升跟踪精度和鲁棒性。

关键疑问与反思

本文的研究聚焦于横焊工况下的焊炬高度跟踪，但实际工程中容器内壁修复往往涉及全位置焊接，包括平焊、立焊、仰焊等多种位置。不同焊接位置下，电弧力、重力、熔池流动状态对焊炬高度-电流关系模型的影响各不相同，如何建立统一的自适应控制策略以适应全位置焊接，是后续研究需要解决的关键问题。

此外，文中提到的焊炬高度-焊接电流数学模型是建立在线性假设基础上的，但在实际堆焊过程中，随着熔池温度场和流动场的动态变化，该模型参数会发生漂移。自适应控制律的参数调整速度是否足以跟上这种漂移，在实际长焊缝堆焊中需要进一步验证。

学习心得与启示

这篇文献给我最深的启发是：自动化堆焊的核心难点不在于焊接工艺本身，而在于如何在复杂几何约束下实现精确的运动控制。焊炬高度跟踪看似是一个简单的伺服控制问题，但将其置于实际工程场景中，涉及传感器选型、信号处理、控制算法、机械结构、工艺参数等多学科交叉，任何一个环节的薄弱都会导致整体系统性能下降。

从质量控制的角度看，±0.34 mm 的跟踪误差意味着堆焊层的厚度均匀性可以得到较好保证，这对于修复层的抗疲劳性能和抗腐蚀性能至关重要。在实际工程中，我建议在验收标准中明确焊炬高度跟踪精度的量化指标，并将其纳入焊接工艺评定（WPS/PQR）的考核范围，以确保修复质量的可追溯性。

总体而言，该研究为立式容器内壁自动化堆焊修复提供了一种切实可行的控制方案，其技术路线清晰、试验验证充分，对同类工程的工艺开发具有直接的参考价值。