核電用方鋼支架雙絲焊接工藝研究

徐偉，劉金平，馮英超，吳曄華，吳闖

中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

1 序言

目前，在核電工程項(xiàng)目上對(duì)方鋼支架的需求量極大，由于方鋼支架焊縫數(shù)量較多，且方鋼支架的主要焊接方法為手工氣體保護(hù)焊，所以傳統(tǒng)的手工氣體保護(hù)焊及單絲氣體保護(hù)自動(dòng)焊的焊接效率已無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)焊接進(jìn)度要求。

2 核電用方鋼支架

核電中常見(jiàn)的方鋼支架（見(jiàn)圖1）母材材質(zhì)為Q235B碳素鋼，方鋼支架預(yù)制多為方鋼與蓋板、方鋼與預(yù)埋板、方鋼與錨固版+角板的焊接。方鋼支架因具有焊縫數(shù)量大、焊縫形式較為單一的特點(diǎn)，所以適宜利用自動(dòng)焊進(jìn)行焊接。因此，提出采用雙絲熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊接工藝進(jìn)行焊接的方案，以提高焊縫質(zhì)量和焊接速度。

圖1 核電用方鋼支架

3 雙絲焊接

雙絲焊接是在單絲氣體保護(hù)自動(dòng)焊的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)[1]，采用雙電源或單電源將兩根焊絲同步送進(jìn)的一種焊接方法，常見(jiàn)的雙絲焊接方式分為異熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊及共熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊[2，3]。

在共熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊中，由于兩根焊絲的電弧在同一個(gè)熔池內(nèi)燃燒，提高了總體的焊接電流，所以避免了熱量分布集中的缺點(diǎn)，可以向熔池及其兩側(cè)提供充足的熱量和鐵液。雙絲電弧之間存在的相互熱作用，降低了焊絲的電能輸入，增加了電弧的挺度。在進(jìn)行高速焊接時(shí)，可以有效地避免咬邊和駝峰焊道等缺陷，大大提高焊接速度和生產(chǎn)效率，同時(shí)可得到優(yōu)質(zhì)美觀的焊縫和優(yōu)良的焊接質(zhì)量[2，3]。

4 焊接設(shè)備

試驗(yàn)選用雙絲單電源設(shè)備，該設(shè)備由六軸焊接機(jī)器人、雙絲焊接電源、控制柜、變位機(jī)、雙絲焊槍及雙絲送絲系統(tǒng)等部件構(gòu)成（見(jiàn)圖2）。通過(guò)各部件的協(xié)同配合，完成雙絲的焊接工作。其焊接控制系統(tǒng)的參數(shù)化編程可根據(jù)支架尺寸進(jìn)行焊接路徑規(guī)劃，滿足不同焊接位置及焊接順序需求。

圖2 方鋼支架焊接工作站

針對(duì)核電用方鋼支架焊接過(guò)程，需要焊接機(jī)器人配合變位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同焊接位置焊縫焊接的特點(diǎn)，根據(jù)不同的支架規(guī)格進(jìn)行焊接路徑規(guī)劃，可滿足不同焊接位置及焊接順序需求。在整個(gè)焊接過(guò)程中，將組對(duì)好的工件放到預(yù)制工裝上，人工進(jìn)行簡(jiǎn)單地示教，將關(guān)鍵點(diǎn)位置確定后即可開(kāi)始焊接。焊接過(guò)程中不需要人工調(diào)整，針對(duì)相同型號(hào)的工件，工件替換后無(wú)需重新找點(diǎn)示教，只需焊前微調(diào)即可進(jìn)行下一個(gè)工件的焊接，較現(xiàn)有手工焊效率提升2～3倍。

（1）焊接機(jī)器人 試驗(yàn)采用發(fā)那科M-10iA/7L型號(hào)機(jī)器人。該機(jī)器人為6軸增強(qiáng)型工業(yè)機(jī)器人（即關(guān)節(jié)型手臂機(jī)器人），采用的新型交流伺服電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高輸出、響應(yīng)快、高可靠性等特點(diǎn)。機(jī)器人的手臂具有細(xì)長(zhǎng)而緊湊的設(shè)計(jì)，各個(gè)軸的動(dòng)態(tài)性能高，保證了優(yōu)良的焊接精度、速度和可重復(fù)性。

（2）焊接電源 試驗(yàn)采用林肯S700型號(hào)波形控制技術(shù)、全數(shù)字焊接電源。該套焊接電源適用于半自動(dòng)、自動(dòng)化或機(jī)器人環(huán)境，也可用于雙弧雙絲同步高熔敷率焊接，可使焊接材料與母材充分熔合，達(dá)到理想的雙絲焊接效果。

（3）變位機(jī) 試驗(yàn)采用單軸伺服變位機(jī)，通過(guò)翻轉(zhuǎn)式變位平臺(tái)，可將工裝平臺(tái)在0°～360°內(nèi)翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)方鋼支架各區(qū)域焊縫的良好焊接。

（4）雙絲焊槍 試驗(yàn)采用專用林肯雙絲焊槍，內(nèi)置導(dǎo)絲管、循環(huán)冷卻水管與氣管，能夠有效地避免雙絲焊接時(shí)因電流過(guò)大而引起的焊槍損壞，保證了焊接質(zhì)量。

（5）送絲系統(tǒng) 試驗(yàn)采用的送絲系統(tǒng)為林肯焊接設(shè)備配套送絲系統(tǒng)。該套送絲系統(tǒng)是功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)緊湊的4輪送絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于機(jī)器人焊接和剛性自動(dòng)化焊接中，可輸送較大直徑焊絲，拉動(dòng)焊絲通過(guò)較長(zhǎng)的導(dǎo)管使兩根焊絲同步送進(jìn)，保證焊接質(zhì)量。

（6）參數(shù)化編程系統(tǒng) 針對(duì)方鋼支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)離線編程系統(tǒng)，使機(jī)械臂能夠按照設(shè)定程序進(jìn)行焊縫位置確定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通信。使用參數(shù)化編程方式，將智能焊接系統(tǒng)與焊接參數(shù)采集、監(jiān)控等多種采集終端進(jìn)行集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量全程可追溯。

參數(shù)化編程系統(tǒng)可通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法，采用一定的方法策略，檢測(cè)焊縫坡口，創(chuàng)建坡口模型。同時(shí)，可根據(jù)坡口模型，實(shí)現(xiàn)離線編程方式生成自動(dòng)焊焊道軌跡，同時(shí)在多層多道焊接過(guò)程中將焊槍姿態(tài)信息疊加在每一道焊道中。

5 焊接工藝

（1）焊接注意事項(xiàng) 焊前需打磨，清理焊縫表面氧化皮等。要求試件內(nèi)外側(cè)表面≥25mm范圍內(nèi)無(wú)油、漆、垢及毛刺等，且不得有任何影響焊接質(zhì)量的缺陷存在。

（2）現(xiàn)有焊接工藝 目前，在核電項(xiàng)目現(xiàn)有方鋼支架焊接作業(yè)中，常采用手工氣體保護(hù)焊及單絲氣體保護(hù)自動(dòng)焊方式。由于方鋼支架結(jié)構(gòu)的特殊性，在焊接方鋼支架底座時(shí)，需要采用多層多道的焊接方法，才能達(dá)到工件驗(yàn)收要求，所以存在焊接效率低、焊接周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

現(xiàn)有焊接工藝的施工流程如下。

1）材料準(zhǔn)備。

2）待焊件表面清理。

3）工件組對(duì)、點(diǎn)固。

4）工件多層焊接。

5）支架焊后打磨。

6）支架無(wú)損檢測(cè)。

（3）雙絲焊接工藝 雙絲焊接工藝是在焊接電源與機(jī)器人、變位機(jī)等設(shè)備及部件通信的基礎(chǔ)上，在機(jī)器人與變位機(jī)的協(xié)同配合、雙絲送絲系統(tǒng)的焊絲送進(jìn)及焊接電源的參數(shù)配給等條件下完成的焊接操作。

采用雙絲工藝進(jìn)行焊接試驗(yàn)時(shí)，一般包括以下步驟。

1）將試件坡口及坡口外平面20mm內(nèi)打磨光亮，無(wú)銹跡、油污等雜物。

2）將試件組對(duì)點(diǎn)固，并放置于變位機(jī)翻轉(zhuǎn)平臺(tái)上，利用氣動(dòng)夾持裝置固定。

3）開(kāi)啟焊接電源、機(jī)器人等焊接設(shè)備，進(jìn)行參數(shù)化編程的模擬運(yùn)行。

4）手工錄入開(kāi)發(fā)完成合格的焊接參數(shù)。

5）焊前檢查，確定設(shè)備各部件是否連接妥當(dāng)、保護(hù)氣體類型及比例，選用的保護(hù)氣體為Ar（75%～90%）+CO2（10%～25%）混合氣體。

6）程序運(yùn)行，開(kāi)始焊接。

7）焊后打磨，清理焊縫表面氧化皮等雜質(zhì)。

8）試件無(wú)損檢測(cè)（PT）。

9）試件理化檢測(cè)（宏觀金相）。

6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)時(shí)，首先利用雙絲熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊設(shè)備進(jìn)行平板堆焊試驗(yàn)，分別以200A、300A的焊接電流進(jìn)行焊接，觀察焊縫成形及熔滴過(guò)渡形式，如圖3～圖6所示。由圖3～圖6可知，雙絲自動(dòng)焊焊縫成形均勻、良好，飛濺小。

圖3 焊接電流為200A時(shí)的焊縫成形

圖6 焊接電流為300A時(shí)的熔滴過(guò)渡

其次，采用雙絲熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊設(shè)備，針對(duì)儀表支架材料和規(guī)格，進(jìn)行角焊縫焊接工藝試驗(yàn)及工藝開(kāi)發(fā)。試驗(yàn)時(shí)觀察到，試件焊接過(guò)程飛濺小，焊后焊縫成形美觀。對(duì)焊后試件根據(jù)核電現(xiàn)場(chǎng)所使用檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)損及理化試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均為合格，確認(rèn)得到合格的焊接參數(shù)。說(shuō)明該套自動(dòng)焊接設(shè)備適用于核電現(xiàn)場(chǎng)方鋼支架焊接。

圖4 焊接電流為300A時(shí)的焊縫成形

圖5 焊接電流為200A時(shí)的熔滴過(guò)渡

7 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)核電工程項(xiàng)目中方鋼支架焊接時(shí)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并利用雙絲熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊設(shè)備進(jìn)行焊接工藝研究，通過(guò)多組焊接試驗(yàn)選出良好的焊接試件，并對(duì)試件進(jìn)行無(wú)損及理化試驗(yàn)檢測(cè)分析，得出以下結(jié)論。

1）試件按照核電驗(yàn)收檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)損及理化試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果均為合格，因此符合核電工程用方鋼支架的焊接使用標(biāo)準(zhǔn)。

2）采用雙絲熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊方式進(jìn)行焊接，具有熔敷金屬填充量大、焊接效率高、焊縫質(zhì)量良好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)核電工程用方鋼支架的焊接及自動(dòng)焊接技術(shù)的推廣具有重要意義。