CAP1400核电站空气导流板用铝合金自动MIG焊设备的研发

2022-09-09刘伟，孟超

电焊机 2022年8期

刘伟，孟超

山东核电设备制造有限公司，山东海阳 265100

0 前言

空气导流板作为非能动安全壳冷却系统（PCS）的重要组成部分，是非能动反应堆站特有设备之一，为核安全3级（SC-3）、抗震Ⅰ类部件，其设计与制造标准为AA/ADM-2010（Aluminum Association's Aluminum）。空气导流板的主要材料为5454-H32铝合金，于国内首次制造和应用，产品接头形式主要为不熔透角焊缝，其焊接强度和精度对安全壳冷却系统的刚度和被动安全性能极为重要。三门核电、山东核电4个依托化核电机组的空气导流板均采用手工MIG焊，根据空气导流板产品生产经验来看，使用手工MIG焊，空气导流板的每条焊缝需要焊接4道，且焊后需打磨修补，才能满足技术条件的要求，平均每件空气导流板产品焊接时间约1.5 h，打磨修补约1.5 h，效率低下。另一方面，铝属于有色金属，焊接过程会产生大量有毒有害的悬浮颗粒，且铝合金焊接时极易产生气孔、裂纹等焊接缺陷，加之型材较薄，采用手工MIG焊极易出现焊接变形等问题。在空气导流板的焊接过程中引入自动焊技术，既能提高焊接质量和焊接效率，又能有效改善操作者焊接环境，降低职业病出现的风险，保证核电装备的顺利运行与长期服役，为国产核电关键部件储备新型技术，为后续铝合金相关结构的核电关键零部件的制备提供参考。

1 总体工艺分析

空气导流板包括A型板、B型板、C型板、导流装置和支撑结构等，A、B、C型板和导流装置材质为5454-H32铝合金（抗拉强度为277～279 MPa、屈服强度为209～215 MPa、延长率为11%～12%）［1］，支撑结构材质为碳钢。空气导流板产品焊缝过于复杂，单条焊缝一次成形困难且分布在三维空间，需要对分布在不同位置的焊缝进行焊接。相同型号的空气导流板产品即使在相同位置上，其焊缝位置也必然存在偏差，而焊缝偏差会造成焊接质量下降。单个CAP1400核电站机组中的空气导流板部件，长直焊缝多达2 128条，焊缝总长度约为5 500 m，其中A型板焊缝4条，B型板焊缝8条，C型板焊缝4条，单条长直焊缝长度为2 265 mm，接头方式为角接。面板厚3.5 mm，背板厚3.5 mm，底板厚6.5 mm，顶板厚6.5 mm，侧板厚6.5 mm，连接板厚16 mm；面板、背板与侧板之间的角度为90°，面板、背板与连接板的角度为69°、79.5°，焊缝高度3 mm，焊接位置为平角焊，单层单道焊接成形，接头形式如图1所示。焊前铝合金型材需要进行阳极氧化，焊后焊缝进行100%目视检测+100%液体渗透检测。

图1 板材之间的接头形式Fig.1 Joint form between plates

根据空气导流板产品5454-H32铝合金型材板厚薄、焊接易变形的结构特点，有针对性地制定自动焊接工艺，严格控制焊接变形及焊接缺陷［9］以保证空气导流板部件达到工艺要求。

（1）结合铝合金焊接易变形特点制定自动焊工艺。铝合金在焊接过程中极易发生变形。采取措施：①焊前设置合理的装配间隙及定位焊间距；②利用工装夹具对型材产生的支撑、顶紧、拉紧、下压作用来改善型材整体和局部的焊接变形趋势［2］；③配备一套视觉跟踪系统，在焊接过程中实现机器人焊接轨迹根据焊接变形进行自动校正。

（2）结合铝合金焊接易产生气孔特点制定自动焊工艺。空气导流板焊接技术条件要求所有焊缝进行100%目视检测+100%液体渗透检测，焊缝应与母材表面圆滑过渡，其表面不得有裂纹、气孔、未熔合等缺陷。但是在进行MIG焊时，由于弧柱温度高，熔滴细小、比表面积大，易于吸氢，且熔池深度大，不利于氢气逸出［3］。采取措施：①在热输入满足要求的前提下，选择合理的焊接参数；②控制焊接现场的空气湿度，焊前清理其边缘水分、油污和氧化膜；③选择一个高性能的电源，可实现在几乎无电流状态下的熔滴过渡，以缩短电弧热输入时间，大幅降低热输入量，且电弧稳定；④焊丝伸出长度、喷嘴与焊件间距离合适［10］；⑤具有焊接可达性好的特点，可使单条焊缝一次成形。

（3）结合手工焊接铝合金出现的问题制定自动焊工艺。手工焊接铝合金时会产生大量有毒有害悬浮颗粒［4］，为保证人员安全，在焊工焊接一个时间段之后必须进行人员更换，并且人工焊接过程中会出现停歇过程。另一方面，由于焊工技能水平原因和手工定位限制，会导致整体焊缝出现质量差异。参考上述状况，自动焊设备必须达到参数能够满足空气导流板焊接技术要求，实现单个子产品的所有焊缝可通过机器人编程及变位翻转焊接完成，确保焊接的高质量、高精度、高效率和高可靠性。

2 总体设计方案及工作原理

2.1 总体要求

该自动焊接设备可实现单个子产品的所有焊缝通过机器人编程及变位翻转一次性焊接完成。

2.2 工艺流程的实现性分析

工作流程为：翻转工装至合适位置，人工定位将工件安装在工装上，对工件正面焊缝进行船形焊位置调整，调整完毕弧焊机器人按示教寻位焊接路径→起弧焊接→依次焊接正面各条焊缝→工件正面焊接完毕；回转横梁带动机器人回转90°，此时翻转工装带动工件进行翻转，翻转完毕，回转横梁回归焊接位置进行工件反面焊接→弧焊机器人按示教寻位焊接路径→起弧焊接→依次焊接反面各条焊缝→工件背面焊接完毕，翻转工装至合适位置，人工吊装卸下工件，进行下一循环，以此类推。

2.3 设计的设备方案

（1）机器人焊接前，先将工件进行人工拼装点焊处理，并人工打磨点焊位置，在必要位置进行预焊，然后人工装夹到变位机工装上，自动焊接设备对其进行自动焊接。

（2）操作系统具备通用性好、可靠性高、编程简单等特点［5］，可控制焊枪在工件回转圆周上任意角度范围内进行焊接，焊接前能预先旋转至设定的始焊位置，然后按设定的焊缝角度范围焊接。

（3）设置气动夹具及扩展模块，以便工件自动定位和夹紧，适合多品种工件的焊接。

（4）设备本体床身采用分体式结构，拆装方便，方便调整中心高度，由型钢拼焊而成，焊后经过退火、喷丸处理，有效去除焊接内应力、防止变形。

（5）设备在焊接操作时一致性好，同一焊接参数，同一焊接品种，只需调校一次。

（6）设备整体布局合理，外形美观，各种管线无裸露在外，地面部分使用线槽，空中部分将相邻管线集中包裹捆扎。

2.4 自动焊接设备总体构成

全套自动焊设备示意如图2所示。自动化焊接设备包括C型倒挂1、焊接机器人（FNAUC M-20iD/12L）12、四驱式头尾架焊接变位机2/3、焊接工装4、焊缝跟踪激光相机（FUJI-CAM）6、自动化焊接电源（Fronius TPS 500i）9、自动化焊枪11、自动清枪剪丝装置5、PLC控制柜7、安全防护10等。机器人配合单轴C型倒挂和单轴头尾式变位机，可有效保证焊达率和焊接姿态。采用人工装卸工件，工装定位压紧，利用外围设备和六轴机器人自身的姿态变换完成工件的焊接工作。

图2 自动焊设备示意Fig.2 Schematic diagram of automatic welding equipment

机器人选用FANUC公司生产的FANUC M-20iD/12L，该机器人采用电缆内置式结构，增大了旋转轴的中空手腕直径，强化了手臂刚性，通过高速、高精度的动作提高生产效率，适合各种弧焊应用。

减少电弧热输入热量的时间，大幅降低热输入量，控制其焊接热变形及减少气孔的产生。焊机使用奥地利福尼斯公司Fronius TPS 500i焊机，设备使用简便，功能多样化。采用其PMC程序工艺数据包，能对薄铝板进行完美对接焊接，成形好，且变形小，速度快；可控制熔滴大小向工件熔池的过渡，达到最佳的低飞溅效果。

焊缝跟踪系统采用FUJI-CAM激光跟踪系统，该系统是一款非接触式激光视觉系统，采用成熟可靠的光学和传感控制技术，可以帮助机器人快速、精准地对定位焊缝，在工件装配有误差时确保焊枪位置准确，实现完美焊接。FUJI-CAM具有自适应焊接模块，可以自动调整焊接参数，应对接头几何尺寸变化，优化焊缝尺寸，从而消除焊接缺陷和减少过量焊接。

2.5 机械系统组成与结构

2.5.1 工装夹具及变位机方案

头尾架固定式单回转焊接变位机采用优质型材焊接而成，经过退火处理，保证其长期运行精度。主动机构可实现升降运动和旋转运动，均采用伺服电机同步双驱，可自由编程，任意位置可停，有效保证运动精度。

可升降头尾式变位机用于调整工件的焊接姿态，使焊缝尽量处于最佳焊接位置。变位机升降通过伺服电机、减速机和丝杠连接，直线导轨和滑块导向，具有滑动阻力小、升降平稳、寿命长等特点；变位机旋转通过伺服电机、减速机与齿轮连接，齿轮和回转支承啮合，驱动变位机转盘旋转，具有旋转平稳、承载能力强等特点，可与机器人系统联合进行轨迹插补。通过多点定位、压紧，可以保证工件放置位置的准确，使用气缸压紧，有效降低工人劳动强度，提高工作效率。

2.5.2 焊枪的可达性方案

自动焊设备变位机采用多轴联动多电机同步驱动结构，完成工件空间位置确定。焊枪可达性部分包括C型倒挂和机械人手臂，采用焊接机器人倒挂的形式，避免了因机械臂长度有限而造成的缺陷，C型倒挂和机器人手臂相互配合，完成焊枪姿态和空间位置调整［11］。通过各轴联动和焊缝跟踪激光相机的配合，确定工件位置和完成自动焊接。

2.5.3 远距离送丝方案

焊接机器人远距离送丝有诸多难点，如送丝距离太长，会造成延迟送丝，送丝不同步的现象，也会导致焊丝容易在各接头处出现顶死的现象导致无法送丝。为应对这些难点，采用推拉丝结合的方式，机器人前端部置一拉丝电机，与送丝机协同送丝，解决延迟送丝的现象。针对焊丝在接头处容易出现卡丝的现象，对各个接头处的所在机构内部增设了送丝软管，并且在各送丝软管前后部增设夹持器，防止送丝软管由于焊丝送进产生的顶动使送丝软管异位，避免卡丝，有效降低了送丝不畅的问题。

2.6 长焊缝结构的三维复杂焊缝跟踪系统

焊缝跟踪采用激光跟踪，利用机器人在行进过程中，非接触式激光视觉系统的传感器视场范围来帮助机器人快速、精准地定位焊缝。激光视觉系统工作原理如图3所示，左边为焊枪摆动过程中视觉系统反馈示意，t0时刻焊枪从摆动中心位置向右摆动，t1时刻到达最右端，然后向左摆动，t2时刻到达中心位置，t3时刻到达最左端后再次向右摆动，到达t4时刻再次到达摆动中心时完成一个周期的摆动。从视觉反馈信息图中可明显判断出焊枪此时与焊缝的相对位置，对这个波动进行分析就能得到焊枪摆动中心与焊缝中心的位置关系，控制焊枪位置从而实现焊缝跟踪，帮助机器人快速、精准地对焊缝进行定位，在工件装配有误差时确保焊枪位置准确，可以自动调整焊接参数，应对接头几何尺寸变化，优化焊缝尺寸，消除焊接缺陷和减少过量焊接。

图3 激光视觉系统工作原理示意Fig.3 Working principle of laser vision system

考虑到铝合金MIG焊过程中会产生大量烟尘，长时间焊接会使烟尘粘附在激光扫描探头的滤光片上，最终导致激光扫描精度下降，影响焊缝跟踪效果。因此，本设备的焊缝跟踪系统附有自清洁结构，在行进焊接的同时，采用压缩气体吹拂的方式对激光扫描探头进行清洁，吹掉粘附的烟尘，使得焊缝跟踪系统正常运行。

2.7 控制系统组成与结构

2.7.1 控制系统主体方案

控制系统是基于工业计算机的多轴数控系统，采用现场总线控制方式实现多轴电机联动控制任务。使用焊缝跟踪激光相机完成工件表面焊缝的寻位，可实时对摆动焊接中的电流电压信号采样，对因下料时坡口不规则及焊接过程中产生的变形进行分析得出数据修改机器人路径，能够自行适应焊接过程中的工件变形，在工件装配有误差时确保焊枪位置准确。

采用具有触摸功能的工业液晶屏，实现人机交互。通过限位开关，保证机构运动的安全。遥控手操器可实现在焊接工件附近手动调整机构，实现焊接过程中速度的调整和焊枪位置的微调，人机交互系统可对焊接现场的实际情况做出快速响应，方便操作者使用［6］。

2.7.2 焊接机器人多轴联动控制

焊接机器人为FANUC M-20iD/12L六轴机器人，为了实现空气导流板产品的最佳焊接效果，对焊缝进行船型焊接。根据空气导流板尺寸，需将机器人与C型倒挂装置联动，并通过变位机进行协同变位，建立多轴运动及机器人协调控制。焊接机器人多轴运动和焊缝跟踪控制系统如图4所示。

图4 机器人系统多轴联动与焊缝跟踪控制系统示意Fig.4 Multi axis linkage and weld tracking control system of robot system

2.8 焊接路径优化

在空气导流板半封闭焊接环境下，针对不同位置焊缝和不同长度焊缝，进行焊接机器人路径规划、焊枪位置控制技术、机器人通信协调运动控制技术的研发和集成。建立机身焊缝及其特性的数字模型，确定焊接顺序等约束条件。对每条焊缝以三维坐标的起点和终点、焊缝大小形状等特性进行标识，确定焊接顺序和机身干涉等约束条件，进行路径优化，最大限度地提高焊接效率和焊接质量，减少变形。

3 焊接工艺的研发

3.1 MIG自动焊焊接工艺

在自动焊工艺评定过程中，采用与正式产品相同的母材和焊材。母材为3.2 mm和6.5 mm厚的5454-H32铝合金板，焊接材料为ER5356 φ1.2 mm［7］；角接接头不开坡口，要求焊脚高度达到3 mm。母材和焊材的化学成分分别如表1、表2所示。

表1 5454-H32铝合金化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of base metal and 5454-H32 aluminum alloy（wt.%）

表2 ER5356焊丝化学成分（质量分数，%）Table 2 Chemical composition of ER5356 welding wire（wt.%）

焊前使用火焰喷枪喷烤母材以去除板材水分，整个焊接过程中采用不摆动单焊缝一次成形，焊接参数为：焊接电流169 A，焊接电压22 V，焊接速度70 cm/min，保护气体为99.999%Ar，气体流量为15 L/min，焊枪角度30°～70°，预热温度20 ℃［8］。

3.2 试验与结果

对焊接工艺评定试件进行目视及液体渗透检测，焊缝外观检测合格，焊缝与母材表面圆滑过渡，其表面无裂纹、未熔合、气孔、焊瘤、夹渣及过烧等缺陷，焊缝成形美观，如图5所示，渗透检测结果符合AWS D1.2中的5.17小节的要求。依据AWS D1.2/D1.2M-2014及相关技术规格书，对试件进行了宏观金相和断裂试验。试样取样位置如图6所示，试验结果如图7、图8所示。