CAP1400核電站空氣導流板用鋁合金自動MIG焊設備的研發

劉 偉，孟 超

山東核電設備制造有限公司，山東 海陽 265100

0 前言

空氣導流板作為非能動安全殼冷卻系統（PCS）的重要組成部分，是非能動反應堆站特有設備之一，為核安全3級（SC-3）、抗震Ⅰ類部件，其設計與制造標準為AA/ADM-2010（Aluminum Association's Aluminum）。空氣導流板的主要材料為5454-H32鋁合金，于國內首次制造和應用，產品接頭形式主要為不熔透角焊縫，其焊接強度和精度對安全殼冷卻系統的剛度和被動安全性能極為重要。三門核電、山東核電4個依托化核電機組的空氣導流板均采用手工MIG焊，根據空氣導流板產品生產經驗來看，使用手工MIG焊，空氣導流板的每條焊縫需要焊接4道，且焊后需打磨修補，才能滿足技術條件的要求，平均每件空氣導流板產品焊接時間約1.5 h，打磨修補約1.5 h，效率低下。另一方面，鋁屬于有色金屬，焊接過程會產生大量有毒有害的懸浮顆粒，且鋁合金焊接時極易產生氣孔、裂紋等焊接缺陷，加之型材較薄，采用手工MIG焊極易出現焊接變形等問題。在空氣導流板的焊接過程中引入自動焊技術，既能提高焊接質量和焊接效率，又能有效改善操作者焊接環境，降低職業病出現的風險，保證核電裝備的順利運行與長期服役，為國產核電關鍵部件儲備新型技術，為后續鋁合金相關結構的核電關鍵零部件的制備提供參考。

1 總體工藝分析

空氣導流板包括A型板、B型板、C型板、導流裝置和支撐結構等，A、B、C型板和導流裝置材質為5454-H32鋁合金（抗拉強度為277～279 MPa、屈服強度為209～215 MPa、延長率為11%～12%）［1］，支撐結構材質為碳鋼。空氣導流板產品焊縫過于復雜，單條焊縫一次成形困難且分布在三維空間，需要對分布在不同位置的焊縫進行焊接。相同型號的空氣導流板產品即使在相同位置上，其焊縫位置也必然存在偏差，而焊縫偏差會造成焊接質量下降。單個CAP1400核電站機組中的空氣導流板部件，長直焊縫多達2 128條，焊縫總長度約為5 500 m，其中A型板焊縫4條，B型板焊縫8條，C型板焊縫4條，單條長直焊縫長度為2 265 mm，接頭方式為角接。面板厚3.5 mm，背板厚3.5 mm，底板厚6.5 mm，頂板厚6.5 mm，側板厚6.5 mm，連接板厚16 mm；面板、背板與側板之間的角度為90°，面板、背板與連接板的角度為69°、79.5°，焊縫高度3 mm，焊接位置為平角焊，單層單道焊接成形，接頭形式如圖1所示。焊前鋁合金型材需要進行陽極氧化，焊后焊縫進行100%目視檢測+100%液體滲透檢測。

圖1 板材之間的接頭形式Fig.1 Joint form between plates

根據空氣導流板產品5454-H32鋁合金型材板厚薄、焊接易變形的結構特點，有針對性地制定自動焊接工藝，嚴格控制焊接變形及焊接缺陷［9］以保證空氣導流板部件達到工藝要求。

（1）結合鋁合金焊接易變形特點制定自動焊工藝。鋁合金在焊接過程中極易發生變形。采取措施：①焊前設置合理的裝配間隙及定位焊間距；②利用工裝夾具對型材產生的支撐、頂緊、拉緊、下壓作用來改善型材整體和局部的焊接變形趨勢［2］；③配備一套視覺跟蹤系統，在焊接過程中實現機器人焊接軌跡根據焊接變形進行自動校正。

（2）結合鋁合金焊接易產生氣孔特點制定自動焊工藝。空氣導流板焊接技術條件要求所有焊縫進行100%目視檢測+100%液體滲透檢測，焊縫應與母材表面圓滑過渡，其表面不得有裂紋、氣孔、未熔合等缺陷。但是在進行MIG焊時，由于弧柱溫度高，熔滴細小、比表面積大，易于吸氫，且熔池深度大，不利于氫氣逸出［3］。采取措施：①在熱輸入滿足要求的前提下，選擇合理的焊接參數；②控制焊接現場的空氣濕度，焊前清理其邊緣水分、油污和氧化膜；③選擇一個高性能的電源，可實現在幾乎無電流狀態下的熔滴過渡，以縮短電弧熱輸入時間，大幅降低熱輸入量，且電弧穩定；④焊絲伸出長度、噴嘴與焊件間距離合適［10］；⑤具有焊接可達性好的特點，可使單條焊縫一次成形。

（3）結合手工焊接鋁合金出現的問題制定自動焊工藝。手工焊接鋁合金時會產生大量有毒有害懸浮顆粒［4］，為保證人員安全，在焊工焊接一個時間段之后必須進行人員更換，并且人工焊接過程中會出現停歇過程。另一方面，由于焊工技能水平原因和手工定位限制，會導致整體焊縫出現質量差異。參考上述狀況，自動焊設備必須達到參數能夠滿足空氣導流板焊接技術要求，實現單個子產品的所有焊縫可通過機器人編程及變位翻轉焊接完成，確保焊接的高質量、高精度、高效率和高可靠性。

2 總體設計方案及工作原理

2.1 總體要求

該自動焊接設備可實現單個子產品的所有焊縫通過機器人編程及變位翻轉一次性焊接完成。

2.2 工藝流程的實現性分析

工作流程為：翻轉工裝至合適位置，人工定位將工件安裝在工裝上，對工件正面焊縫進行船形焊位置調整，調整完畢弧焊機器人按示教尋位焊接路徑→起弧焊接→依次焊接正面各條焊縫→工件正面焊接完畢；回轉橫梁帶動機器人回轉90°，此時翻轉工裝帶動工件進行翻轉，翻轉完畢，回轉橫梁回歸焊接位置進行工件反面焊接→弧焊機器人按示教尋位焊接路徑→起弧焊接→依次焊接反面各條焊縫→工件背面焊接完畢，翻轉工裝至合適位置，人工吊裝卸下工件，進行下一循環，以此類推。

2.3 設計的設備方案

（1）機器人焊接前，先將工件進行人工拼裝點焊處理，并人工打磨點焊位置，在必要位置進行預焊，然后人工裝夾到變位機工裝上，自動焊接設備對其進行自動焊接。

（2）操作系統具備通用性好、可靠性高、編程簡單等特點［5］，可控制焊槍在工件回轉圓周上任意角度范圍內進行焊接，焊接前能預先旋轉至設定的始焊位置，然后按設定的焊縫角度范圍焊接。

（3）設置氣動夾具及擴展模塊，以便工件自動定位和夾緊，適合多品種工件的焊接。

（4）設備本體床身采用分體式結構，拆裝方便，方便調整中心高度，由型鋼拼焊而成，焊后經過退火、噴丸處理，有效去除焊接內應力、防止變形。

（5）設備在焊接操作時一致性好，同一焊接參數，同一焊接品種，只需調校一次。

（6）設備整體布局合理，外形美觀，各種管線無裸露在外，地面部分使用線槽，空中部分將相鄰管線集中包裹捆扎。

2.4 自動焊接設備總體構成

全套自動焊設備示意如圖2所示。自動化焊接設備包括C型倒掛1、焊接機器人（FNAUC M-20iD/12L）12、四驅式頭尾架焊接變位機2/3、焊接工裝4、焊縫跟蹤激光相機（FUJI-CAM）6、自動化焊接電源（Fronius TPS 500i）9、自動化焊槍11、自動清槍剪絲裝置5、PLC控制柜7、安全防護10等。機器人配合單軸C型倒掛和單軸頭尾式變位機，可有效保證焊達率和焊接姿態。采用人工裝卸工件，工裝定位壓緊，利用外圍設備和六軸機器人自身的姿態變換完成工件的焊接工作。

圖2 自動焊設備示意Fig.2 Schematic diagram of automatic welding equipment

機器人選用FANUC公司生產的FANUC M-20iD/12L，該機器人采用電纜內置式結構，增大了旋轉軸的中空手腕直徑，強化了手臂剛性，通過高速、高精度的動作提高生產效率，適合各種弧焊應用。

減少電弧熱輸入熱量的時間，大幅降低熱輸入量，控制其焊接熱變形及減少氣孔的產生。焊機使用奧地利福尼斯公司Fronius TPS 500i焊機，設備使用簡便，功能多樣化。采用其PMC程序工藝數據包，能對薄鋁板進行完美對接焊接，成形好，且變形小，速度快；可控制熔滴大小向工件熔池的過渡，達到最佳的低飛濺效果。

焊縫跟蹤系統采用FUJI-CAM激光跟蹤系統，該系統是一款非接觸式激光視覺系統，采用成熟可靠的光學和傳感控制技術，可以幫助機器人快速、精準地對定位焊縫，在工件裝配有誤差時確保焊槍位置準確，實現完美焊接。FUJI-CAM具有自適應焊接模塊，可以自動調整焊接參數，應對接頭幾何尺寸變化，優化焊縫尺寸，從而消除焊接缺陷和減少過量焊接。

2.5 機械系統組成與結構

2.5.1 工裝夾具及變位機方案

頭尾架固定式單回轉焊接變位機采用優質型材焊接而成，經過退火處理，保證其長期運行精度。主動機構可實現升降運動和旋轉運動，均采用伺服電機同步雙驅，可自由編程，任意位置可停，有效保證運動精度。

可升降頭尾式變位機用于調整工件的焊接姿態，使焊縫盡量處于最佳焊接位置。變位機升降通過伺服電機、減速機和絲杠連接，直線導軌和滑塊導向，具有滑動阻力小、升降平穩、壽命長等特點；變位機旋轉通過伺服電機、減速機與齒輪連接，齒輪和回轉支承嚙合，驅動變位機轉盤旋轉，具有旋轉平穩、承載能力強等特點，可與機器人系統聯合進行軌跡插補。通過多點定位、壓緊，可以保證工件放置位置的準確，使用氣缸壓緊，有效降低工人勞動強度，提高工作效率。

2.5.2 焊槍的可達性方案

自動焊設備變位機采用多軸聯動多電機同步驅動結構，完成工件空間位置確定。焊槍可達性部分包括C型倒掛和機械人手臂，采用焊接機器人倒掛的形式，避免了因機械臂長度有限而造成的缺陷，C型倒掛和機器人手臂相互配合，完成焊槍姿態和空間位置調整［11］。通過各軸聯動和焊縫跟蹤激光相機的配合，確定工件位置和完成自動焊接。

2.5.3 遠距離送絲方案

焊接機器人遠距離送絲有諸多難點，如送絲距離太長，會造成延遲送絲，送絲不同步的現象，也會導致焊絲容易在各接頭處出現頂死的現象導致無法送絲。為應對這些難點，采用推拉絲結合的方式，機器人前端部置一拉絲電機，與送絲機協同送絲，解決延遲送絲的現象。針對焊絲在接頭處容易出現卡絲的現象，對各個接頭處的所在機構內部增設了送絲軟管，并且在各送絲軟管前后部增設夾持器，防止送絲軟管由于焊絲送進產生的頂動使送絲軟管異位，避免卡絲，有效降低了送絲不暢的問題。

2.6 長焊縫結構的三維復雜焊縫跟蹤系統

焊縫跟蹤采用激光跟蹤，利用機器人在行進過程中，非接觸式激光視覺系統的傳感器視場范圍來幫助機器人快速、精準地定位焊縫。激光視覺系統工作原理如圖3所示，左邊為焊槍擺動過程中視覺系統反饋示意，t0時刻焊槍從擺動中心位置向右擺動，t1時刻到達最右端，然后向左擺動，t2時刻到達中心位置，t3時刻到達最左端后再次向右擺動，到達t4時刻再次到達擺動中心時完成一個周期的擺動。從視覺反饋信息圖中可明顯判斷出焊槍此時與焊縫的相對位置，對這個波動進行分析就能得到焊槍擺動中心與焊縫中心的位置關系，控制焊槍位置從而實現焊縫跟蹤，幫助機器人快速、精準地對焊縫進行定位，在工件裝配有誤差時確保焊槍位置準確，可以自動調整焊接參數，應對接頭幾何尺寸變化，優化焊縫尺寸，消除焊接缺陷和減少過量焊接。

圖3 激光視覺系統工作原理示意Fig.3 Working principle of laser vision system

考慮到鋁合金MIG焊過程中會產生大量煙塵，長時間焊接會使煙塵粘附在激光掃描探頭的濾光片上，最終導致激光掃描精度下降，影響焊縫跟蹤效果。因此，本設備的焊縫跟蹤系統附有自清潔結構，在行進焊接的同時，采用壓縮氣體吹拂的方式對激光掃描探頭進行清潔，吹掉粘附的煙塵，使得焊縫跟蹤系統正常運行。

2.7 控制系統組成與結構

2.7.1 控制系統主體方案

控制系統是基于工業計算機的多軸數控系統，采用現場總線控制方式實現多軸電機聯動控制任務。使用焊縫跟蹤激光相機完成工件表面焊縫的尋位，可實時對擺動焊接中的電流電壓信號采樣，對因下料時坡口不規則及焊接過程中產生的變形進行分析得出數據修改機器人路徑，能夠自行適應焊接過程中的工件變形，在工件裝配有誤差時確保焊槍位置準確。

采用具有觸摸功能的工業液晶屏，實現人機交互。通過限位開關，保證機構運動的安全。遙控手操器可實現在焊接工件附近手動調整機構，實現焊接過程中速度的調整和焊槍位置的微調，人機交互系統可對焊接現場的實際情況做出快速響應，方便操作者使用［6］。

2.7.2 焊接機器人多軸聯動控制

焊接機器人為FANUC M-20iD/12L六軸機器人，為了實現空氣導流板產品的最佳焊接效果，對焊縫進行船型焊接。根據空氣導流板尺寸，需將機器人與C型倒掛裝置聯動，并通過變位機進行協同變位，建立多軸運動及機器人協調控制。焊接機器人多軸運動和焊縫跟蹤控制系統如圖4所示。

圖4 機器人系統多軸聯動與焊縫跟蹤控制系統示意Fig.4 Multi axis linkage and weld tracking control system of robot system

2.8 焊接路徑優化

在空氣導流板半封閉焊接環境下，針對不同位置焊縫和不同長度焊縫，進行焊接機器人路徑規劃、焊槍位置控制技術、機器人通信協調運動控制技術的研發和集成。建立機身焊縫及其特性的數字模型，確定焊接順序等約束條件。對每條焊縫以三維坐標的起點和終點、焊縫大小形狀等特性進行標識，確定焊接順序和機身干涉等約束條件，進行路徑優化，最大限度地提高焊接效率和焊接質量，減少變形。

3 焊接工藝的研發

3.1 MIG自動焊焊接工藝

在自動焊工藝評定過程中，采用與正式產品相同的母材和焊材。母材為3.2 mm和6.5 mm厚的5454-H32鋁合金板，焊接材料為ER5356 φ1.2 mm［7］；角接接頭不開坡口，要求焊腳高度達到3 mm。母材和焊材的化學成分分別如表1、表2所示。

表1 5454-H32鋁合金化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of base metal and 5454-H32 aluminum alloy（wt.%）

表2 ER5356焊絲化學成分（質量分數，%）Table 2 Chemical composition of ER5356 welding wire（wt.%）

焊前使用火焰噴槍噴烤母材以去除板材水分，整個焊接過程中采用不擺動單焊縫一次成形，焊接參數為：焊接電流169 A，焊接電壓22 V，焊接速度70 cm/min，保護氣體為99.999%Ar，氣體流量為15 L/min，焊槍角度30°～70°，預熱溫度20 ℃［8］。

3.2 試驗與結果

對焊接工藝評定試件進行目視及液體滲透檢測，焊縫外觀檢測合格，焊縫與母材表面圓滑過渡，其表面無裂紋、未熔合、氣孔、焊瘤、夾渣及過燒等缺陷，焊縫成形美觀，如圖5所示，滲透檢測結果符合AWS D1.2中的5.17小節的要求。依據AWS D1.2/D1.2M-2014及相關技術規格書，對試件進行了宏觀金相和斷裂試驗。試樣取樣位置如圖6所示，試驗結果如圖7、圖8所示。

圖5 焊縫外觀形貌Fig.5 Appearance of weld seam

圖6 理化試樣取樣位置Fig.6 Sampling position of physical and chemical samples

圖7 宏觀金相試驗結果Fig.7 Macro metallographic test results

圖8 斷裂試驗結果Fig.8 Breaking test result chart

各項理化試驗結果如表3、表4所示，均為合格，VT和PT結果均符合空氣導流板產品焊接工藝評定技術條件規定。

表3 角焊縫斷裂試驗結果Table 3 Results of fillet weld breaking test

表4 宏觀金相試驗結果Table 4 Macro metallographic test results

4 結論

（1）設計了一種用于核電用空氣導流板產品使用的氣體保護自動焊焊接設備，該設備焊接效率高、質量穩定。

（2）焊后的焊縫美觀，速度快、焊后打磨量少，產生氣孔情況較傳統手工MIG焊有較大改觀。

（3）焊接速度穩定，工裝壓卡能力較強，熱輸入量低，所以焊后變形量比手工MIG焊相比小得多，在很大程度上解決了尺寸變形的問題。

（4）設備操作相對簡單，非焊接專業對計算機有一定基礎的人員即可勝任，且焊縫成形對人的技能依賴性不強，并且減少了對施焊人員身體的損害。

（5）實現了自動焊在核電用空氣導流板產品上的應用，智能化程度高，有較高的擴展性，為國內核電首例。