某核級空心葉片自動焊裝置及試驗(yàn)

徐健 熊建坤 張峻銘 楊林 許德星 吳海峰 楊建平

摘要：采用機(jī)器人自動焊方法對核級空心葉片進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并與手工焊進(jìn)行對比，分析了焊接接頭的微觀組織和硬度分布，優(yōu)化了自動焊接工藝參數(shù)。組建自動焊智能焊接系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了仿形體結(jié)構(gòu)工裝夾具，與多變位機(jī)工位聯(lián)動搭建自動焊生產(chǎn)線，完成空心葉片試驗(yàn)件的試制，通過試驗(yàn)驗(yàn)證其生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)手工焊接提升1倍。通過焊接數(shù)值模擬分析研究了空心葉片焊接位置和分段焊方案，并與實(shí)際葉片焊接進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，自動焊焊接變形趨勢與實(shí)際焊接過程基本一致，焊縫成形良好。通過研究空心葉片自動焊系統(tǒng)，可以提高核電五級空心葉片焊接的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，更好地滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，具有較大工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：核電;空心葉片;自動焊;生產(chǎn)線;數(shù)值模擬

中圖分類號：TG409 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）05-0016-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.04

0 ? ?前言

汽輪機(jī)空心靜葉片因其獨(dú)特的空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有防水蝕功能良好、質(zhì)量輕、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，已越來越多地應(yīng)用于汽輪機(jī)機(jī)組中[1-2]。目前空心葉片通常采用手工MAG焊連接，但是手工焊存在焊接變形大、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，已不能滿足葉片高質(zhì)量制造要求。機(jī)器人焊接已成為焊接自動技術(shù)的主要標(biāo)志，并有大量的焊接機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于各類自動化生產(chǎn)線中[3]。自動焊因不受人為因素影響以及高度智能化，在控制焊接變形、提高生產(chǎn)效率等方面有著手工焊不可比擬的優(yōu)越性。因此，開展空心葉片自動焊裝置及試驗(yàn)研究工作非常必要。

1 核電五級空心葉片焊接需求分析

1.1 空心葉片焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某核級空心葉片內(nèi)部是空心結(jié)構(gòu)，為變截面小扭角直葉片，如圖1所示。該葉片由進(jìn)汽邊、出汽邊、內(nèi)弧、背弧四塊焊接而成，其中進(jìn)汽邊為型鋼，其余三部分為鋼板，焊接成型后只加工出汽邊內(nèi)弧。材料為X2CrNi12，屬于鐵素體不銹鋼，其焊接性主要存在熱裂傾向性、接頭耐蝕性、接頭脆化性三大特點(diǎn)[4]，板厚4.2±0.2 mm，具有薄壁弱剛性特點(diǎn)。

該葉片共4條焊縫，每條焊縫長約1.4 m。焊接時由于焊接溫度場分布不均勻，導(dǎo)致葉片膨脹和收縮不均勻，使葉片內(nèi)部產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，極易引起角變、彎曲、扭曲等焊接變形[5]。

開發(fā)基于機(jī)器人的空心葉片焊接裝置，圍繞空心葉片變截面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究合適的焊接示教方法、機(jī)器人智能焊接系統(tǒng)集成及生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，并結(jié)合數(shù)值仿真分析確定焊接順序，最終研究出具有生產(chǎn)指導(dǎo)意義的自動焊裝置及工藝。

1.2 空心葉片自動焊研究內(nèi)容和難點(diǎn)

空心葉片要實(shí)現(xiàn)自動化焊接需要研究的內(nèi)容及難點(diǎn)如下：

①智能焊接系統(tǒng)集成，包括激光掃描與跟蹤、系統(tǒng)整體集成、多工位的聯(lián)動生產(chǎn)。

②工裝夾具設(shè)計(jì)，如何保證工件定位的快速與準(zhǔn)確、夾緊的可靠與牢固。

③生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，圍繞生產(chǎn)線的柔性化配置布局，如何兼顧生產(chǎn)效率。

④焊接有限元仿真分析，計(jì)算焊接變形與收縮量，確定焊縫分段數(shù)量和焊接順序。

⑤自動焊工藝研究開發(fā)，包括焊接參數(shù)調(diào)整、坡口裝配錯邊與間隙尺寸不均勻帶來的影響。

2 核電五級空心葉片自動焊接裝置

2.1 智能焊接系統(tǒng)

智能焊接系統(tǒng)如圖2所示，由六軸焊接機(jī)器人、激光掃描傳感器、焊接電源、散熱機(jī)構(gòu)和焊接過程監(jiān)控器組成。激光掃描傳感器固定在六軸焊接機(jī)器人末關(guān)節(jié)上，與焊槍空間位置保持固定，負(fù)責(zé)焊接軌跡的掃描和跟蹤;焊接軌跡采用機(jī)器人示教方式實(shí)現(xiàn)。

2.2 工裝夾具設(shè)計(jì)

空心葉片焊縫坡口為非均勻曲面，焊接裝配難度大。因此焊接時的裝夾、定位以及翻轉(zhuǎn)需要一套裝夾工裝與雙軸變位機(jī)來配合執(zhí)行，確保工件焊接時的精確定位和夾緊功能[6]。該葉片工裝夾具由法蘭盤、下仿形體、上仿形體、氣缸機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置構(gòu)成，采用仿形體結(jié)構(gòu)和氣動方式聯(lián)合控制。

葉片工裝夾具如圖3所示。上仿形體和下仿形體分別與空心葉片背弧面的內(nèi)外表面相互貼合實(shí)現(xiàn)葉片的固定;下仿形體直接固定在法蘭盤上，上仿形體依靠絲杠鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與下仿形體之間的相互運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)空心葉片的安裝與拆卸，且在夾緊葉片后可以實(shí)現(xiàn)自鎖;導(dǎo)向裝置由導(dǎo)向柱和導(dǎo)向套構(gòu)成實(shí)現(xiàn)上下仿形面移動導(dǎo)向;依靠氣缸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對葉片的夾緊。該工裝依靠仿形面與葉片接觸，固定牢靠，不會引起過大的接觸應(yīng)力;工裝與葉片的接觸面積不大，對葉片焊接過程的自然變形影響較小。

2.3 自動焊生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

自動焊生產(chǎn)線設(shè)計(jì)總體基于智能焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用2個胎位同時焊接，既能兼顧機(jī)器人工作效率，又能保證焊接質(zhì)量。生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)如圖4所示，自動焊生產(chǎn)線系統(tǒng)包括1套導(dǎo)軌式機(jī)器人移動平臺、2套葉片雙軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)系統(tǒng)、2套葉片搬運(yùn)軌道小車、2個葉片存放支架?？招娜~片通過葉片專用工裝夾具裝卡在雙軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)上;焊接機(jī)器人通過滑行軌道實(shí)現(xiàn)在多個變位機(jī)工位之間的自由切換。

自動焊生產(chǎn)線工藝流程如圖5所示，具體生產(chǎn)操作流程為：葉片完成裝卡定位后，通過激光掃描定位及示教后啟動葉片的焊接，工位1和工位2在完成1～4段焊接后進(jìn)行雙工位的自由切換，分段焊接完成后需要對自動焊的接頭處進(jìn)行打磨并冷卻，確保焊接質(zhì)量的同時有效控制焊接層溫與變形，隨后依次完成5～10段的焊接，其中出汽邊位置由于采用的X型坡口需要對其背面清根，在全部焊接完成后人工方式拆卸葉片，完成一組葉片的焊接。

3 空心葉片焊接試驗(yàn)

3.1 焊接有限元模擬仿真

利用SYSWELD軟件，采用雙橢球熱源模型對焊接過程進(jìn)行模擬分析[7]。假設(shè)均勻溫度場和焊接拘束度均等的條件下，分析空心葉片的焊接變形趨勢，并計(jì)算出合理的焊縫分段及順序。

空心葉片的焊接變形特征如圖6所示。進(jìn)汽邊葉尖端部向內(nèi)弧面方向變形;出汽邊葉尖端部向內(nèi)弧面方向變形，出汽邊根部向背弧面方向變形;空心葉片橫截面的內(nèi)弧面趨向于被拉直趨勢，背弧面趨向于被壓彎趨勢。焊接變形模擬分析結(jié)果表明，六段焊（見圖7）在葉片中間截面的凹彎曲變形得到有效的控制，其焊接變形小于三段焊（見圖8）。

3.2 自動焊試驗(yàn)

3.2.1 自動焊試驗(yàn)流程

為了驗(yàn)證空心葉片自動焊裝置的可行性和焊接模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過對葉片自動化試驗(yàn)研究開發(fā)制定了一套適合產(chǎn)品生產(chǎn)的焊接裝置及工藝流程，可有效提升葉片生產(chǎn)效率，確保焊接變形與質(zhì)量可控，具體試驗(yàn)流程如圖9所示。

3.2.2 焊接工藝參數(shù)

自動焊工藝主要參數(shù)有焊接電流、焊接速度、電弧電壓、保護(hù)氣體流量等。每一項(xiàng)參數(shù)都直接影響焊接質(zhì)量，而且各個參數(shù)之間相互影響，相互制約，為了得到滿意的焊縫，必須使各項(xiàng)工藝參數(shù)合理匹配[8]。

采用由焊接工藝評定試驗(yàn)得出的工藝參數(shù)和焊接模擬分析的兩種焊接分段順序分別進(jìn)行焊接試驗(yàn)，具體參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在焊接時應(yīng)盡量采取擺動焊接，擺動至兩邊停頓使之熔合良好;同時由于進(jìn)汽邊坡口間隙不均勻，按相同焊接速度焊接，焊縫呈現(xiàn)不規(guī)則和不均勻，在坡口間隙寬的位置焊縫余高偏低，相反在坡口間隙窄的位置焊縫余高明顯偏高。通過反復(fù)分析試驗(yàn)，將焊接速度控制在0.17 m/min為宜。

3.2.3 葉片自動焊

根據(jù)前期試驗(yàn)得出的焊接順序和焊接工藝參數(shù)對核電五級空心葉片進(jìn)行自動焊試制并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過程和焊后實(shí)物分別如圖10、圖11所示，試驗(yàn)后數(shù)據(jù)檢測結(jié)果表明，焊接變形量和焊縫質(zhì)量均符合設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)要求。

4 核電五級空心葉片自動焊分析

4.1 焊接工藝評定分析

為了得到合格的焊接接頭，必須進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)。試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)ISO 15614-1進(jìn)行評定，試驗(yàn)?zāi)覆臑閄2CrNi12，選用AWS ER309L T0-4藥芯焊絲，焊后對接頭進(jìn)行無損和理化檢驗(yàn)，各項(xiàng)評定結(jié)果均為合格。

對焊縫熔敷金屬和基材化學(xué)成分進(jìn)行分析，如表2所示，可以看到焊縫中大部分合金元素含量相比焊材變化較小，而Cr和Ni元素的含量有所降低，這很可能與合金元素電弧燒損有關(guān)?；钠骄睾孔兓淮?，符合母材規(guī)范值要求。

焊接接頭不同區(qū)域的微觀組織照片如圖12所示?；慕M織主要由鐵素體組成，其組織照片如圖12a所示。圖12b為熱影響區(qū)組織，可以看到由于焊接熱循環(huán)的作用，該區(qū)域鐵素體晶粒粗大，形成了鐵素體+低碳馬氏體的組織。圖12c為焊縫微觀組織照片，焊縫主要為枝晶狀奧氏體晶粒組織，晶粒較為細(xì)小，其上分布著少量δ-鐵素體。接頭不同分層位置的硬度分布如圖13所示，焊縫中心區(qū)域硬度較高，而焊縫邊緣靠近熔合線位置硬度較低，與母材硬度很接近。結(jié)合顯微組織來看，焊接接頭組織呈現(xiàn)明顯的不均勻性，焊縫中心組織晶粒細(xì)小均勻，在熱影響區(qū)有顯著的晶粒粗化現(xiàn)象，母材組織晶粒相對粗大。這是由于焊后冷速較大且不均勻，焊縫液態(tài)金屬再結(jié)晶過程中，化學(xué)元素來不及擴(kuò)散，出現(xiàn)化學(xué)元素分布不均勻引起的偏析現(xiàn)象。

4.2 自動焊與手工焊對比分析

4.2.1 焊接變形分析

自動焊與手工焊焊接變形對比如表3所示?？梢钥闯?，自動焊1#和2#葉片在F-F截面6點(diǎn)位置變形值為0，與標(biāo)準(zhǔn)要求最小值超差-5，自動焊2#葉片在F-F截面7點(diǎn)和8點(diǎn)位置變形值分別為11.2和10.8，與標(biāo)準(zhǔn)要求最大值超差1.2。手工焊1#和2#葉片在F-F截面6點(diǎn)位置變形值分別為2和2.5，與標(biāo)準(zhǔn)要求最小值超差-3和-2.5。

自動焊與手工焊焊后的葉片在F-F截面6點(diǎn)位置的型線都超差，說明在該位置產(chǎn)生了焊接彎曲變形，自動焊2#葉片在F-F截面7點(diǎn)和8點(diǎn)位置的變形與6點(diǎn)位置的變形疊加形成了扭曲變形。但是自動焊和手工焊的焊接變形值超差可以通過校形解決，這也是葉片制造過程中不可缺少的工藝環(huán)節(jié)。

原因分析：手工焊在焊接前已進(jìn)行了一道加固焊，保證了葉片的整體剛性，且手工焊采用七段焊，自動焊采用三段焊，因此手工焊的焊接變形相對自動焊較小，充分說明焊接變形與焊縫分段和順序密切相關(guān)。

4.2.2 生產(chǎn)效率分析

自動焊和手工焊分兩種工位（2工位和4工位）進(jìn)行對比分析，按8 h/天的工作量計(jì)算，生成效率對比見表4。分析得出：自動焊（4工位）與自動焊（2工位）對比，人均生產(chǎn)效率提高17.1%;手工焊（4工位）與手工焊（2工位）對比，人均生產(chǎn)效率提高20.3%;自動焊（2工位）與手工焊（4工位）對比，人均生產(chǎn)效率提高31.3%。綜上可知，采用自動焊（2工位）相比其他三種具有穩(wěn)定的焊接質(zhì)量和較高的生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

采用手工MAG焊和機(jī)器人自動焊方法對核電五級空心葉片進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并完成了自動焊智能焊接系統(tǒng)的組件，設(shè)計(jì)搭建了自動焊生產(chǎn)線，完成空心葉片試驗(yàn)件的試制，獲得合格的空心葉片試驗(yàn)件。

（1）組建了完善的自動焊智能焊接系統(tǒng)，并采用激光掃描傳感器對焊接軌跡進(jìn)行掃描和跟蹤，激光掃描快速穩(wěn)定，保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。利用自動焊智能焊接系統(tǒng)和多臺變位機(jī)共同搭建了空心葉片自動焊生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了多工位的聯(lián)動和高質(zhì)高效生產(chǎn)，采用的雙胎位布局，生產(chǎn)效率相比手工焊提升1倍。

（2）根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和自動焊裝焊要求設(shè)計(jì)了葉片工裝夾具，采用仿形體結(jié)構(gòu)和氣動方式聯(lián)合控制，能有效保證焊接時的精確定位和裝夾牢固。此外，葉片裝夾時與工裝仿形面接觸并固定，接觸應(yīng)力較小，能有效控制葉片焊接變形。

（3）利用SYSWELD有限元分析軟件，采用雙橢球熱源模型對焊接過程進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明葉片裝配焊接變形趨勢與實(shí)際焊接過程基本一致。采用六段焊接方案時，葉片中間截面的凹彎曲變形小于三段焊方案，但為了保證生產(chǎn)效率，仍采用出汽邊兩段和進(jìn)汽邊三段焊接的方案，其焊接變形稍大，但保證了變形在可控范圍內(nèi)。

（4）采用自動焊方法進(jìn)行空心葉片試件焊接，優(yōu)化了空心葉片最佳焊接工藝參數(shù)，焊縫成形良好。對焊接接頭的微觀組織和硬度分布進(jìn)行了分析，結(jié)果表明焊縫組織為奧氏體，在其周圍夾雜著少許碳化物。焊縫中心晶粒細(xì)小均勻，而熱影響區(qū)晶粒相對粗化。接頭焊縫中心區(qū)域硬度較高，而焊縫邊緣靠近熔合線位置硬度較低，與母材硬度很接近。

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