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(guān)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(hù)、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(chǎn)品制造難度，提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量成為組件零部件生產(chǎn)急需解決的重要問題之一，也是2M組件國產(chǎn)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(chǎn)化制造中的自動化焊接工藝難點攻關(guān)工作。研究成果及其后續(xù)的改進(jìn)工作將對提升用戶滿意度和產(chǎn)品質(zhì)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(hù)管。材質(zhì)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(jié)構(gòu)的材質(zhì)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(xiàn)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(jīng)兩次焊接，不僅生產(chǎn)周期長，而且兩次焊接接頭均位于筒體連接板上，影響質(zhì)量因素多，生產(chǎn)成本和效率均無法滿足生產(chǎn)需求，造成了生產(chǎn)工藝技術(shù)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(xiàn)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(zhí)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(jī)器人系統(tǒng)以及高能量密度的氦弧TIG自動焊接技術(shù)。由于氦弧TIG自動焊技術(shù)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(yù)計可縮短生產(chǎn)周期1倍以上，提高焊接效率。具體方案為：首先進(jìn)行焊接電源及CNC系統(tǒng)適應(yīng)性改造；然后設(shè)計加工焊接試樣，進(jìn)行焊接試驗；在此基礎(chǔ)上設(shè)計產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)、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(chǎn)過程質(zhì)量控制措施；最后形成焊接工藝文件，確保生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。

圖4 自動焊筒體部件示意

2.2 設(shè)備整合改造研究

筒體部件為不對稱焊接結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)角、傾角，同時配合焊槍或夾具的圓周運動才能完成。為適應(yīng)筒體部件精密自動焊接研究，須對設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性改造，解決自動焊系統(tǒng)的軟硬件整合問題。焊接機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人本體、焊接變位器（外部軸）、數(shù)字焊接電源、冷卻系統(tǒng)、保護(hù)氣裝置、焊接填充金屬送絲系統(tǒng)等幾部分組成。其中機(jī)器人部分有6個自由度（主軸），焊接變位器有回轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)2個自由度（主軸），還有送絲時間、送絲速度、冷卻水起止、保護(hù)氣起止等十幾種電子軸參數(shù)。此外，由于焊接起始條件、結(jié)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(biāo)準(zhǔn)均不同，整個自動化焊接程序的設(shè)計是一個系統(tǒng)化工程，必須均衡焊接質(zhì)量和焊接效率。改造后變位器、機(jī)器人、送絲機(jī)構(gòu)、焊機(jī)實現(xiàn)一體化集成，可在同一編程界面進(jìn)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(shè)計制造

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

圖5 系統(tǒng)整合研究效果

焊接夾具模塊：直接與核電堆芯產(chǎn)品接觸，保證焊接零件定位準(zhǔn)確可靠并能有效抑制焊接殘余應(yīng)力[2]和控制焊接變形。為保證產(chǎn)品清潔度和控制系統(tǒng)穩(wěn)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(yīng)力，夾具材質(zhì)的熱容量與不銹鋼接近且有一定的硬度；為保證散熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，夾具定位盤上均布圓孔及錐臺。夾具設(shè)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(zhuǎn)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(jī)器人系統(tǒng)變位器上，通過快速接口和氣缸夾緊焊件后進(jìn)行機(jī)器人自動焊接。該模塊不直接與核電產(chǎn)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(chǎn)效率。因此需要設(shè)計機(jī)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(zhuǎn)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(shè)計效果

2.4 筒體部件自動焊接工藝參數(shù)

機(jī)器人自動TIG焊接參數(shù)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(zhuǎn)速度等。此外考慮到對焊縫起始位置的填充金屬（焊絲）預(yù)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(jié)束條件等組合參數(shù)進(jìn)行研究。該組合參數(shù)包含保護(hù)氣預(yù)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(shù)。且技術(shù)條件對焊縫的焊接質(zhì)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(shù)是本次科研項目的研究關(guān)鍵之一。

2.5 自動焊接質(zhì)量控制及工藝

TIG焊接屬于特種制造工藝，其焊接質(zhì)量的好壞無法通過焊縫外觀來評判，所以焊接中的質(zhì)量過程控制措施尤為重要。影響機(jī)器人自動TIG焊接質(zhì)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(huán)境清潔度、層間焊縫缺陷檢測控制、保護(hù)氛圍、機(jī)械軸重復(fù)定位精度、電子軸控制顯示精度等，均需通過研究進(jìn)行科學(xué)控制以保證產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)控制試樣；定期評估自動焊質(zhì)量穩(wěn)定性并編寫質(zhì)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(guān)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(jìn)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(dǎo)致上筒體耳板的位置度超差。解決方法為：運用反變形法，設(shè)計加工焊接組裝夾具，在上管座耳板焊接前對上筒體預(yù)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(shè)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(yù)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(jié)果

3.1 研究專利

研究衍生的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計、新型焊接夾具設(shè)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(quán)。

3.2 焊縫指標(biāo)和質(zhì)量

通過研究獲得了性能滿足相關(guān)技術(shù)條件要求的2M組件筒體部件焊縫。新工藝生產(chǎn)出的焊縫成形美觀，各項破損理化檢測結(jié)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(huán)節(jié)“人因”對產(chǎn)品質(zhì)量的危害，顯著提升了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定性。

圖9 筒體部件焊縫組織照片

3.3 生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品如圖10所示。

圖10 合格的筒體部件自動焊產(chǎn)品

3.4 自動化焊接設(shè)備

經(jīng)過軟硬件整合研究獲得適合2M筒體部件的機(jī)器人自動焊接設(shè)備及CNC控制系統(tǒng)方案。改造后的機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)實現(xiàn)了一體化集成，經(jīng)驗證系統(tǒng)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(jié)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(chǎn)品制造的焊接工藝難點，理順了批量生產(chǎn)作業(yè)流程，保證了正常的生產(chǎn)秩序，并獲得4項實用新型專利授權(quán)。研究成果經(jīng)過實際驗證，各項焊縫指標(biāo)符合設(shè)計要求，產(chǎn)品焊接生產(chǎn)效率提高100%，焊接變形減少30%且焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了降低產(chǎn)品制造難度，提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量的預(yù)期目標(biāo)。研究成果及其后續(xù)的改進(jìn)工作將對提升用戶滿意度和產(chǎn)品質(zhì)量起到積極的推動作用。