燃料棒壓力電阻焊機控制系統的研制

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，是焊接科學技術的重要組成之一，廣泛應用于機械制造、造船、海洋開發、航空、航天、原子能、電子技術、汽車制造等工業部門。我國在壓水堆核燃料棒的生產中，主要采用高真空電子束焊和氦弧焊，但在新引進的VVER燃料元件的生產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的預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，利用電流流經包殼管與端塞的接觸面及鄰近區域產生的電阻熱使焊接面的金屬被加熱至高溫塑性狀態，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的結構原理如圖1所示，

圖1

焊接工藝流程為：手動或利用自動上端塞機構將端塞送入端塞夾頭中進行夾持→包殼管置于上料架→壓輪壓下進料→焊室密封滑塊向右運動密封焊室→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→施加預壓力→預壓力保持1500ms～2000ms→施加焊接壓力進行頂鍛→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的總體結構設計

鋯管壓力電阻焊機的設計需符合下列相關電氣技術要求：所有測量儀表應實現軟件化；焊接參數需由計算機設定、顯示、儲存和生成報表；焊機系統需采用計算機控制，控制模式包括手動、調整（測位功能）與自動（單支、連續）方式；

焊機控制系統要求可靠、穩定，且具有必要的聯鎖保護功能；控制系統應具備基本的故障診斷功能，即有輸入輸出狀態表和電源及氣源氣壓異常、參數超限等報警功能，且報警指示燈亮時，設備應立即停止，并保持原狀；焊機設備應具備急停控制功能，以處理突發故障；同時，應具有暫停功能；焊機系統的控制界面要美觀友好，且操作簡單。

焊機系統要能完成焊接工藝參數及部分參數限值的設定，并可實現關鍵參數的采集及修正，具體要求如表1所示。在進行壓力電阻焊接時，工藝參數需由計算機設定和顯示；限值設定是用以控制焊接過程中工藝參數，檢測參數是否符合工藝要求；采集是用以工藝參數的反饋，并由計算機儲存。

表1

4 燃料棒壓力電阻焊機的控制系統

4.1 虛擬儀器技術

虛擬儀器的核心思想是借助計算機的軟硬件資源，實現硬件技術的軟件化和虛擬化，降低系統成本，增強系統的功能與靈活性。軟件在虛擬儀器系統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框架包括VISA庫、設備驅動程序、應用軟件三個部分，其軟件結構如圖2所示。

圖2

VISA庫即標準的I/O函數庫及相關規范的總稱，駐留于計算機系統之中，用以連接計算機與儀器設備，實現對儀器的控制。設備驅動程序是用以實現應用程序對設備的控制，可在應用程序中調用。應用軟件位于設備驅動程序之上，為開發人員提供了多種功能函數庫，用以拓展儀器的功能，同時為用戶提供了友好的操作界面。

LabVIEW是虛擬儀器領域中最具普適性的圖形化編程開發工具，是當前國際上應用最廣效果最佳的數據采集與控制開發軟件之一，主要應用于儀器控制、數據挖掘、數據分析與顯示等領域，適用于多種不同的操作系統。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程序編制的普通工程設計人員，具有編程簡潔、直觀性強、人機交互界面友好、數據可視化分析與設備控制能力優等特點。

4.2.壓力電阻焊機的系統功能實現

鋯管壓力電阻焊接工藝流程為：端塞夾持→進料→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→復位。在工藝流程中，機械動作由氣動電磁閥控制的氣缸來完成，并利用限位開關檢測動作是否到位，采用傳感器測量焊接過程中的重要焊接參數。

5 焊機系統抗干擾技術設計

微機控制的壓力電阻焊機工作的電磁環境是比較惡劣的，焊機在工作時不僅要受到從電網上傳來的“噪聲”干擾，焊接電源本身也是一個很強的干擾源，象電源內部的逆變電路開關電流和變壓器繞組電流、電壓的變化以及焊接時負載線上的電流頻繁變化都會產生高頻噪聲。因此，在整個焊機的研制工作中，始終將抗干擾性能作為焊機設計和制作時首先考慮的問題之一，并從硬件和軟件兩個方面采取了一系列抗干擾措施，有效地保證了系統穩定可靠地工作。

6 工藝試驗

6.1 焊接試驗參數

壓力電阻焊接是由壓力、電流與時間三個重要參數共同作用的結果，因此，三者之間的適當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。

根據對焊接工藝參數的研究，經過多次焊接試驗可知，壓力為700Kgf～800Kgf、時間為30ms～50ms，電流應選擇斜坡式，且不應低于15000A。斜坡式電流先線性上升至i0，在一定時間內線性上升至i1，再線性下降，完成焊接。具體試驗參數如表2：

表2

6.2 試驗結果

采用上表所示參數來進行重復多次的端塞壓力電阻焊接試驗，試樣的各項檢驗指標均滿足工藝技術要求。經超聲檢測，焊縫密實區寬度都大于1.5mm；通過對試樣進行縱剖金相檢驗，焊縫兩側熱影響區分布合理，對試樣進行橫剖金相檢驗，焊縫圓周上未產生未熔合缺陷。

結語

燃料棒壓力電阻焊機的研制成功，打破了又一項國外先進核國家對燃料元件生產工藝、設備的壟斷，填補了國內壓水堆燃料棒生產循環使用國產設備的又一項空白，不僅及時解決了含釓燃料棒的生產問題，而且對于掌握燃料棒壓力電阻焊接工藝原理、設備結構，以及培養技術人員隊伍都具有重大意義，為壓力電阻焊接工藝的進一步推廣使用打下堅實基礎。

本焊機焊接電流動態響應速度快，焊接電流穩定；控制系統設計合理，結構緊湊、精確可靠，充分發揮了本系統的高可靠性、強抗干擾性，實現了高壓充氦密封焊接工藝過程自動化，數據采集系統實現了焊接電流、焊接壓力等焊接參數的采集、儲存和打印；具有數據歷史查詢系統及輸出功能，達到了預期的目的，現在已經保質保量的完成了三個周期的生產任務。

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