燃料棒壓力電阻焊機(jī)控制系統(tǒng)的研制

王來革

（中核建中核燃料元件有限公司維修安裝部，四川 宜賓 644000）

1 概述

壓力電阻焊是以電阻熱為能源的一種焊接方法，是焊接科學(xué)技術(shù)的重要組成之一，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、造船、海洋開發(fā)、航空、航天、原子能、電子技術(shù)、汽車制造等工業(yè)部門。我國在壓水堆核燃料棒的生產(chǎn)中，主要采用高真空電子束焊和氦弧焊，但在新引進(jìn)的VVER燃料元件的生產(chǎn)中開始使用壓力電阻焊。

2 燃料棒壓力電阻焊接工藝分析

2.1 燃料棒壓力電阻焊接原理

燃料棒壓力電阻焊是利用適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力使包殼管端面與端塞配合面接觸，以清除材料表面的氧化膜，通過電極給工件施加焊接電流，利用電流流經(jīng)包殼管與端塞的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱使焊接面的金屬被加熱至高溫塑性狀態(tài)，然后迅速施加二次壓力，靠頂鍛來完成焊接的方法。

2.2 燃料棒壓力電阻焊接工藝

燃料棒壓力電阻焊機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，

圖1

焊接工藝流程為：手動或利用自動上端塞機(jī)構(gòu)將端塞送入端塞夾頭中進(jìn)行夾持→包殼管置于上料架→壓輪壓下進(jìn)料→焊室密封滑塊向右運(yùn)動密封焊室→焊接夾頭夾緊包殼管→輔助夾持夾緊包殼管→管密封→抽焊室真空→充氦氣→施加預(yù)壓力→預(yù)壓力保持1500ms～2000ms→施加焊接壓力進(jìn)行頂鍛→放電（加熱）→焊接壓力保持2000ms～2500ms→松開端塞夾頭→卸除壓力→釋放焊室內(nèi)氣體→松開焊接夾頭→松開輔助夾持→松開管密封→退料。

3 燃料棒壓力電阻焊機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋯管壓力電阻焊機(jī)的設(shè)計(jì)需符合下列相關(guān)電氣技術(shù)要求：所有測量儀表應(yīng)實(shí)現(xiàn)軟件化；焊接參數(shù)需由計(jì)算機(jī)設(shè)定、顯示、儲存和生成報(bào)表；焊機(jī)系統(tǒng)需采用計(jì)算機(jī)控制，控制模式包括手動、調(diào)整（測位功能）與自動（單支、連續(xù)）方式；

焊機(jī)控制系統(tǒng)要求可靠、穩(wěn)定，且具有必要的聯(lián)鎖保護(hù)功能；控制系統(tǒng)應(yīng)具備基本的故障診斷功能，即有輸入輸出狀態(tài)表和電源及氣源氣壓異常、參數(shù)超限等報(bào)警功能，且報(bào)警指示燈亮?xí)r，設(shè)備應(yīng)立即停止，并保持原狀；焊機(jī)設(shè)備應(yīng)具備急停控制功能，以處理突發(fā)故障；同時(shí)，應(yīng)具有暫停功能；焊機(jī)系統(tǒng)的控制界面要美觀友好，且操作簡單。

焊機(jī)系統(tǒng)要能完成焊接工藝參數(shù)及部分參數(shù)限值的設(shè)定，并可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的采集及修正，具體要求如表1所示。在進(jìn)行壓力電阻焊接時(shí)，工藝參數(shù)需由計(jì)算機(jī)設(shè)定和顯示；限值設(shè)定是用以控制焊接過程中工藝參數(shù)，檢測參數(shù)是否符合工藝要求；采集是用以工藝參數(shù)的反饋，并由計(jì)算機(jī)儲存。

表1

4 燃料棒壓力電阻焊機(jī)的控制系統(tǒng)

4.1 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器的核心思想是借助計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，實(shí)現(xiàn)硬件技術(shù)的軟件化和虛擬化，降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性。軟件在虛擬儀器系統(tǒng)中具有極其重要的作用，從底層到頂層，虛擬儀器的軟件系統(tǒng)框架包括VISA庫、設(shè)備驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件三個(gè)部分，其軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2

VISA庫即標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及相關(guān)規(guī)范的總稱，駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中，用以連接計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對儀器的控制。設(shè)備驅(qū)動程序是用以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的控制，可在應(yīng)用程序中調(diào)用。應(yīng)用軟件位于設(shè)備驅(qū)動程序之上，為開發(fā)人員提供了多種功能函數(shù)庫，用以拓展儀器的功能，同時(shí)為用戶提供了友好的操作界面。

LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域中最具普適性的圖形化編程開發(fā)工具，是當(dāng)前國際上應(yīng)用最廣效果最佳的數(shù)據(jù)采集與控制開發(fā)軟件之一，主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析與顯示等領(lǐng)域，適用于多種不同的操作系統(tǒng)。與以往的高級語言相比，LabVIEW圖形化語言編程針對的是非專業(yè)程序編制的普通工程設(shè)計(jì)人員，具有編程簡潔、直觀性強(qiáng)、人機(jī)交互界面友好、數(shù)據(jù)可視化分析與設(shè)備控制能力優(yōu)等特點(diǎn)。

4.2.壓力電阻焊機(jī)的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

鋯管壓力電阻焊接工藝流程為：端塞夾持→進(jìn)料→焊室密封→焊室鎖死→焊接夾具夾緊→管密封→輔助夾持→焊接小室抽真空→真空度到→充氦→氦壓到→施加預(yù)壓力→施加焊接壓力→電源放電→松端塞夾具→卸除氣囊壓力、氦壓→松焊接夾具→復(fù)位。在工藝流程中，機(jī)械動作由氣動電磁閥控制的氣缸來完成，并利用限位開關(guān)檢測動作是否到位，采用傳感器測量焊接過程中的重要焊接參數(shù)。

5 焊機(jī)系統(tǒng)抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)

微機(jī)控制的壓力電阻焊機(jī)工作的電磁環(huán)境是比較惡劣的，焊機(jī)在工作時(shí)不僅要受到從電網(wǎng)上傳來的“噪聲”干擾，焊接電源本身也是一個(gè)很強(qiáng)的干擾源，象電源內(nèi)部的逆變電路開關(guān)電流和變壓器繞組電流、電壓的變化以及焊接時(shí)負(fù)載線上的電流頻繁變化都會產(chǎn)生高頻噪聲。因此，在整個(gè)焊機(jī)的研制工作中，始終將抗干擾性能作為焊機(jī)設(shè)計(jì)和制作時(shí)首先考慮的問題之一，并從硬件和軟件兩個(gè)方面采取了一系列抗干擾措施，有效地保證了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

6 工藝試驗(yàn)

6.1 焊接試驗(yàn)參數(shù)

壓力電阻焊接是由壓力、電流與時(shí)間三個(gè)重要參數(shù)共同作用的結(jié)果，因此，三者之間的適當(dāng)配合是形成合格焊縫的必要條件。在焊接材料確定的情況下，只有在一定的壓力與溫度條件下，才能完成壓力電阻焊接。

根據(jù)對焊接工藝參數(shù)的研究，經(jīng)過多次焊接試驗(yàn)可知，壓力為700Kgf～800Kgf、時(shí)間為30ms～50ms，電流應(yīng)選擇斜坡式，且不應(yīng)低于15000A。斜坡式電流先線性上升至i0，在一定時(shí)間內(nèi)線性上升至i1，再線性下降，完成焊接。具體試驗(yàn)參數(shù)如表2：

表2

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用上表所示參數(shù)來進(jìn)行重復(fù)多次的端塞壓力電阻焊接試驗(yàn)，試樣的各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均滿足工藝技術(shù)要求。經(jīng)超聲檢測，焊縫密實(shí)區(qū)寬度都大于1.5mm；通過對試樣進(jìn)行縱剖金相檢驗(yàn)，焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)分布合理，對試樣進(jìn)行橫剖金相檢驗(yàn)，焊縫圓周上未產(chǎn)生未熔合缺陷。

結(jié)語

燃料棒壓力電阻焊機(jī)的研制成功，打破了又一項(xiàng)國外先進(jìn)核國家對燃料元件生產(chǎn)工藝、設(shè)備的壟斷，填補(bǔ)了國內(nèi)壓水堆燃料棒生產(chǎn)循環(huán)使用國產(chǎn)設(shè)備的又一項(xiàng)空白，不僅及時(shí)解決了含釓燃料棒的生產(chǎn)問題，而且對于掌握燃料棒壓力電阻焊接工藝原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)，以及培養(yǎng)技術(shù)人員隊(duì)伍都具有重大意義，為壓力電阻焊接工藝的進(jìn)一步推廣使用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本焊機(jī)焊接電流動態(tài)響應(yīng)速度快，焊接電流穩(wěn)定；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)緊湊、精確可靠，充分發(fā)揮了本系統(tǒng)的高可靠性、強(qiáng)抗干擾性，實(shí)現(xiàn)了高壓充氦密封焊接工藝過程自動化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了焊接電流、焊接壓力等焊接參數(shù)的采集、儲存和打?。痪哂袛?shù)據(jù)歷史查詢系統(tǒng)及輸出功能，達(dá)到了預(yù)期的目的，現(xiàn)在已經(jīng)保質(zhì)保量的完成了三個(gè)周期的生產(chǎn)任務(wù)。

[1]中國工程機(jī)械學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接手冊（第一卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]中國工程機(jī)械學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接手冊（第二卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[3]趙熹華.壓力焊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[4]林國榮. 電磁干擾及控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[5]雷振山. LabVIEW 7 Express 實(shí)用技術(shù)教程[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[6]劉君華. 基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[7]候國屏，王珅，葉其鑫. LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.