田灣核電站組件筒體部件自動焊接工藝

秦國鵬，張麗英，李 峰

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓644000）

0 前言

筒體部件是田灣核電站TVS-2M高燃耗核燃料組件（以下簡稱2M組件）的關鍵組成部分之一，它位于核燃料組件的最上端，具體位置如圖1所示。筒體部件是核燃料上管座最外面的殼體，起固定保護、吊裝定位、控制組件連接口的重要作用。由于筒體部件在整個燃料組件中的重要性，如何降低產品制造難度，提升產品加工精度及質量成為組件零部件生產急需解決的重要問題之一，也是2M組件國產化必須攻克的難點之一。針對上述問題，開展了筒體部件國產化制造中的自動化焊接工藝難點攻關工作。研究成果及其后續的改進工作將對提升用戶滿意度和產品質量起到積極的推動作用。

圖1 核燃料筒體部件示意

1 筒體部件

筒體部件的組成零件有：1個上筒體、1個筒體連接板、1個下筒體、2個耳板和12個連接管護管。材質為12Х18Н10Т低鈷奧氏體不銹鋼和ХН35ВТ鎳基高溫合金[1]。筒體部件的主要連接方式為焊接和鉚接，其中焊接結構的材質均為12Х18Н10Т低鈷奧氏體不銹鋼。筒體部件手工焊工藝整體制造流程如圖2所示。

圖2 筒體部件制造流程

由于手工TIG焊變形較大，無法實現3個零件一次焊接。筒體部件手工TIG加絲焊工序如圖3所示，先焊接上筒體與筒體連接板，然后在焊縫處加工二次焊接坡口，最后焊接下筒體，整個工序共11步。同一位置需經兩次焊接，不僅生產周期長，而且兩次焊接接頭均位于筒體連接板上，影響質量因素多，生產成本和效率均無法滿足生產需求，造成了生產工藝技術瓶頸。

筒體部件主要焊接要求：①焊后連接板平面度不超過0.20 mm，筒體部件圓柱面圓度變形不超過φ0.1 mm。②焊縫尺寸：寬度6～10 mm，下凹不超過1 mm。③焊縫外觀：4～10放大鏡檢查，焊縫無未焊到、未焊透、燒穿、灼傷、裂紋、針狀氣孔、表面氣孔、夾鎢、非金屬夾雜物。④宏觀金相（100倍）：不允許出現未熔合、未焊透、氣孔、裂紋等缺陷。⑤晶間腐蝕傾向：按GB/T 4334執行，無晶間腐蝕傾向。

圖3 筒體部件手工TIG加絲焊工序

2 筒體部件自動焊接工藝

2.1 研究方案

采用KUKA KR 5 arc型機器人系統以及高能量密度的氦弧TIG自動焊接技術。由于氦弧TIG自動焊技術具有熔透深度大、焊接變形小的特點，可將原手工焊不同階段的8個焊接層次（2條焊縫分別打底加絲）合并為1～2個焊接層次（見圖4）。手工焊11個工序可簡化為1個自動焊接工序。自動焊工藝預計可縮短生產周期1倍以上，提高焊接效率。具體方案為：首先進行焊接電源及CNC系統適應性改造；然后設計加工焊接試樣，進行焊接試驗；在此基礎上設計產品焊接結構、自動化焊接夾具、輔助量檢具；之后研究編制自動焊接控制程序及生產過程質量控制措施；最后形成焊接工藝文件，確保生產出合格產品。

圖4 自動焊筒體部件示意

2.2 設備整合改造研究

筒體部件為不對稱焊接結構，坡口與工件對焊槍行程有一定的干涉，焊接時必須變換焊接轉角、傾角，同時配合焊槍或夾具的圓周運動才能完成。為適應筒體部件精密自動焊接研究，須對設備進行適應性改造，解決自動焊系統的軟硬件整合問題。焊接機器人系統由機器人本體、焊接變位器（外部軸）、數字焊接電源、冷卻系統、保護氣裝置、焊接填充金屬送絲系統等幾部分組成。其中機器人部分有6個自由度（主軸），焊接變位器有回轉與翻轉2個自由度（主軸），還有送絲時間、送絲速度、冷卻水起止、保護氣起止等十幾種電子軸參數。此外，由于焊接起始條件、結束條件、焊接順序、焊接層次的不同，每道焊縫的行程邏輯、起止判斷標準均不同，整個自動化焊接程序的設計是一個系統化工程，必須均衡焊接質量和焊接效率。改造后變位器、機器人、送絲機構、焊機實現一體化集成，可在同一編程界面進行自動焊程序編制。整合改造研究效果如圖5所示。

2.3 焊接夾具的設計制造

自動焊夾具設計分為焊接夾具模塊、快速更換模塊兩個部分，兼顧焊接質量和效率。焊接夾具設計效果如圖6所示。

圖5 系統整合研究效果

焊接夾具模塊：直接與核電堆芯產品接觸，保證焊接零件定位準確可靠并能有效抑制焊接殘余應力[2]和控制焊接變形。為保證產品清潔度和控制系統穩定性，夾具材料選用無磁耐蝕防銹材料；為抑制焊接變形及焊接應力，夾具材質的熱容量與不銹鋼接近且有一定的硬度；為保證散熱和結構強度，夾具定位盤上均布圓孔及錐臺。夾具設計偏重于保證上下筒體圓柱體表面的焊后圓度變形，以及筒體回轉中心的軸向竄動公差控制。

快速更換功能模塊：使用夾具將焊接零件定位固定后，再將夾具連同焊件整體放置到機器人系統變位器上，通過快速接口和氣缸夾緊焊件后進行機器人自動焊接。該模塊不直接與核電產品接觸，主要保證焊接夾具模塊的可靠夾持及快速更換，提高生產效率。因此需要設計機器人與焊接夾具模塊的快速定位固定接口、氣動夾緊氣缸、冷卻接觸板，回轉密封水套、支撐架、焊接粉塵接灰盒等一系列自動焊配套功能零件。

圖6 焊接夾具設計效果

2.4 筒體部件自動焊接工藝參數

機器人自動TIG焊接參數主要有焊接位置、焊接電流、電弧電壓、鎢極間距、脈沖頻率、占空比、脈沖谷值、送絲速度、回轉速度等。此外考慮到對焊縫起始位置的填充金屬（焊絲）預熱，焊縫起始位置收弧縮孔、焊槍離開焊縫是鎢極、焊絲粘連缺陷等問題，還必須對焊接起始條件、焊接結束條件等組合參數進行研究。該組合參數包含保護氣預通氣、保氣、弧壓測試、電弧形成檢測、電流高頻引弧、電流維弧、電流熄弧、冷卻水通止、焊接電流上坡時間、焊接電流下坡時間[3]、沾鎢檢測等一系列焊接參數。且技術條件對焊縫的焊接質量要求很高，需通過外觀、液體滲透、30～100倍放大金相、抗晶間腐蝕能力測定等檢驗，焊接難度大。自動化焊接工藝參數是本次科研項目的研究關鍵之一。

2.5 自動焊接質量控制及工藝

TIG焊接屬于特種制造工藝，其焊接質量的好壞無法通過焊縫外觀來評判，所以焊接中的質量過程控制措施尤為重要。影響機器人自動TIG焊接質量的因素很多，如焊接接頭尺寸、零件配合尺寸、零件清潔度、環境清潔度、層間焊縫缺陷檢測控制、保護氛圍、機械軸重復定位精度、電子軸控制顯示精度等，均需通過研究進行科學控制以保證產品質量可靠。具體方法有：焊接試驗及工藝評定（破損取樣檢查，見圖7）；焊前、焊接、焊后過程控制；焊接生產控制試樣；定期評估自動焊質量穩定性并編寫質量分析報告。

2.6 圓筒零件焊接變形控制

由于筒體耳板的位置關系到燃料組件的吊裝和運輸接口，所以精度要求高。而耳板與上筒體的焊接是在圓柱面上進行的，如果沒有控制好制造中的焊接變形，會影響上筒體的圓度，導致上筒體耳板的位置度超差。解決方法為：運用反變形法，設計加工焊接組裝夾具，在上管座耳板焊接前對上筒體預先施加一定的反變形量，從而抵消焊接變形對上筒體耳板的位置度的影響。新設計的反變形焊接夾具效果如圖8所示。其中反變形大小的控制方法是擰緊焊接夾具上的壓緊螺母，然后用百分表測量并控制筒體部件的預壓變形量。

圖7 筒體部件焊縫組織照片

圖8 筒體部件反變形焊接夾具

3 研究結果

3.1 研究專利

研究衍生的焊接結構設計、新型焊接夾具設計已獲得“一種上管座筒體[4]”、“一種筒體與耳板焊接夾具[5]”、“一種筒體與連接板焊接夾具[6]”、“一種下筒體組裝焊接夾具[7]”等4項國家實用新型專利證書并已授權。

3.2 焊縫指標和質量

通過研究獲得了性能滿足相關技術條件要求的2M組件筒體部件焊縫。新工藝生產出的焊縫成形美觀，各項破損理化檢測結果均合格。筒體部件典型焊縫組織照片如圖9所示。同時焊接層次減少使得焊接變形量平均減小30%，自動化工藝也消除了焊接環節“人因”對產品質量的危害，顯著提升了產品的焊接質量和尺寸穩定性。

圖9 筒體部件焊縫組織照片

3.3 生產效率

筒體部件自動焊接工藝將原手工焊8個焊接層次合并為2個焊接層次，工序由原來11個簡化為1個，焊接生產效率提高100%以上，焊接工藝水平提高。合格的2M組件筒體部件自動焊接產品如圖10所示。

圖10 合格的筒體部件自動焊產品

3.4 自動化焊接設備

經過軟硬件整合研究獲得適合2M筒體部件的機器人自動焊接設備及CNC控制系統方案。改造后的機器人自動焊接系統實現了一體化集成，經驗證系統運行安全可靠，完全滿足2M組件筒體部件的自動焊工藝要求。

4 結論

通過研究田灣核電站組件筒體部件自動焊工藝，成功解決了產品制造的焊接工藝難點，理順了批量生產作業流程，保證了正常的生產秩序，并獲得4項實用新型專利授權。研究成果經過實際驗證，各項焊縫指標符合設計要求，產品焊接生產效率提高100%，焊接變形減少30%且焊接質量穩定可靠，實現了降低產品制造難度，提升產品加工精度及質量的預期目標。研究成果及其后續的改進工作將對提升用戶滿意度和產品質量起到積極的推動作用。