核電壓力容器J型坡口自動焊接

李漢宏

(唐山開元機器人系統(tǒng)有限公司，河北 唐山 063020)

核電壓力容器J型坡口自動焊接

李漢宏

(唐山開元機器人系統(tǒng)有限公司，河北 唐山 063020)

核反應(yīng)堆壓力容器進出口接管與主管道相連接部位的坡口形式為J形，且與球面相交，進出口接管間距小，要求焊后變形小，焊接難度較大。針對以上問題，開發(fā)了J型坡口自動焊接機，通過精巧結(jié)構(gòu)的設(shè)計解決空間狹小的問題；通過多軸控制系統(tǒng)解決了復(fù)雜行走軌跡的生成、修正和簡單化操作問題；通過合理的焊接方法和夾具的水冷結(jié)構(gòu)，解決了焊接變形問題；通過雙層保護氣體的設(shè)計，解決了焊縫保護的問題。經(jīng)實際焊接確認(rèn)，該設(shè)備滿足實際生產(chǎn)需要，填補了國內(nèi)此類設(shè)備的空白。

J型坡口；多軸控制系統(tǒng)；焊接變形控制

0 前言

隨著新型能源戰(zhàn)略的推進，中國計劃在2020年前建造30個核反應(yīng)堆，將核電站的總裝機容量提高到4 000萬kW。核電工業(yè)的高速發(fā)展帶動了相關(guān)制造業(yè)的發(fā)展，同時也對這些行業(yè)提出了新的要求，特別是焊接設(shè)備制造行業(yè)，需要開發(fā)一大批特種焊接設(shè)備，來滿足特殊材料、特殊坡口形式、特殊位置的工件焊接。

核反應(yīng)堆壓力容器是核電的核心設(shè)備，其內(nèi)部填裝有放射性材料U235，在核裂變中發(fā)出大量熱量，容器在工作過程中承受高溫、高壓和中子輻照，工作條件惡劣。容器進出口接管與主管道相連接部位，關(guān)系到整個核反應(yīng)堆壓力容器的安全，焊接坡口為J型，焊接質(zhì)量要求高，而且要求焊后變形小，焊接難度較大。J型坡口焊機需要解決的問題：(1)焊槍空間運行軌跡的自動生成及調(diào)整；(2)狹小空間的機頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和工件干涉避讓；(3)工件變形的控制；(4)Inconel 690鎳基合金鋼等工件材料的焊接和氣體保護。結(jié)合用戶的需求及多年來的實踐經(jīng)驗，唐山開元機器人系統(tǒng)有限公司與日本日立公司共同開發(fā)了核電壓力容器J型坡口自動焊接機。

1 設(shè)備工作對象

核電壓力容器J型坡口自動焊接機主要應(yīng)用于600 MW級、1 000 MW級和第三代核電站核島主設(shè)備壓力容器頂蓋上CRDM管座與封頭J型接頭的鎳基合金焊接。

1.1 工件材料

工件材料：低合金鋼、不銹鋼和Inconel 690鎳基合金鋼等；焊絲材質(zhì)：ERNiCrFe-7或ERNiCrFe-7A；工件示意如圖1、圖2所示。

反應(yīng)堆壓力容器CRDM管座與封頭結(jié)構(gòu)示意

圖2 CRDM管座與封頭J型接頭焊接示意

1.2 工件參數(shù)

適用管座外徑φ 50～φ 120 mm；坡口深度10～ 48 mm；坡口下部寬度10～25 mm；CRDM管座軸線與封頭間最小角度46°；管座內(nèi)孔最小直徑φ 60mm；管座露出封頭內(nèi)壁高度70～363 mm；管座之間間距最小距離140 mm。

2 焊接裝置結(jié)構(gòu)

此設(shè)備由1臺控制系統(tǒng)、1臺遙控器、1臺TIG焊接電源、1臺焊接機頭、1臺冷卻水循環(huán)裝置和1套電纜·軟管類組成。

2.1 設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 焊接裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 焊接控制系統(tǒng)

2.2.1 控制系統(tǒng)基本功能

控制系統(tǒng)基本功能如表1所示。

2.2.2 控制系統(tǒng)專用功能

(1)六軸控制系統(tǒng)。

表1 控制系統(tǒng)基本功能

焊接3次元形狀的坡口時，不僅需要調(diào)整焊槍的上下、左右(直徑方向)位置，為避免與工件的干涉還需要調(diào)整焊槍的角度。

機頭具有如圖4所示的動作功能，在焊接時實現(xiàn)理想的焊槍姿勢，另外，焊接設(shè)備還具有對應(yīng)焊槍傾斜的AVC調(diào)整滑座，在焊槍傾斜時也可以穩(wěn)定弧長，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。

圖4 機頭動作功能

(2)焊槍軌跡實現(xiàn)功能。

工件由于在半球形的端板上安裝，不同的焊接位置需要不同的焊槍軌跡和動作?？刂葡到y(tǒng)由3個階段輸入焊槍軌跡及動作，可以使操作更加簡化。

a.自動生成焊槍軌跡。

將直角方向傾斜角、焊接直徑、前進方向傾斜角等參數(shù)輸入控制系統(tǒng)，就能自動算出基本的3次元軌跡。同時自動算出焊槍跟封頭不干涉的角度。如圖5所示。

圖5 自動生成焊槍軌跡

b.焊槍軌跡的修正。

受坡口加工時產(chǎn)出的誤差和焊接時變形的影響，計算軌跡與實際需要的軌跡是不同的，所以必須修正在a項中生成的焊槍軌跡(即示教)。示教時，機頭會每次停止在設(shè)定的角度，在該位置需要修正就調(diào)整焊槍位置，并確認(rèn)輸入到控制系統(tǒng)。在一周范圍內(nèi)進行示教確認(rèn)后，即可得到實際需要的焊接軌跡，實施焊接。焊槍軌跡的修正如圖6所示。

c.焊槍軌跡平移挪動功能。

此設(shè)備為減少焊接軌跡的修正工作，設(shè)有焊槍軌跡挪動功能。其示意如圖7所示。此功能是：輸入示教后的焊接軌跡開始位置的移動量(直徑方向位置，上下位置）就可以改變整個軌跡的直徑和上下位置(不改變軌跡形狀)，提高工作效率。對挪動后的焊接軌跡也可以用示教功能修正。

圖6 焊槍軌跡的修正

3 焊接氣體保護及焊接方式

(1)Inconel 690鎳基合金鋼等材料焊接時，焊縫極易氧化，焊接裝置的氣體保護尤為重要。為此，焊接機頭的焊槍部位設(shè)置了兩層保護，第一層在TIG焊槍內(nèi)部由噴嘴處噴出，第二層設(shè)置在焊槍外部的二次密封罩處，焊接時雙層氣體保護，使焊縫處于嚴(yán)密的氣體保護中，且不會出現(xiàn)紊流。

(2)為形成均等的焊縫，控制焊接變形，采用半周雙側(cè)上坡焊的焊接方式。這種方式能夠保障雙側(cè)焊縫的熱輸入一致，加之定位夾具對工件的循環(huán)水冷卻作用，使焊接變形得到有效控制。半周焊接和1方向焊接的比較如圖8所示。

圖7 輸入焊接開始位置的移動量就可以補正軌跡直徑、高度

4 工作過程

(1)將焊接裝置吊放到工件直管上，以氣動夾緊機構(gòu)(水冷結(jié)構(gòu))進行定位。

(2)將工件外形尺寸參數(shù)和相對位置參數(shù)預(yù)置到控制系統(tǒng)中，生成焊接軌跡和焊槍動作。

(3)操作焊接裝置的焊接機頭到第一道焊縫的起始位置，焊接開始前對焊接軌跡進行示教確認(rèn)。

(4)自動焊接第一道焊縫，焊接一周結(jié)束(在程序上設(shè)定原點起焊、搭接收弧邏輯順序功能，焊接同時工件管座內(nèi)充水冷卻)。

(5)示教確認(rèn)第二道焊縫，重復(fù)以上動作，焊接全部焊縫。

(6)焊接結(jié)束，松開夾緊機構(gòu)，將焊接裝置吊離工件。

設(shè)備焊接動作示意如圖9所示。

圖8 半周焊接和1方向焊接的比較

圖9 設(shè)備焊接動作示意

5 實際效果

經(jīng)過精心設(shè)計和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮附釉囼?，該設(shè)備達到了預(yù)期效果，解決了所面臨的實際問題，工件焊接變形得到控制，該焊接設(shè)備所焊接的焊縫滿足核電無損探傷及理化性能要求(標(biāo)準(zhǔn)見ASMEⅢ，ARTICLE NB)，完全適用于實際的焊接生產(chǎn)。

Research on automatic welding of J type grovve for nuclear reactor pressure vessel

LI Han-hong
(Tangshan Kaiyuan Robot System Co.，Ltd.，Tangshan 063020，China)

The groove type for the joint of inlet／outlet pipe and main pipe of nuclear reactor pressure vessel is J type，which intersect the spherical surface.And the space between inputlet and outlet is small，welding distortion is small required，so welding become more difficult.Aim at the question，J type groove welding machine was designed with ingenions structure to overcome the small space between inlet and outlet，and which build，modify，operate complex traveling track by multi-axle comtrol system.To solve the welding distortion with suitable welding methods and the jig structure of water cooling unit，and solve the welding seam's protection with double shielded gases.The experiment shows that the machine meets the manufacturing，fills up the blank of the country.

J type groove；multi-axle control system；welding distortion control

TG441

B

1001-2303(2010)02-0084-04

2010-01-11

李漢宏(1969—)，男，天津人，工程師，學(xué)士，主要從事技術(shù)引入、消化、合作和開發(fā)的技術(shù)管理工作。