鐘建偉 盛國福 余國嚴(yán) 付思特

摘要：針對核燃料組件上管座的產(chǎn)品焊接特點(diǎn)，基于KUKA弧焊機(jī)器人研制了自動化焊接工作站。利用焊接機(jī)器人示教尋位實(shí)現(xiàn)上管座一條焊縫多段變速變焊接電流的焊接。試驗結(jié)果表明，所研制的上管座焊接工作站能夠滿足核燃料組件制造領(lǐng)域上管座小批量自動化焊接生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：KUKA弧焊機(jī)器人;燃料組件;上管座

中圖分類號：TG409 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）11-0115-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.21

0 前言

壓水堆核燃料組件上管座是核燃料組件的重要部件，由框板和帶圍板的連接板焊接而成[1]。兩塊板上管座焊接方式有鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）和電子束焊接[2-3]。與電子束焊接相比，上管座采用TIG焊接時，雖然存在不銹鋼焊接性能差、焊后焊縫熔寬較寬且熔深淺、焊接變形量大的問題，但具有設(shè)備構(gòu)造簡單、費(fèi)用低、維護(hù)簡易等優(yōu)點(diǎn)。本研究以KUKA弧焊機(jī)器人為基礎(chǔ)，開發(fā)與之配套的上管座裝配變位器、水冷循環(huán)系統(tǒng)，以期探索燃料組件上管座TIG焊接制造新模式，提升離散產(chǎn)品制造自動化水平。

1 焊接工作站構(gòu)成

基于自動化焊接的諸多優(yōu)勢，國內(nèi)外陸續(xù)采用自動或半自動機(jī)器人的方式實(shí)現(xiàn)相貫線或直線焊縫的焊接，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、勞動條件得以改善、生產(chǎn)效率提高等優(yōu)點(diǎn)。其中，采用通用弧焊機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)上管座焊縫半自動焊接過程時，機(jī)器人運(yùn)動軌跡是根據(jù)示教器人為設(shè)定的工藝路線進(jìn)行焊接，存在以下幾個難點(diǎn)：焊接過程中尋找焊縫較為困難;焊接機(jī)器人位置一旦固定，工作空間確定，可達(dá)性較差;焊接過程中工件一旦發(fā)生變形，焊槍會偏離理想的焊接軌跡，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量，需對焊槍位置進(jìn)行糾正，而機(jī)器人焊接時很難實(shí)時修改焊接軌跡，無法隨時調(diào)整焊槍位置。上管座焊接具有以下特點(diǎn)：上管座兩塊板不開破口不填充金屬焊接;一條直線焊縫處有薄壁段與厚壁段兩段;不銹鋼焊接散熱差需水冷系統(tǒng)帶走熱量來減小焊接變形量;四條焊縫兩兩對稱焊接。如何做好上管座工件的機(jī)器人焊接，保質(zhì)保量地完成小批量生產(chǎn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)一條焊縫多段變速變焊接是考驗焊接工作站工藝設(shè)計人員以及操作人員技術(shù)水平的關(guān)鍵。

上管座4條焊縫的焊接采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG），同時為減小變形，焊接時工件需通冷卻水進(jìn)行冷卻，且采用對稱焊接的方式。根據(jù)上管座焊接加工特點(diǎn)和要求，焊接工作站采用六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人配合變位器和旋轉(zhuǎn)夾具組合協(xié)同方案。設(shè)備由KUKA弧焊機(jī)器人、機(jī)器人控制柜、TT3000 JOB焊機(jī)、雙軸變位機(jī)、觸摸屏、管座焊接夾具、組對點(diǎn)焊夾具和冷卻水箱等組成。構(gòu)成以PLC控制器為核心，控制其他設(shè)備按工藝執(zhí)行，滿足焊接需求，焊接工作站的設(shè)計圖和關(guān)鍵部位實(shí)物如圖2所示，其配置了靈活的六軸機(jī)械手和兩軸外部軸，可完成復(fù)雜軌跡的焊接，適應(yīng)不同類型的工件，柔性高;焊接速度快、變形小;采用PLC作為主控制單元，可完成復(fù)雜的焊接工藝過程控制。

基于KUKA弧焊機(jī)器人工作站對上管座進(jìn)行焊接，技術(shù)要求如表1所示。

采用線切割制備金相試樣，經(jīng)熱鑲嵌后依次用400#、800#、1200#金相砂紙拋光，再經(jīng)過絨布拋光。使用金相腐蝕液觀察金相組織，腐蝕液體積百分含量為：40%鹽酸、30%硝酸、20%丙三醇和30%雙氧水。

2 焊接工序與編程

燃料組件上管座上框板和帶圍板的連接板自動TIG焊接前，在組對點(diǎn)焊夾具上進(jìn)行定位、壓緊、手工點(diǎn)焊點(diǎn)定，先點(diǎn)定每條邊的邊角一點(diǎn)，最后在中間進(jìn)行點(diǎn)定，每條邊共計三點(diǎn)，每點(diǎn)焊縫長度8～10 mm，如圖2所示。

上管座組對點(diǎn)焊后，將工件放在變位器的點(diǎn)焊夾具上，工件的定位孔與夾具的銷釘配合后氣動壓緊。機(jī)器人自動焊接采用熔化鎢極氣體保護(hù)焊，工件對稱施焊前，使用庫卡機(jī)器人在線軟件或離線編程技術(shù)，來規(guī)劃機(jī)器人運(yùn)動軌道、變位器翻轉(zhuǎn)、焊接順序、焊接參數(shù)調(diào)用等。自動點(diǎn)焊時，變位器翻轉(zhuǎn)軸帶動工件自動翻轉(zhuǎn)90°使焊縫處于水平狀態(tài)，焊接時工件不動，機(jī)器人自動按預(yù)設(shè)程序進(jìn)行直線型焊縫焊接;完成單面焊接后，夾具不松開，雙軸變位器旋轉(zhuǎn)軸帶動工件自動旋轉(zhuǎn)180°，機(jī)器人繼續(xù)對工件進(jìn)行焊接，如此反復(fù)直至4條焊縫完成焊接。本研究基于KUKA弧焊機(jī)器人的KUKA smartHMI即庫卡智能人機(jī)界面進(jìn)行在線示教編程，由于上管座粗加工后一條待焊直線段長度為214.5 mm，其中兩端的板簧槽段各25 mm長的直線段需加快焊接速度，以減少焊接熱輸入量，防止焊接坍陷;上管座4條焊縫中每段焊縫的板簧槽與中間164.5 mm的部分調(diào)用的JOB不同，兩端板簧槽段的焊接速度為0.2 m/min，中間長直線段的焊接速度為0.12 m/mim，焊接鎢極角度15°，距離工件距離0.5～0.7 mm，自動焊接示教程序如下：

1 PTP HOME Vel= 100%? DEFAULT

2 LIN P1 CONT Vel=2 m/s CPDAT 1 Tool[1]： t1 Base[0]

3 LIN P2 CONT Vel=0.2 m/s CPDAT2 Tool[1]： t1 Base[0]

4 WAIT Time=1 Sec

5 ARCON WDAT1 LIN P14 Vel=2 m/s CPDAT15 Tool[1]： t1 Base[0]

6 ARCSWI WADT2 LIN CPDAT16 Tool[1]： t1 Base[0]

7 ARCSWI WADT3 LIN CPDAT17 Tool[1]： t1 Base[0]

8 ARCOFF WDAT4 LIN P16 CPDAT18 Tool[1]： t1 Base[0]

9 WAIT Time=5 Sec

10 LIN P3 CONT Vel=2 m/s CPDAT3 Tool[1]： t1 Base[0]

11 LIN P4 CONT Vel=2 m/s CPDAT4 Tool[1]： t1 Base[0]

12 LIN P5 CONT Vel=0.2 m/s CPDAT5 Tool[1]： t1 Base[0]

13 WAIT Time=1 Sec

14 ARCON WDAT5 LIN P18 Vel=2 m/s CPDAT19 Tool[1]： t1 Base[0]

15 ARCSWI WADT6 LIN CPDAT20 Tool[1]： t1 Base[0]

16 ARCSWI WADT7 LIN CPDAT21 Tool[1]： t1 Base[0]

17 ARCOFF WDAT8 LIN P20 CPDAT22 Tool[1]： t1 Base[0]

18 WAIT Time=5 Sec

19 LIN P6 CONT Vel=2 m/s CPDAT6 Tool[1]： t1 Base[0]

20 LIN P7 CONT Vel=2 m/s CPDAT7 Tool[1]： t1 Base[0]

21 LIN P8 CONT Vel=0.2 m/s CPDAT8 Tool[1]： t1 Base[0]

22 WAIT Time=1 Sec

23 ARCON WDAT9 LIN P21 Vel=2 m/s CPDAT23 Tool[1]： t1 Base[0]

24 ARCSWI WADT10 LIN CPDAT24 Tool[1]： t1 Base[0]

25 ARCSWI WADT11 LIN CPDAT25 Tool[1]： t1 Base[0]

26 ARCOFF WDAT12 LIN P19 CPDAT26 Tool[1]： t1 Base[0]

27 WAIT Time=5 Sec

28 LIN P9 CONT Vel=2 m/s CPDAT9 Tool[1]： t1 Base[0]

29 LIN P10 CONT Vel=2 m/s CPDAT10 Tool[1]： t1 Base[0]

30 LIN P11 CONT Vel=0.2 m/s CPDAT11 Tool[1]： t1 Base[0]

31 WAIT Time=1 Sec

32 ARCON WDAT13 LIN P20 Vel=2 m/s CPDAT27 Tool[1]： t1 Base[0]

33 ARCSWI WADT14 LIN CPDAT28 Tool[1]： t1 Base[0]

34 ARCSWI WADT15 LIN CPDAT29 Tool[1]： t1 Base[0]

35 ARCOFF WADT16 LIN P31 CPDAT30 Tool： t1 Base[0]

36 WAIT TIME=5 Sec

37 LIN P12 CONT Vel=2 m/s CPDAT12 Tool[1]： t1 Base[0]

38 LIN P13 CONT Vel=2 m/s CPDAT13 Tool[1]： t1 Base[0]

39 PTP P22 CONT Vel=50% CPDAT14 Tool[1]： t1 Base[0]

40 PTP HOME Vel=50% DEFAULT

41 WAIT Time=2 Sec

42 END

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)存在因上管座零部件加工尺寸誤差、變位器旋轉(zhuǎn)位置偏差以及機(jī)器人本身重復(fù)精度等因素，機(jī)器人在起弧點(diǎn)、收弧點(diǎn)及兩者之間，鎢極距離工件距離位置偏離示教路徑，需修正原有示教軌跡。如設(shè)備能增加電弧跟蹤器，借助KUKA提供的ArcSense工藝程序包調(diào)用電弧傳感提供焊縫信息，自動修正原來示教位置軌跡以自動調(diào)解鎢極距離工件的距離，可提高加自動化水平，簡化工作操作并提高焊縫焊接穩(wěn)定性，有利于控制產(chǎn)品質(zhì)量。

3 焊接試驗

采用KUKA弧焊機(jī)器人的焊接工作站對上管座進(jìn)行焊接工藝試驗，焊接時不開坡口，不填加焊絲，交替焊接順序進(jìn)行對稱施焊，如圖3所示。

進(jìn)行焊接工藝試驗時，上管座的4條邊采用不同的焊接參數(shù)，如表2所示。

試驗結(jié)果表明，基于國產(chǎn)AISI304L不銹鋼材料，當(dāng)焊接電流過小時，焊接電流為≤190A，焊接速度為0.12 m/min，焊縫精加工到產(chǎn)品尺寸時，熔深為2.06 mm，小于最小熔深值（2.5 mm）;焊接速度為0.12 m/min時，當(dāng)焊接電流為200 A，焊縫精加工后熔深為2.82 mm，焊接前后空腔收縮量約0.35 mm;焊接速度增至220 A，焊縫精加工后熔深為2.90 mm，焊接前后空腔收縮量約0.42 mm，熔深的金相顯微組織如圖4所示。焊接電流增大至220 A時，熔深值變化不大，但焊接后管座的內(nèi)腔變形量增大，可見國產(chǎn)不銹鋼焊接時，焊接線能量密度增大只能使焊縫寬度增加，熔深增加不明顯，這可能與國產(chǎn)不銹鋼材料原材料成分含S量較少有關(guān)，當(dāng)S含量在0.008%～0.030%時，TIG焊接過程中熔池S在焊接過程形成氣泡并揮發(fā)，利于熔池金屬沿著電弧方向攪拌流動，增大熔深，反之國產(chǎn)原材料中含S量較少，熔池張力不夠，加上TIG點(diǎn)焊的焊接特點(diǎn)[4-5]，熔池橫向流動，熔深隨焊接熱量的增大變化不明顯。

上管座4條焊縫的晶間腐蝕金相照片如圖5所示，焊縫區(qū)域未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。

上管座實(shí)體焊接完成后，經(jīng)過液體滲透檢查后（滲透劑型號DPT-P，滲透時間20 min、清洗劑型號DPT-R，擦拭后干燥5 min、顯像劑DPT-D，顯像時間10 min），發(fā)現(xiàn)無焊接缺陷顯征。

4 結(jié)論及展望

結(jié)合燃料組件上管座產(chǎn)品的焊接特點(diǎn)，設(shè)計了基于KUKA弧焊機(jī)器人的焊接工作站，介紹了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接工藝試驗，完成了產(chǎn)品焊接，設(shè)備投入小、靈活度大，可實(shí)現(xiàn)科研及小批量產(chǎn)品制造，為同類型焊接提供了參考，總結(jié)如下：

（1）針對燃料組件上管座的焊接特點(diǎn)，以KUKA弧焊機(jī)器人為核心，配套相應(yīng)的工裝夾具，研制出上管座自動化焊接工作站。

（2）通過KUKA機(jī)器人在線軟件示教編程，實(shí)現(xiàn)了上管座自動焊接運(yùn)動編程，并通過焊接工藝試驗驗證，焊接工作站完成的上管座焊接，實(shí)體試樣的熔深、晶間腐蝕、滲透等檢驗合格，可實(shí)現(xiàn)上管座的產(chǎn)品制造。

（3）需增加電弧跟蹤，自動修正自動焊接時示教位置軌跡以自動調(diào)解鎢極距離工件的距離，提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳寶山， 劉承新. 輕水堆燃料元件[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2] 李莎. 燃料組件上管座單元件國產(chǎn)化焊接工藝研究[J].核動力工程，2014，35（S1）：110-112.

[3] 秦國鵬，張麗英. 國產(chǎn)AISI 304L上管座電子束焊接工藝研究[C]. 中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報告（第四卷），2015： 127-131.

[4] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會. 焊接手冊-焊接方法及設(shè)備[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[5] 陳淑惠. 焊接方法與設(shè)備[M]. 北京：高等教育出版社，2009.