某核級空心葉片自動焊裝置及試驗

徐健 熊建坤 張峻銘 楊林 許德星 吳海峰 楊建平

摘要：采用機器人自動焊方法對核級空心葉片進行焊接試驗，并與手工焊進行對比，分析了焊接接頭的微觀組織和硬度分布，優化了自動焊接工藝參數。組建自動焊智能焊接系統，設計了仿形體結構工裝夾具，與多變位機工位聯動搭建自動焊生產線，完成空心葉片試驗件的試制，通過試驗驗證其生產效率較傳統手工焊接提升1倍。通過焊接數值模擬分析研究了空心葉片焊接位置和分段焊方案，并與實際葉片焊接進行對比分析，結果表明，自動焊焊接變形趨勢與實際焊接過程基本一致，焊縫成形良好。通過研究空心葉片自動焊系統，可以提高核電五級空心葉片焊接的經濟性和可靠性，更好地滿足產品質量要求，具有較大工程應用價值。

關鍵詞：核電;空心葉片;自動焊;生產線;數值模擬

中圖分類號：TG409 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）05-0016-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.04

0 ? ?前言

汽輪機空心靜葉片因其獨特的空心結構設計，具有防水蝕功能良好、質量輕、運行效率高等優點，已越來越多地應用于汽輪機機組中[1-2]。目前空心葉片通常采用手工MAG焊連接，但是手工焊存在焊接變形大、焊接質量不穩定、生產效率低、勞動強度大等缺點，已不能滿足葉片高質量制造要求。機器人焊接已成為焊接自動技術的主要標志，并有大量的焊接機器人系統應用于各類自動化生產線中[3]。自動焊因不受人為因素影響以及高度智能化，在控制焊接變形、提高生產效率等方面有著手工焊不可比擬的優越性。因此，開展空心葉片自動焊裝置及試驗研究工作非常必要。

1 核電五級空心葉片焊接需求分析

1.1 空心葉片焊接結構特點

某核級空心葉片內部是空心結構，為變截面小扭角直葉片，如圖1所示。該葉片由進汽邊、出汽邊、內弧、背弧四塊焊接而成，其中進汽邊為型鋼，其余三部分為鋼板，焊接成型后只加工出汽邊內弧。材料為X2CrNi12，屬于鐵素體不銹鋼，其焊接性主要存在熱裂傾向性、接頭耐蝕性、接頭脆化性三大特點[4]，板厚4.2±0.2 mm，具有薄壁弱剛性特點。

該葉片共4條焊縫，每條焊縫長約1.4 m。焊接時由于焊接溫度場分布不均勻，導致葉片膨脹和收縮不均勻，使葉片內部產生較大的焊接應力，極易引起角變、彎曲、扭曲等焊接變形[5]。

開發基于機器人的空心葉片焊接裝置，圍繞空心葉片變截面結構特點，研究合適的焊接示教方法、機器人智能焊接系統集成及生產線設計，并結合數值仿真分析確定焊接順序，最終研究出具有生產指導意義的自動焊裝置及工藝。

1.2 空心葉片自動焊研究內容和難點

空心葉片要實現自動化焊接需要研究的內容及難點如下：

①智能焊接系統集成，包括激光掃描與跟蹤、系統整體集成、多工位的聯動生產。

②工裝夾具設計，如何保證工件定位的快速與準確、夾緊的可靠與牢固。

③生產線系統設計，圍繞生產線的柔性化配置布局，如何兼顧生產效率。

④焊接有限元仿真分析，計算焊接變形與收縮量，確定焊縫分段數量和焊接順序。

⑤自動焊工藝研究開發，包括焊接參數調整、坡口裝配錯邊與間隙尺寸不均勻帶來的影響。

2 核電五級空心葉片自動焊接裝置

2.1 智能焊接系統

智能焊接系統如圖2所示，由六軸焊接機器人、激光掃描傳感器、焊接電源、散熱機構和焊接過程監控器組成。激光掃描傳感器固定在六軸焊接機器人末關節上，與焊槍空間位置保持固定，負責焊接軌跡的掃描和跟蹤;焊接軌跡采用機器人示教方式實現。

2.2 工裝夾具設計

空心葉片焊縫坡口為非均勻曲面，焊接裝配難度大。因此焊接時的裝夾、定位以及翻轉需要一套裝夾工裝與雙軸變位機來配合執行，確保工件焊接時的精確定位和夾緊功能[6]。該葉片工裝夾具由法蘭盤、下仿形體、上仿形體、氣缸機構和導向裝置構成，采用仿形體結構和氣動方式聯合控制。

葉片工裝夾具如圖3所示。上仿形體和下仿形體分別與空心葉片背弧面的內外表面相互貼合實現葉片的固定;下仿形體直接固定在法蘭盤上，上仿形體依靠絲杠鎖緊機構實現與下仿形體之間的相互運動來實現空心葉片的安裝與拆卸，且在夾緊葉片后可以實現自鎖;導向裝置由導向柱和導向套構成實現上下仿形面移動導向;依靠氣缸機構實現對葉片的夾緊。該工裝依靠仿形面與葉片接觸，固定牢靠，不會引起過大的接觸應力;工裝與葉片的接觸面積不大，對葉片焊接過程的自然變形影響較小。

2.3 自動焊生產線設計

自動焊生產線設計總體基于智能焊接系統設計，采用2個胎位同時焊接，既能兼顧機器人工作效率，又能保證焊接質量。生產線方案設計如圖4所示，自動焊生產線系統包括1套導軌式機器人移動平臺、2套葉片雙軸翻轉變位機系統、2套葉片搬運軌道小車、2個葉片存放支架?？招娜~片通過葉片專用工裝夾具裝卡在雙軸翻轉變位機上;焊接機器人通過滑行軌道實現在多個變位機工位之間的自由切換。

自動焊生產線工藝流程如圖5所示，具體生產操作流程為：葉片完成裝卡定位后，通過激光掃描定位及示教后啟動葉片的焊接，工位1和工位2在完成1～4段焊接后進行雙工位的自由切換，分段焊接完成后需要對自動焊的接頭處進行打磨并冷卻，確保焊接質量的同時有效控制焊接層溫與變形，隨后依次完成5～10段的焊接，其中出汽邊位置由于采用的X型坡口需要對其背面清根，在全部焊接完成后人工方式拆卸葉片，完成一組葉片的焊接。

3 空心葉片焊接試驗

3.1 焊接有限元模擬仿真

利用SYSWELD軟件，采用雙橢球熱源模型對焊接過程進行模擬分析[7]。假設均勻溫度場和焊接拘束度均等的條件下，分析空心葉片的焊接變形趨勢，并計算出合理的焊縫分段及順序。

空心葉片的焊接變形特征如圖6所示。進汽邊葉尖端部向內弧面方向變形;出汽邊葉尖端部向內弧面方向變形，出汽邊根部向背弧面方向變形;空心葉片橫截面的內弧面趨向于被拉直趨勢，背弧面趨向于被壓彎趨勢。焊接變形模擬分析結果表明，六段焊（見圖7）在葉片中間截面的凹彎曲變形得到有效的控制，其焊接變形小于三段焊（見圖8）。

3.2 自動焊試驗

3.2.1 自動焊試驗流程

為了驗證空心葉片自動焊裝置的可行性和焊接模擬仿真結果的準確性，通過對葉片自動化試驗研究開發制定了一套適合產品生產的焊接裝置及工藝流程，可有效提升葉片生產效率，確保焊接變形與質量可控，具體試驗流程如圖9所示。

3.2.2 焊接工藝參數

自動焊工藝主要參數有焊接電流、焊接速度、電弧電壓、保護氣體流量等。每一項參數都直接影響焊接質量，而且各個參數之間相互影響，相互制約，為了得到滿意的焊縫，必須使各項工藝參數合理匹配[8]。

采用由焊接工藝評定試驗得出的工藝參數和焊接模擬分析的兩種焊接分段順序分別進行焊接試驗，具體參數如表1所示。試驗結果表明：在焊接時應盡量采取擺動焊接，擺動至兩邊停頓使之熔合良好;同時由于進汽邊坡口間隙不均勻，按相同焊接速度焊接，焊縫呈現不規則和不均勻，在坡口間隙寬的位置焊縫余高偏低，相反在坡口間隙窄的位置焊縫余高明顯偏高。通過反復分析試驗，將焊接速度控制在0.17 m/min為宜。

3.2.3 葉片自動焊

根據前期試驗得出的焊接順序和焊接工藝參數對核電五級空心葉片進行自動焊試制并記錄試驗數據，試驗過程和焊后實物分別如圖10、圖11所示，試驗后數據檢測結果表明，焊接變形量和焊縫質量均符合設計和檢驗要求。

4 核電五級空心葉片自動焊分析

4.1 焊接工藝評定分析

為了得到合格的焊接接頭，必須進行焊接工藝評定試驗。試驗按標準ISO 15614-1進行評定，試驗母材為X2CrNi12，選用AWS ER309L T0-4藥芯焊絲，焊后對接頭進行無損和理化檢驗，各項評定結果均為合格。

對焊縫熔敷金屬和基材化學成分進行分析，如表2所示，可以看到焊縫中大部分合金元素含量相比焊材變化較小，而Cr和Ni元素的含量有所降低，這很可能與合金元素電弧燒損有關?；钠骄睾孔兓淮?，符合母材規范值要求。

焊接接頭不同區域的微觀組織照片如圖12所示?；慕M織主要由鐵素體組成，其組織照片如圖12a所示。圖12b為熱影響區組織，可以看到由于焊接熱循環的作用，該區域鐵素體晶粒粗大，形成了鐵素體+低碳馬氏體的組織。圖12c為焊縫微觀組織照片，焊縫主要為枝晶狀奧氏體晶粒組織，晶粒較為細小，其上分布著少量δ-鐵素體。接頭不同分層位置的硬度分布如圖13所示，焊縫中心區域硬度較高，而焊縫邊緣靠近熔合線位置硬度較低，與母材硬度很接近。結合顯微組織來看，焊接接頭組織呈現明顯的不均勻性，焊縫中心組織晶粒細小均勻，在熱影響區有顯著的晶粒粗化現象，母材組織晶粒相對粗大。這是由于焊后冷速較大且不均勻，焊縫液態金屬再結晶過程中，化學元素來不及擴散，出現化學元素分布不均勻引起的偏析現象。

4.2 自動焊與手工焊對比分析

4.2.1 焊接變形分析

自動焊與手工焊焊接變形對比如表3所示。可以看出，自動焊1#和2#葉片在F-F截面6點位置變形值為0，與標準要求最小值超差-5，自動焊2#葉片在F-F截面7點和8點位置變形值分別為11.2和10.8，與標準要求最大值超差1.2。手工焊1#和2#葉片在F-F截面6點位置變形值分別為2和2.5，與標準要求最小值超差-3和-2.5。

自動焊與手工焊焊后的葉片在F-F截面6點位置的型線都超差，說明在該位置產生了焊接彎曲變形，自動焊2#葉片在F-F截面7點和8點位置的變形與6點位置的變形疊加形成了扭曲變形。但是自動焊和手工焊的焊接變形值超差可以通過校形解決，這也是葉片制造過程中不可缺少的工藝環節。

原因分析：手工焊在焊接前已進行了一道加固焊，保證了葉片的整體剛性，且手工焊采用七段焊，自動焊采用三段焊，因此手工焊的焊接變形相對自動焊較小，充分說明焊接變形與焊縫分段和順序密切相關。

4.2.2 生產效率分析

自動焊和手工焊分兩種工位（2工位和4工位）進行對比分析，按8 h/天的工作量計算，生成效率對比見表4。分析得出：自動焊（4工位）與自動焊（2工位）對比，人均生產效率提高17.1%;手工焊（4工位）與手工焊（2工位）對比，人均生產效率提高20.3%;自動焊（2工位）與手工焊（4工位）對比，人均生產效率提高31.3%。綜上可知，采用自動焊（2工位）相比其他三種具有穩定的焊接質量和較高的生產效率。

5 結論

采用手工MAG焊和機器人自動焊方法對核電五級空心葉片進行焊接試驗，并完成了自動焊智能焊接系統的組件，設計搭建了自動焊生產線，完成空心葉片試驗件的試制，獲得合格的空心葉片試驗件。

（1）組建了完善的自動焊智能焊接系統，并采用激光掃描傳感器對焊接軌跡進行掃描和跟蹤，激光掃描快速穩定，保證系統運行穩定可靠。利用自動焊智能焊接系統和多臺變位機共同搭建了空心葉片自動焊生產線，實現了多工位的聯動和高質高效生產，采用的雙胎位布局，生產效率相比手工焊提升1倍。

（2）根據葉片結構特點和自動焊裝焊要求設計了葉片工裝夾具，采用仿形體結構和氣動方式聯合控制，能有效保證焊接時的精確定位和裝夾牢固。此外，葉片裝夾時與工裝仿形面接觸并固定，接觸應力較小，能有效控制葉片焊接變形。

（3）利用SYSWELD有限元分析軟件，采用雙橢球熱源模型對焊接過程進行了模擬分析，結果表明葉片裝配焊接變形趨勢與實際焊接過程基本一致。采用六段焊接方案時，葉片中間截面的凹彎曲變形小于三段焊方案，但為了保證生產效率，仍采用出汽邊兩段和進汽邊三段焊接的方案，其焊接變形稍大，但保證了變形在可控范圍內。

（4）采用自動焊方法進行空心葉片試件焊接，優化了空心葉片最佳焊接工藝參數，焊縫成形良好。對焊接接頭的微觀組織和硬度分布進行了分析，結果表明焊縫組織為奧氏體，在其周圍夾雜著少許碳化物。焊縫中心晶粒細小均勻，而熱影響區晶粒相對粗化。接頭焊縫中心區域硬度較高，而焊縫邊緣靠近熔合線位置硬度較低，與母材硬度很接近。

參考文獻：

姚秀平，余茂錚，孫弼.核電600 MW汽輪機末級空心靜葉去濕設計研究[J].動力工程，1998，18（4）：7-14.

王新軍，高鐵瑀，徐延相.汽輪機空心靜葉去濕縫隙結構的研究[J].熱能動力工程，2005，20（1）：14-17.

董娜，盛仲曦，鄧勇軍，等.汽輪機空心葉片機器人焊接激光輔助示教[J].電焊機，2013，43（12）：57-60.

邱金輝.淺析汽輪機葉片金屬材料焊接技術[J].中國金屬通報，2018（4）：159-160.

中國機械工程學會.焊接手冊：1，2，3卷（第3版）[M].北京：機械工業出版社，2007.

陳煥明.焊接工裝設計[M].北京：航空工業出版社，2010.

陳楚，張月嫦.焊接熱模擬技術[M].北京：機械工業出版社，1985.

賈安東.焊接結構與生產[M].北京：機械工業出版社，2007.