一种超长管件全位置周圈密封激光焊接设备研制

2022-03-18李志军刘素志皮友东赵月东

科技视界 2022年5期

李志军邓鹏刘素志皮友东赵月东

（1.中核控制系统工程有限公司，北京 102401；2.高斯光格（北京）技术有限公司，北京 100176）

0 引言

随着我国经济的蓬勃发展，电力能源的需求正不断增大。进入21世纪后，人类对于清洁、高效的能源产生了极大的需求。核电，作为低碳环保的清洁能源之一，理应大力开拓其发展。而在核动力发电设备中，探测器是核电站测量系统中的一个重要组成部分，探测器的运行性能直接影响着核动力发电设备能否稳定运行[1，2]。对于探测器而言，细长的不锈钢管件的焊接是需求之一，而且这类细长管件还需要对接、插接延长，接头处的密封性能对设备和核电环境的安全尤为重要，这就对焊接工艺和专用装备提出了挑战。

目前，核电设备管件的自动化焊接研究中，对于中小管径的研究相对较少。而实际生产中，中小管径的管道数量约占工程总体的60%~85%[3]。且由于核电设备管件焊接的特殊性，焊接方法仍较多地采用钨极氩弧焊。蒋永[4]等人采用钨极氩弧焊和焊条电弧焊工艺，对某压水堆核电厂复合钢主管道进行对接试验，获得了满足标准要求的焊缝。激光焊接在国内的应用逐年增多，因其效率高、变形小、密封性能优异、自动化程度高的特点，在各种常规和非常规管件的焊接中有很大的发展空间和应用潜力。

针对超长管件的特殊性，研制了一种可以用于超长管件的激光环焊设备。设计了一种可重构式集成激光焊接系统，通过快速装卸不同运动轴，实现两类、三种焊接方式：焊件卷式旋转运动、焊件直线旋转运动和焊接头周圈旋转运动，可以全方位满足超长管件的周圈密封激光环焊需求。

1 激光环焊技术需求

针对300系列不锈钢金属管之间进行对接焊或搭接焊，要求单一设备适应焊件直径7~48 mm，焊接熔深1~4 mm可控，当焊接管径48 mm的焊件时，熔深应能达到4 mm；焊缝宽度不大于2 mm。可实现外壳环焊接中垂直于轴向的焊接。焊接件可旋转。焊件重量从几十克到几十千克不等。焊件有可能是柔性材料，尾部可以盘成直径不大于1.5 m的圆盘。根据工件长度、刚度的不同，需要能够实现工件旋转和工件不同激光头旋转两种焊接模式。激光头周圈旋转角度不小于至少一周。系统要求配备视觉系统辅助定位系统，焊接过程同步视频监控系统，以及设备的远程控制和故障诊断功能。

2 总体设计方案

该设备可满足超长管件的激光焊接功能。总体包括两大类焊接方案，三种不同的激光焊接方式：

（1）焊件运动：探测器组件带圆盘卷式旋转焊接，该种方式下，工件圆管先盘成一盘，再挂在B轴所属的挂架上，旋转轴B轴带动整个圆盘转动来实现工件的焊接，如图1（a）所示；（2）焊件运动：探测器组件不带圆盘长程直线旋转焊接，该种方式下，圆管展平放置在型材支架上，旋转轴B轴带动整根圆管旋转进行焊接，如图1（b）所示；（3）焊件静止：焊接头旋转至少一周焊接，该种方式下，工件保持不动，旋转轴C轴通过带动激光焊接头围绕工件转动从而实现对工件的焊接，如图1（c）所示。三种焊接方式中的工件分别称为工件Ⅰ、工件Ⅱ、工件Ⅲ（以下abc图中要表示工件123）。以下重点介绍工件静止固定，激光头旋转的技术实现方案。

图1 多功能通用集成激光环焊系统方案示意图

3 全位置周圈激光环焊系统设计

3.1 全位置焊接机构设计

图1（c）中所示的C轴用于焊接工件Ⅲ。焊接时，工件Ⅲ保持静止，C轴（大旋转台）带着焊接头绕工件旋转进行焊接。C轴总成主要包含动力装置、X轴部件、焊接头、Z轴部件、旋转平台、可升降式夹具、运动辅助机构、工程拖链组件。动力装置由伺服系统和蜗杆式高精度减速机组成，通过电机的正反转实现整个大旋转台转动。X轴部件由伺服系统和直线运动模组组成，主要用于调整激光焊接头在X轴方向的位置，从而调整焊接头的工作距离。

Z轴部件：Z轴部件由伺服系统和直线运动模组组成，主要用于调节焊接头在Z轴方向的位置，从而调整激光作用在焊缝上的Z轴方向位置。

旋转平台：旋转平台为一安装固定平台，主要用于安装承载Z轴部件、可升降式夹具、B轴部件等。运动辅助机构：该机构主要用于对C轴（大旋转台）的位置进行判断、约束，从而确保C轴运动的准确性、安全性。

工程拖链组件：该结构为辅助激光头旋转的工程拖链组件，包括拖链和拖链导向机构。该方案既能保证有效的弯曲半径，实现对光纤及线缆的保护，又能最大限度地提高拖链的使用寿命。因为C轴带着工程拖链（包括光纤、电缆、气管、水管等）做圆周旋转运动，所以拖链不能沿一个方向无限圆周运动。在焊接工件时，正确的工作方式是：（1）装工件；（2）正方向旋转至少一周进行焊接；（3）焊接结束后，C轴会自动反方向旋转至少一周；（4）拆工件，然后再重复以上四个动作。

可升降式夹具：该夹具主要由三部分组成：（1）Z轴方向升降模组，主要用于调节Z方向上的装夹位置，以满足工件装夹位置的不确定性，最终保证装夹后的稳定性、精确性；（2）夹紧调节模组，主要用于夹紧工件1，其优点是行程冗余，可根据工件1的尺寸进行灵活调节；（3）夹爪，夹爪由一动一静两部分组成，静夹爪位置是固定的，不随“夹紧调节模组”的调节而运动。动夹爪固定在“夹紧调节模组”的滑块上，可随调节而张开或闭合。动、静夹爪上都设计有轴承，用于与工件进行夹紧贴合，又能保证夹爪在相对运动时不对工件造成损伤。其中静夹爪上装有4个轴承，分别位于上下左右两侧。动夹爪上装有两个轴承，一上一下各一个。

感应开关用途：共计6个感应开关，其中S1~S4用于确认C轴（大旋转台）所在位置区间。S5为限位开关，用于限定C轴行程。S6为原点开关，用于确认C轴的绝对零点（运动的相对初始位置）。

挡块&拨块：挡块有两个作用：第一，通过拨块的触碰，发生状态改变，从而触发相应的感应开关；第二，起到硬限位的作用，限制C轴的运动。拨块相应也有两个作用：第一，触碰挡块，改变感应开关状态；第二，跟挡块配合，起到硬限位的作用。

3.2 焊接头

焊接头使用的是90°L形带视觉焊接头。L形结构可有效降低光纤的弯曲，对光纤起到保护作用。焊接头自带的视觉主要有两个作用：辅助寻找焊缝位置，对焊缝进行精确的寻位；实时显示焊接过程，对整个焊接过程起到监控作用，从而对焊接质量进行整体的管控。

焊接头的视觉校正通过视觉显示器完成。具体操作步骤：（1）先将焊接头移动至相应的加工位置；（2）调节视觉照明灯的位置，以使显示器中显示的工件清晰；（3）通过LaserWokrs操作，在工件上用激光点射一个点；（4）点击相机或软件上的移动按钮，让屏幕上的十字线的中心与激光点射的点的中心重合。至此，焊接头视觉校正完毕。