核电用方钢支架双丝焊接工艺研究

2022-07-12徐伟刘金平冯英超吴晔华吴闯

金属加工(热加工) 2022年7期

关键词：变位焊丝核电

徐伟，刘金平，冯英超，吴晔华，吴闯

中国核工业二三建设有限公司北京 101300

1 序言

目前，在核电工程项目上对方钢支架的需求量极大，由于方钢支架焊缝数量较多，且方钢支架的主要焊接方法为手工气体保护焊，所以传统的手工气体保护焊及单丝气体保护自动焊的焊接效率已无法满足现场焊接进度要求。

2 核电用方钢支架

核电中常见的方钢支架（见图1）母材材质为Q235B碳素钢，方钢支架预制多为方钢与盖板、方钢与预埋板、方钢与锚固版+角板的焊接。方钢支架因具有焊缝数量大、焊缝形式较为单一的特点，所以适宜利用自动焊进行焊接。因此，提出采用双丝熔化极气体保护自动焊接工艺进行焊接的方案，以提高焊缝质量和焊接速度。

图1 核电用方钢支架

3 双丝焊接

双丝焊接是在单丝气体保护自动焊的基础上加以改进[1]，采用双电源或单电源将两根焊丝同步送进的一种焊接方法，常见的双丝焊接方式分为异熔池双丝熔化极气体保护电弧焊及共熔池双丝熔化极气体保护电弧焊[2，3]。

在共熔池双丝熔化极气体保护电弧焊中，由于两根焊丝的电弧在同一个熔池内燃烧，提高了总体的焊接电流，所以避免了热量分布集中的缺点，可以向熔池及其两侧提供充足的热量和铁液。双丝电弧之间存在的相互热作用，降低了焊丝的电能输入，增加了电弧的挺度。在进行高速焊接时，可以有效地避免咬边和驼峰焊道等缺陷，大大提高焊接速度和生产效率，同时可得到优质美观的焊缝和优良的焊接质量[2，3]。

4 焊接设备

试验选用双丝单电源设备，该设备由六轴焊接机器人、双丝焊接电源、控制柜、变位机、双丝焊枪及双丝送丝系统等部件构成（见图2）。通过各部件的协同配合，完成双丝的焊接工作。其焊接控制系统的参数化编程可根据支架尺寸进行焊接路径规划，满足不同焊接位置及焊接顺序需求。

图2 方钢支架焊接工作站

针对核电用方钢支架焊接过程，需要焊接机器人配合变位机来实现不同焊接位置焊缝焊接的特点，根据不同的支架规格进行焊接路径规划，可满足不同焊接位置及焊接顺序需求。在整个焊接过程中，将组对好的工件放到预制工装上，人工进行简单地示教，将关键点位置确定后即可开始焊接。焊接过程中不需要人工调整，针对相同型号的工件，工件替换后无需重新找点示教，只需焊前微调即可进行下一个工件的焊接，较现有手工焊效率提升2～3倍。

（1）焊接机器人试验采用发那科M-10iA/7L型号机器人。该机器人为6轴增强型工业机器人（即关节型手臂机器人），采用的新型交流伺服电动机具有结构紧凑、高输出、响应快、高可靠性等特点。机器人的手臂具有细长而紧凑的设计，各个轴的动态性能高，保证了优良的焊接精度、速度和可重复性。

（2）焊接电源试验采用林肯S700型号波形控制技术、全数字焊接电源。该套焊接电源适用于半自动、自动化或机器人环境，也可用于双弧双丝同步高熔敷率焊接，可使焊接材料与母材充分熔合，达到理想的双丝焊接效果。

（3）变位机试验采用单轴伺服变位机，通过翻转式变位平台，可将工装平台在0°～360°内翻转，实现方钢支架各区域焊缝的良好焊接。

（4）双丝焊枪试验采用专用林肯双丝焊枪，内置导丝管、循环冷却水管与气管，能够有效地避免双丝焊接时因电流过大而引起的焊枪损坏，保证了焊接质量。

（5）送丝系统试验采用的送丝系统为林肯焊接设备配套送丝系统。该套送丝系统是功能强大、结构紧凑的4轮送丝驱动机构，用于机器人焊接和刚性自动化焊接中，可输送较大直径焊丝，拉动焊丝通过较长的导管使两根焊丝同步送进，保证焊接质量。

（6）参数化编程系统针对方钢支架结构特点，设计离线编程系统，使机械臂能够按照设定程序进行焊缝位置确定，同时实现与控制系统的通信。使用参数化编程方式，将智能焊接系统与焊接参数采集、监控等多种采集终端进行集成应用，实现焊接质量全程可追溯。

参数化编程系统可通过机器人运动控制算法，采用一定的方法策略，检测焊缝坡口，创建坡口模型。同时，可根据坡口模型，实现离线编程方式生成自动焊焊道轨迹，同时在多层多道焊接过程中将焊枪姿态信息叠加在每一道焊道中。

5 焊接工艺

（1）焊接注意事项焊前需打磨，清理焊缝表面氧化皮等。要求试件内外侧表面≥25mm范围内无油、漆、垢及毛刺等，且不得有任何影响焊接质量的缺陷存在。

（2）现有焊接工艺目前，在核电项目现有方钢支架焊接作业中，常采用手工气体保护焊及单丝气体保护自动焊方式。由于方钢支架结构的特殊性，在焊接方钢支架底座时，需要采用多层多道的焊接方法，才能达到工件验收要求，所以存在焊接效率低、焊接周期长等缺点。

现有焊接工艺的施工流程如下。

1）材料准备。

2）待焊件表面清理。

3）工件组对、点固。

4）工件多层焊接。

5）支架焊后打磨。

6）支架无损检测。

（3）双丝焊接工艺双丝焊接工艺是在焊接电源与机器人、变位机等设备及部件通信的基础上，在机器人与变位机的协同配合、双丝送丝系统的焊丝送进及焊接电源的参数配给等条件下完成的焊接操作。

采用双丝工艺进行焊接试验时，一般包括以下步骤。

1）将试件坡口及坡口外平面20mm内打磨光亮，无锈迹、油污等杂物。

2）将试件组对点固，并放置于变位机翻转平台上，利用气动夹持装置固定。

3）开启焊接电源、机器人等焊接设备，进行参数化编程的模拟运行。

4）手工录入开发完成合格的焊接参数。

5）焊前检查，确定设备各部件是否连接妥当、保护气体类型及比例，选用的保护气体为Ar（75%～90%）+CO2（10%～25%）混合气体。

6）程序运行，开始焊接。

7）焊后打磨，清理焊缝表面氧化皮等杂质。

8）试件无损检测（PT）。

9）试件理化检测（宏观金相）。

6 试验数据

试验时，首先利用双丝熔化极气体保护自动焊设备进行平板堆焊试验，分别以200A、300A的焊接电流进行焊接，观察焊缝成形及熔滴过渡形式，如图3～图6所示。由图3～图6可知，双丝自动焊焊缝成形均匀、良好，飞溅小。

图3 焊接电流为200A时的焊缝成形

图6 焊接电流为300A时的熔滴过渡

其次，采用双丝熔化极气体保护自动焊设备，针对仪表支架材料和规格，进行角焊缝焊接工艺试验及工艺开发。试验时观察到，试件焊接过程飞溅小，焊后焊缝成形美观。对焊后试件根据核电现场所使用检测验收标准进行无损及理化试验检测，检测结果均为合格，确认得到合格的焊接参数。说明该套自动焊接设备适用于核电现场方钢支架焊接。

图4 焊接电流为300A时的焊缝成形