核級輔助管道全位置自動焊裝備的研發(fā)與應(yīng)用

湯昊，王世培，潘國偉，李竹淵，劉金平，孫秋陽，唐春云

1.核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司 北京 101300

2.北京市核電先進堆型焊接與檢測工程技術(shù)研究中心 北京 101300

1 序言

2021年開始，我國核電建設(shè)事業(yè)迎來又一波高潮，國內(nèi)眾多核電項目都已經(jīng)陸續(xù)開工，屆時我國將面臨多項目同時施工的問題。其中管道焊接作為核島安裝的主要焊接工作，而輔助管道的焊接工作向來是核島安裝工作的難點之一。在焊接量大、焊接質(zhì)量要求高的同時，還存在著焊接難度大、對焊工的焊接技術(shù)要求高等問題。加之我國老齡化問題嚴重，勞動力成本逐漸提升，人口紅利逐漸消失，以廉價勞動力為支撐的“中國制造”經(jīng)濟模式難以為繼?；谝陨细鞣N原因，自動焊技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)是我國焊接領(lǐng)域未來發(fā)展的必經(jīng)之路[1]。

焊接自動化是實現(xiàn)我國裝備制造由大到強，以及由粗放型、小作坊轉(zhuǎn)變到集約型、高技術(shù)的基石。相較于傳統(tǒng)的焊條電弧焊，實現(xiàn)焊接領(lǐng)域自動化裝備的應(yīng)用，可以提高焊接效率和質(zhì)量、降低材料消耗、節(jié)約焊接成本、大幅減輕現(xiàn)場施工人員的勞動強度、提高作業(yè)環(huán)境，以及降低從業(yè)人員的技術(shù)門檻，從而提高國家核心競爭力，實現(xiàn)國家可持續(xù)發(fā)展。

目前，我國有多家企業(yè)與高校均在研制自動焊裝備，例如北京石油化工學(xué)院研制的管道焊接裝備已初具成效，可以完成環(huán)焊縫的焊接工作[2]，四川某職業(yè)院校正在研制油氣管道自動焊控制系統(tǒng)[3]。相關(guān)方面的研究數(shù)不勝數(shù)，但真正達到核級管道焊接工藝水平的裝備卻少之又少，因此，設(shè)計研制一款針對核級輔助管道全位置焊接的自動焊設(shè)備尤為重要。

2 裝備特點

該裝備所采用的焊接方式為氬弧自動焊，高頻起弧焊接，焊接小車由手持器操控，通過軌道裝夾并圍繞輔助管道進行全位置焊接。在焊接過程中，可以通過手持器或焊機電控箱來控制焊槍AVC、OSC以及焊槍的擺動和焊接參數(shù)。另外，設(shè)備還擁有熔池監(jiān)控和弧壓跟蹤功能，可在焊接過程中隨時調(diào)節(jié)鎢極與焊絲的位置，而對于細微的弧壓調(diào)節(jié)，則由弧壓跟蹤系統(tǒng)自動完成。

3 裝備組成

輔助管道自動焊裝備包括焊機電源、控制箱、監(jiān)控屏幕、手持器、焊接小車以及軌道，如圖1所示。其中，焊機電源、控制箱與屏幕采用一體化設(shè)計，并實現(xiàn)了小型化，方便工人在狹小空間內(nèi)搬運設(shè)備。

圖1 輔助管道自動焊接系統(tǒng)

在焊接過程中只需在焊接電源及控制箱通電后，將軌道及焊接小車架設(shè)在輔助管道上即可進行焊接作業(yè)，焊接的輔助管道管徑≥273mm，壁厚為10～40mm，既可焊接窄間隙自動焊坡口，又可焊接焊條電弧焊打底的V形坡口，如圖2所示。

圖2 輔助管道自動焊裝備模型

3.1 焊接軌道

焊接軌道是輔助管道自動焊裝備的重要組成部分，是保證焊接小車圍繞管道正常焊接、行走的機構(gòu)，其主要的功能便是為焊接小車提供定位與行駛路線[4]。

根據(jù)實際需求，焊接軌道選用高強度輕型材料，便于搬運和組裝，采用手動快速裝夾設(shè)計，節(jié)省現(xiàn)場裝配時間（見圖3）。

圖3 安裝焊接軌道

焊接軌道采用的是剛性齒圈軌道，并配合夾緊壓塊與頂絲一起使用。自動焊不同于焊條電弧焊，對焊接的平穩(wěn)性有著極高要求，這就意味著焊接小車在焊接過程中要確保傳動的穩(wěn)定性以及焊接軌道對管道的夾緊度，并在此基礎(chǔ)上盡量簡化軌道的結(jié)構(gòu)與零部件。相較于國內(nèi)外常用的摩擦式軌道，本設(shè)備采用了齒輪與齒圈配合的傳動方式，增加了傳動的穩(wěn)定性，提高了焊接效率。

焊接軌道可覆蓋直徑10in（1in=25.4mm）以上全部規(guī)格輔助管道，在焊接規(guī)格相近的管道時甚至無需更換軌道，只需要調(diào)整頂絲位置即可。

3.2 焊接小車

焊接小車是自動焊接設(shè)備不可或缺的重要部分，是整個設(shè)備的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，當(dāng)進行焊接作業(yè)時，將其安裝在焊接軌道上，焊接小車便會帶著焊槍沿著軌道做全位置焊接。

如圖4所示，焊接小車包含小車本體和機頭兩大部分，根據(jù)實際需求可以通過長臂或短臂將二者連接在一起，焊槍則裝夾在機頭部位。焊接小車的行走機構(gòu)是采用步進電動機經(jīng)過減速器驅(qū)動行走齒輪與焊接軌道上的齒圈相互配合來達到焊接小車行走的功能。整個機構(gòu)還包括離合器，用以實現(xiàn)焊接小車的快速手動定位或手動預(yù)纏繞。

圖4 焊接小車組成

焊槍通過AVC、OSC兩大傳動機構(gòu)與焊接小車本體相連接，其中OSC傳動機構(gòu)主體采用滾珠絲杠直線模組作為傳動裝置，依靠步進電動機驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，以達到直線模組前后往復(fù)運動的目的。根據(jù)核電現(xiàn)場需要，OSC傳動機構(gòu)分為長臂OSC和短臂OSC，如圖5所示。而AVC傳動機構(gòu)的主體采用大行程燕尾槽形X軸滑臺，并將其安裝在Z軸方向上，如圖6所示。通過步進電動機帶動同步帶輪與同步帶相互配合運動，達到驅(qū)動滑塊上下往復(fù)位移的效果。

圖5 長臂OSC和短臂OSC

圖6 AVC滑臺和同步帶

3.3 送絲方式

焊接過程中的送絲極大程度上影響著焊接效果，同時也是焊接的重要參數(shù)之一，送絲的穩(wěn)定性決定了焊縫成形質(zhì)量。目前，行業(yè)內(nèi)普遍采用推式送絲或拉式送絲，但在實際焊接過程中都存在著相應(yīng)的問題，如：推式送絲機太過于笨重，放在地上容易絆倒施焊工人；拉式送絲機則增加了焊槍的重量，影響工人焊接。但拉式送絲卻有著傳送平穩(wěn)、焊絲在送絲軟管中的阻力小等優(yōu)點。因此，本設(shè)備采用拉式脈沖送絲（見圖7），避免焊接過程中出現(xiàn)熔池結(jié)瘤的現(xiàn)象，同時還能夠降低熱輸入量，提高焊縫的美觀程度。為了實現(xiàn)輕量化、小型化，同時根據(jù)實際需求，絲盤既可以采用1kg絲盤，也可以選擇5kg絲盤，方便核島現(xiàn)場施焊。

圖7 送絲機模組

3.4 控制系統(tǒng)

輔助管道自動焊接控制系統(tǒng)是整個裝備的大腦，其作用是控制焊機的各項參數(shù)及焊接小車的驅(qū)動。由于核級管道的焊接質(zhì)量要求嚴格，每道焊口的檢測比例高，所有核級管道焊口要求一次性焊接合格，盡量避免返修。因此，焊接小車采用了數(shù)字步進電動機進行驅(qū)動，通過高集成度的芯片滿足全位置控制的要求，完成各傳動部件之間的精確運動控制[5]。

在焊接過程中，施焊人員可通過觀看屏幕傳輸?shù)漠嬅孢_到對熔池實時監(jiān)測的目的，如果施焊過程中出現(xiàn)弧壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，弧壓自動跟蹤系統(tǒng)將會自動調(diào)整焊槍高度來穩(wěn)定弧壓。同時，操作者也可通過遙控器端實現(xiàn)對裝備焊接參數(shù)、行走參數(shù)、位置參數(shù)的遠程可調(diào)，實現(xiàn)焊接參數(shù)及環(huán)境參數(shù)的實時顯示、焊接電源的啟?？刂埔约皩﹄娀‰妷悍答佌{(diào)節(jié)的控制。另外，還可實現(xiàn)對焊接參數(shù)的儲存、讀取功能，做到人機交互界面良好，操作簡便 易行[6，7]。

4 焊接工藝試驗與現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 焊接工藝試驗

為了驗證輔助管道全位置自動焊裝備的實際焊接效果與質(zhì)量，項目團隊針對碳素鋼、不銹鋼及合金鋼中厚壁管道開展了多項焊接工藝試驗，見表1。

表1 焊接工藝試驗

管道焊接通常由打底焊、填充焊和蓋面焊3個部分組成，其中打底焊是最關(guān)鍵的一環(huán)[8]。焊接效果如圖8所示，目前該設(shè)備達到了預(yù)期效果，焊接過程中熔池及送絲頻率穩(wěn)定，電弧熱量集中，焊縫性能滿足標(biāo)準要求。

圖8 焊接效果

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)設(shè)備的操作方式、特點以及工藝試驗情況，編制了《管道全位置自動焊接系統(tǒng)23H YArc400-P使用說明書》，為核電現(xiàn)場使用該設(shè)備提供了操作指導(dǎo)。目前，設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于霞浦、秦山、太平嶺等核電項目的現(xiàn)場生產(chǎn)及預(yù)制焊培車間，如圖9、圖10所示。從現(xiàn)場反饋的實際效果來看，該設(shè)備的焊接合格率高，焊縫成形質(zhì)量好，焊接完成后無需打磨，在管道焊接領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。

圖9 核島焊接現(xiàn)場

圖10 預(yù)制車間焊接現(xiàn)場

以國內(nèi)某核電項目工藝管道焊接為例，管道尺寸為φ323.8mm×10.31mm，材質(zhì)為P265GH，其管道采用V形坡口，焊接電源為直流反接，氬氣純度99.99%。焊條電弧焊打底焊絲為ER70S-3、φ1.6m m，自動焊填充蓋面焊絲為E R70S-6、φ1.0mm，峰值電流為145～285A，基值電流為95～175A。焊接過程中通過熔池監(jiān)控系統(tǒng)觀察熔池狀態(tài)，如圖11所示。焊接過程中及時調(diào)整焊接參數(shù)，并將焊接完成的管件進行無損檢測及理化分析，焊縫表面和內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)缺陷，所有焊件均通過核一級RT檢測。

圖11 通過熔池監(jiān)控系統(tǒng)觀察熔池狀態(tài)

此外，依據(jù)RCC-M MC1350標(biāo)準對焊縫進行破壞性力學(xué)試驗，室溫拉伸試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 室溫拉伸試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

1）輔助管道全位置自動焊裝備操作簡便，運行穩(wěn)定，焊接合格率高，焊縫成形美觀，能滿足核電現(xiàn)場需求。

2）相比人工施焊，該裝備可大幅降低生產(chǎn)成本以及焊工的技術(shù)門檻，有效降低焊工的勞動強度，改善作業(yè)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率。

3）輔助管道全位置自動焊裝備完全可以勝任核級輔助管道的焊接任務(wù)，同時，該裝備可擴展應(yīng)用于石油、化工、民用等相關(guān)領(lǐng)域的管道全位置焊接工作。