焊接機(jī)器人在核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋焊接中的應(yīng)用及分析

孔永紅，高俊根，吳義黨，李志杰，肖鵬

摘要：針對(duì)核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋焊縫的焊接進(jìn)行了實(shí)例分析，設(shè)計(jì)了頂蓋焊縫焊接機(jī)器人系統(tǒng)，完成了使用焊接機(jī)器人J型坡口自動(dòng)焊焊接工藝評(píng)定、焊工考試和焊接工藝規(guī)程。結(jié)合RPV頂蓋焊縫的特點(diǎn)，分析焊接機(jī)器人焊接關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)，重點(diǎn)圍繞焊接機(jī)器人的焊接軌跡、焊接定位、焊接變形等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)以及產(chǎn)品焊接過程中的質(zhì)量控制，提出解決措施，為焊接機(jī)器人在核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋J型焊縫焊接中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人;J型坡口;RPV頂蓋焊縫

中圖分類號(hào)：TG409? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0056-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.10

0? ? 前言

焊接是機(jī)械設(shè)備制造中的一個(gè)重要工藝，其工作強(qiáng)度大、對(duì)操作人員的技能水平要求高且存在潛在職業(yè)危害[1]。而焊接機(jī)器人具有提高焊接質(zhì)量、改善勞動(dòng)環(huán)境、提高工作效率、焊接一致性好等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用日益廣泛[2-3]。近年來隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，焊接機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國工業(yè)機(jī)器人銷量由2012年的不到2.5萬臺(tái)增長(zhǎng)到2019年的18萬臺(tái)，2020年更是超過20萬臺(tái)，其中焊接機(jī)器人占據(jù)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人總量的40%以上[4]，但焊接機(jī)器人在核電設(shè)備制造業(yè)的應(yīng)用目前還處于研究階段。文中選取核反應(yīng)堆壓力容器（RPV）頂蓋焊縫焊接作為研究對(duì)象，對(duì)焊接機(jī)器人在該焊縫焊接中的應(yīng)用進(jìn)行分析，為焊接機(jī)器人在核電設(shè)備制造過程中的普及應(yīng)用提供實(shí)踐參考。

1 RPV頂蓋焊縫概述

核反應(yīng)堆壓力容器是核電站的核心設(shè)備，它是裝有由核燃料元件等組成的放射性活性區(qū)，裂變反應(yīng)就在活性區(qū)內(nèi)進(jìn)行，并使高溫、高壓的冷卻劑保持在一個(gè)密封的殼體內(nèi)，因此其連接焊縫的質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)核電廠的運(yùn)行安全，其中RPV頂蓋焊縫就是設(shè)備制造過程中關(guān)鍵焊縫[5]。RPV頂蓋焊縫是核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋與控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）貫穿件的承壓密封焊縫，焊縫位置及結(jié)構(gòu)如圖1所示，該焊縫為J型焊縫，其坡口狹窄、空間曲面復(fù)雜、對(duì)焊接變形要求苛刻[6]，加之為鎳基材料焊接，焊接難度大，很容易出現(xiàn)焊接缺陷。同時(shí)，該焊縫還具有以下特點(diǎn)：①處于反應(yīng)堆一回路中的關(guān)鍵位置;②焊縫空間位置復(fù)雜，焊縫坡口不對(duì)稱，易產(chǎn)生縮頸和彎曲變形;③冶金過程復(fù)雜并常常伴隨很高的殘余應(yīng)力。因此，該焊接過程是反應(yīng)堆壓力容器制造的難點(diǎn)之一。

受焊接技術(shù)能力所限，上述J型焊縫均采用手工焊方式，其焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、焊接效率低下。國內(nèi)外RPV制造商與焊接設(shè)備制造商均嘗試過采用自動(dòng)焊方式焊接J型焊縫，以解決J型焊縫的自動(dòng)化焊接問題。

2 焊接機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

2.1 焊接機(jī)器人系統(tǒng)

采用法國 POLYSOUDE 的 J 型坡口焊接機(jī)器人系統(tǒng)，配置6軸機(jī)器人本體，如圖2所示。機(jī)器人具有自動(dòng)平衡能力，裝配于懸臂梁式操作機(jī)上，通過第六軸獨(dú)特的回轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì)使該機(jī)器人適用于狹窄空間內(nèi)環(huán)型焊縫的焊接，在第六軸上裝載不同的焊槍可實(shí)現(xiàn)不同功能的焊接應(yīng)用。該焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要包括機(jī)器人本體、焊接電源、機(jī)器人控制柜、特制的GTAW焊槍、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和攝像監(jiān)控系統(tǒng)等，如圖3所示。機(jī)器人路徑測(cè)量系統(tǒng)由數(shù)字式控制完成，控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)，當(dāng)誤操作或程序出現(xiàn)異常時(shí)，能及時(shí)終止程序。焊接設(shè)備用焊接電源與機(jī)器人控制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其帶有的氣體流量檢測(cè)裝置會(huì)在保護(hù)氣體和氣體壓力出現(xiàn)異常時(shí)，促使系統(tǒng)報(bào)警并終止焊接工作。

2.2 焊接機(jī)器人焊接工藝

為了確保機(jī)器人焊接工藝在RPV頂蓋產(chǎn)品焊接中的成功應(yīng)用，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)?zāi)覆暮吞畛浣饘倥c產(chǎn)品一致，通過對(duì)13種J型坡口的單個(gè)試驗(yàn)件和1∶1 封頭模擬件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)件和模擬件分別如圖4、圖5所示。

通過不斷的工藝調(diào)整、編程優(yōu)化，最終完成了焊接機(jī)器人J型坡口自動(dòng)焊焊接工藝評(píng)定、焊工考試及焊接工藝規(guī)程，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

2.3 焊接機(jī)器人產(chǎn)品焊接

RPV頂蓋焊縫為J型焊縫，為承壓壓力邊界，其包括鎳基隔離層堆焊和密封焊，這兩道焊縫的焊接主要過程類似，焊接機(jī)器人在RPV頂蓋焊縫的焊接過程如下：

（1）根據(jù)焊接機(jī)器人的空間可覆蓋范圍將RPV頂蓋放置于專用的支承輔具上，并進(jìn)行定位。

（2）將特制的鎳基隔離層堆焊焊槍裝配在焊接機(jī)器人第六軸上，將焊接坡口的外形尺寸參數(shù)和相對(duì)位置參數(shù)預(yù)置到控制系統(tǒng)中，通過對(duì)坡口進(jìn)行空間精確定位后，生成焊接軌跡控制程序，并對(duì)焊接機(jī)器人的焊接軌跡進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）在焊接軌跡被合理驗(yàn)證后，啟動(dòng)焊接編程程序，開始焊接。焊接機(jī)器人控制焊槍起弧位置為坡口的6點(diǎn)位置，隨后逆時(shí)針方向向上焊接至12點(diǎn)位置。焊接結(jié)束后焊槍熄弧上抬并自動(dòng)行走至6點(diǎn)位置，然后順時(shí)針方向向上焊接至12點(diǎn)位置，自動(dòng)完成第一道焊縫，如圖6所示。程序設(shè)定保證收弧搭接，實(shí)現(xiàn)焊道平整。如此反復(fù)，直至完成整個(gè)坡口的堆焊。

（4）當(dāng)RPV頂蓋鎳基隔離層堆焊焊接結(jié)束，更換特制的密封焊焊槍。焊接機(jī)器人控制焊槍的起弧位置和焊接順序與鎳基隔離層堆焊焊接順序相同，即采用半周上坡焊的方式進(jìn)行填充焊接，如圖7所示。

3 焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)及分析

RPV產(chǎn)品頂蓋焊縫由于坡口狹小，空間曲面異常復(fù)雜，使用焊接機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊接難度大，其影響因素包括焊接次序、焊接位置的實(shí)時(shí)變化，需要不同的焊槍軌跡、焊接電流、焊接電壓、頻率、收弧時(shí)間、焊接速度、鎢極距邊量等，其操作過程中任何細(xì)節(jié)參數(shù)的變化均可能造成焊縫缺陷的產(chǎn)生，尤其是焊接機(jī)器人焊接軌跡編程、密封焊焊接變形控制、焊槍的定位及焊接過程中質(zhì)量控制等參數(shù)的影響。

3.1 焊接軌跡

RPV頂蓋焊縫屬于多層多道焊的焊接工藝，焊接軌跡是復(fù)雜的空間曲線，每一道焊縫的焊槍姿態(tài)和焊接角度都不相同，即使在同一焊道中，焊槍姿態(tài)和焊接角度也有很大變化，因此焊接機(jī)器人機(jī)頭需要進(jìn)行多維度位置適時(shí)變化，如圖8所示。

在產(chǎn)品焊接過程中，隨著CRDM貫穿件到RPV頂蓋中心位置的改變，J 型坡口角度和形狀發(fā)生改變，焊接軌跡也存在差異。因此為保證焊接軌跡的準(zhǔn)確度，需要對(duì)每種不同尺寸的J型坡口焊接進(jìn)行單獨(dú)編程。以某項(xiàng)目RPV頂蓋焊縫為例，通過建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)坡口形狀、角度分類等差異，將頂蓋焊縫分為13組，各自單獨(dú)編程。

3.2 焊接變形控制

由于J型焊縫密封焊坡口是一個(gè)非軸線對(duì)稱、力矩不平衡的坡口，在進(jìn)行密封焊過程中，焊接應(yīng)力會(huì)對(duì)CRDM貫穿件產(chǎn)生偏心的力矩，造成CRDM貫穿件的焊接變形。為了保證密封焊焊接完畢后CRDM貫穿件的變形滿足產(chǎn)品圖紙的要求，有必要增加防變形裝置。在實(shí)際的產(chǎn)品焊接中，專門設(shè)計(jì)并制造CRDM貫穿件防變形—水冷一體式裝置，如圖9所示，通過該裝置同時(shí)實(shí)現(xiàn)CRDM貫穿件的焊接防變形作用和水冷作用，可有效性控制CRDM貫穿件的焊接變形。

3.3 焊接定位及干涉

RPV頂蓋J型坡口形狀復(fù)雜，對(duì)焊接坡口準(zhǔn)確定位比較困難。為實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人對(duì)焊接坡口的精準(zhǔn)定位，在焊接機(jī)頭設(shè)置激光定位儀，用于識(shí)別 J 型坡口上、下、左、右四個(gè)位置，計(jì)算出坡口中心，再通過模擬行走，進(jìn)行程序設(shè)定、調(diào)整和焊接。而在焊接較大角度坡口處時(shí)，焊機(jī)機(jī)頭導(dǎo)電嘴容易對(duì)工件的坡口邊緣產(chǎn)生干涉，需要通過及時(shí)調(diào)整參數(shù)方可施焊。

3.4 焊接質(zhì)量控制

（1） 坡口的裝配精度誤差。

RPV頂蓋焊縫坡口的裝配如存在誤差，會(huì)影響焊接機(jī)器人根據(jù)編程對(duì)坡口的精準(zhǔn)識(shí)別，從而影響焊接質(zhì)量。因此焊接的坡口裝配，需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和焊接的檢查。

（2）焊接過程加熱。

RPV頂蓋產(chǎn)品焊接需要在熱態(tài)下進(jìn)行（121 ℃～

200 ℃），常規(guī)的加熱方式為工件倒置，采用專用工裝從工件的下方加熱，但RPV頂蓋因有8個(gè)堆側(cè)接管，結(jié)構(gòu)上限制了電加熱裝置的覆蓋范圍，尤其是靠近封頭邊緣的J型坡口存在加熱不到位的風(fēng)險(xiǎn)，這就需要采取局部火焰加熱的方式輔助加熱，并在產(chǎn)品焊接過程中做好溫度的監(jiān)控。

（3）焊接過程工件變形。

RPV頂蓋為多坡口，需要頻繁變換焊接坡口，每次重新對(duì)待焊坡口位置進(jìn)行定位時(shí)，在頂蓋組件焊接過程中，因焊接過程中的溫度較高，工件整體出現(xiàn)熱變形，導(dǎo)致J 型坡口與工件中心的相對(duì)位置產(chǎn)生變化，最大的位置變化可達(dá) 2～3 mm，因此焊接過程中需要重新調(diào)整焊接參數(shù)，重新使用激光定位尋找坡口位置。

（4）焊接過程觀察。

由于RPV頂蓋結(jié)構(gòu)限制及自動(dòng)焊機(jī)機(jī)頭體積較大，且焊接過程是加熱焊接，因此人員不便在熔池附近觀察，在封頭邊緣觀察距離較遠(yuǎn)，不便于熔池觀察、調(diào)整、控制。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀察焊縫外觀質(zhì)量，及時(shí)避免焊接缺陷，在焊接機(jī)頭設(shè)置高清攝像頭，焊接過程可全程在顯示屏中觀察，對(duì)于緊急情況可隨時(shí)暫停焊接。

（5）焊接環(huán)境。

鎳基焊接對(duì)環(huán)境清潔要求嚴(yán)苛，外來異物的帶入會(huì)使焊接產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。因此焊接機(jī)器人需要做好對(duì)焊接環(huán)境清潔度的控制，在RPV頂蓋產(chǎn)品焊接過程中，可將焊接工位進(jìn)行專門的隔離防護(hù)或在單獨(dú)的清潔車間進(jìn)行焊接。

4 焊接應(yīng)用及效果

通過焊接技術(shù)分析和采取的技術(shù)預(yù)防控制措施，焊接機(jī)器人目前已經(jīng)成功應(yīng)用于核電RPV頂蓋J型坡口焊接中。實(shí)踐結(jié)果顯示，使用焊接機(jī)器人后，焊接效率及質(zhì)量較手工焊有了顯著提高，焊后焊縫滲透探傷（PT）顯示不合格率從超過80%降低至10%以下，焊接外觀成型良好，焊接過程無飛濺，顯著減少了打磨和返修工作量，從而保證了焊縫尺寸，有利于后續(xù)的加工。某項(xiàng)目RPV頂蓋產(chǎn)品最終焊縫的外觀質(zhì)量如圖10、圖11所示。

5 結(jié)論

在核電設(shè)備制造過程中引入焊接機(jī)器人，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有明顯的幫助，尤其是針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接工作量大的RPV頂蓋J型坡口焊縫，可顯著提高工作效率。

（1）通過對(duì)比13種 J 型坡口的單個(gè)試驗(yàn)件、1∶1封頭模擬件的焊接試驗(yàn)，完成了焊接機(jī)器人 J 型坡口自動(dòng)焊焊接工藝評(píng)定、焊工考試及焊接工藝規(guī)程，掌握了焊接機(jī)器人 J 型坡口自動(dòng)焊焊接參數(shù)，對(duì)同類焊縫焊接工藝的制定具有借鑒意義。

（2）對(duì)于焊接機(jī)器人而言，RPV頂蓋焊縫的焊接軌跡是復(fù)雜的空間曲線，通過焊接工藝的實(shí)施，對(duì)比發(fā)現(xiàn)焊接每一道焊縫時(shí)焊槍的姿態(tài)與角度都不相同，因此焊接機(jī)器人機(jī)頭需要進(jìn)行多維度位置適時(shí)調(diào)整。應(yīng)根據(jù)坡口形狀、角度等差異，對(duì)頂蓋焊縫進(jìn)行分組，單獨(dú)編程，實(shí)現(xiàn)J型焊縫焊接軌跡離線編程。

（3）由于J型焊縫密封焊坡口是非軸線對(duì)稱、力矩不平衡的坡口，防止變形至關(guān)重要。專門設(shè)計(jì)并制造了CRDM貫穿件防變形—水冷一體式裝置，可有效防止變形。

（4）RPV頂蓋J型坡口形狀復(fù)雜，通過焊接機(jī)頭設(shè)置激光定位儀，精準(zhǔn)定位焊接坡口，掌握了焊接坡口定位及避免發(fā)生干涉的控制方法。

（5）焊接機(jī)器人在RPV項(xiàng)蓋焊縫焊接中，掌握焊接過程的風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)防措施，為焊接機(jī)器人在RPV頂蓋J型焊縫焊接中的應(yīng)用提供了參考和借鑒。

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