鐘磊 馮濤 郭中才 金寶

摘要：為解決采用傳統(tǒng)工藝制造水電轉輪體過流面焊接時出現(xiàn)的工作量大、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差和勞動強度高的問題，文中基于電弧增材技術特點并分析其工藝難點，開發(fā)了一種適用于大型轉輪體過流面的電弧增材新制造工藝。結果表明該工藝技術有效可行，保證了過流面增材尺寸的一致性，實現(xiàn)了焊接質(zhì)量穩(wěn)定高效、降低工人勞動強度，達到了降本增效的效果。

關鍵詞：電弧增材;機器人焊接;轉輪體

中圖分類號：TG457.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0063-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.12

0? ? 前言

水電轉輪體主要針對燈泡貫流式水輪機與立軸軸流式水輪機的轉輪，是水電機組中的主要核心部件。機組運行過程中受河水浸蝕和泥沙沖刷，為防止轉輪體表面的空蝕和磨損，在轉輪體過流面需焊接不銹鋼層[1]。

轉輪體過流面區(qū)域按結構特點可分為柱面段和球面段。其中球面段帶有葉片軸孔，根據(jù)水力特性軸孔數(shù)量一般選擇為3～5個，球面段過流面被葉片軸孔沿周向去除了部分球面區(qū)域，呈現(xiàn)出異形球面特點。目前轉輪體不銹鋼層焊接大多采用手工焊接，具有工作量大、焊層厚度不均勻、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差等問題，會導致局部缺量或加工后出現(xiàn)表面缺陷的情況。

因此，如何高效率、高質(zhì)量、低成本地實現(xiàn)轉輪體過流面不銹鋼層的焊接成為轉輪體制造工藝中非常重要的一環(huán)。文中采用基于熔化極氣體保護焊的電弧增材方式，不僅工藝操作方便，而且生產(chǎn)效率高，已成為目前電弧增材制造領域的主要方式，在大型復雜焊接結構件的制造上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢[2]。

1 重點難點分析

水輪機轉輪體過流面不銹鋼層電弧增材制造的原理是以轉輪體過流面三維數(shù)模數(shù)據(jù)為基礎，通過電弧增材方式逐層沉積和累加實現(xiàn)轉輪體整個過流面不銹鋼層的焊接。

以某電站大型水輪機轉輪體為例，如圖1所示，其材質(zhì)為ZG20SiMn，過流面不銹鋼層材料采用奧氏體材料，最大外形尺寸為φ2 300 mm×3 700 mm，單件總質(zhì)量約為150 t，不銹鋼層的焊材消耗量可達7 t。

其電弧增材工藝難點主要有：

（1）電弧增材的內(nèi)部缺陷控制。

電弧增材的內(nèi)部缺陷會較大程度影響轉輪體不銹鋼層在使用過程中的可靠性。因此對電弧增材過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量可靠性要求極高。

在基體上堆焊奧氏體材料時，因鑄件本體對焊縫的稀釋，當工藝控制不當時，易在過渡區(qū)焊縫組織中產(chǎn)生硬脆馬氏體組織，從而增大產(chǎn)生裂紋的風險[3]。為增加不銹鋼層塑韌性及抗裂性，可通過優(yōu)化工藝參數(shù)使理想狀態(tài)下在奧氏體不銹鋼堆焊層中含有一定數(shù)量的δ鐵素體，δ鐵素體對防止堆焊部位開裂或裂紋起著重要作用[4]。

此外，針對電弧增材制造過程中因金屬熔覆不充分導致的孔洞問題，可在確保增材成形精度的基礎上，適當提高部件預熱溫度，降低孔洞率[5-6]。

（2）電弧增材的成形精度。

電弧增材成形精度是評價電弧增材制造構件質(zhì)量的重要指標。針對水輪機轉輪體，要確保過流面堆焊層厚度尺寸的一致性，過流面增材后應滿足加工需求避免缺量，并達到加工后堆焊層最小厚度尺寸要求。

轉輪體過流面加工后堆焊層厚度要求一般為5～8 mm，考慮到堆焊層加工量及找正誤差，所以加工前堆焊層厚度一般不超過18 mm。文中在轉輪體過流面電弧增材時，采用沿水平方向橫擺單層焊接方式，通過計算機器人橫向擺寬與相關參數(shù)的關系實現(xiàn)轉輪體過流面堆焊層厚度的有效控制。

（3）電弧增材的軌跡規(guī)劃。

由于轉輪體過流面球面段焊接軌跡區(qū)域為異形球面，其起弧/收弧位置隨著層高位置發(fā)生變化，如采用示教方案進行軌跡規(guī)劃，需通過人工觀察來進行起弧、?；↑c的修正，嚴重影響生產(chǎn)效率。因此必須通過轉輪體軌跡算法實現(xiàn)機器人軌跡自動規(guī)劃。

2 轉輪體電弧增材制造

轉輪體過流面電弧增材焊接單元采用帶外部聯(lián)動軸的機器人焊接單元，可配合轉臺實現(xiàn)轉輪體機器人焊接。該機器人焊接單元采用十字操作架結構，中心為回轉軸。其工作半徑4.1 m，高度范圍為0～4 m，可滿足大型轉輪體的機器人自動焊接需求，如圖2所示。

為更好地實現(xiàn)電弧增材過程的連續(xù)性以及焊縫內(nèi)部的質(zhì)量控制，采用藥芯CO2氣體保護焊，具有生產(chǎn)效率高、焊縫成形美觀、焊后熔渣薄且易去除，適于機器人自動焊接等優(yōu)點[7]。

根據(jù)ASME標準規(guī)范要求完成焊接工藝評定，并制定了電弧增材焊接工藝，具體參數(shù)如表1所示。

2.1 機器人離線編程

2.1.1 機器人運動仿真

為保證機器人在轉輪體過流面焊接過程中具備良好的焊接姿態(tài)及操作自由度，通過機器人運動仿真實現(xiàn)部件機器人單元的放置規(guī)劃，如圖3所示。

根據(jù)轉輪體結構特點，將機器人單元中心與待焊區(qū)域中心對齊，在滿足焊接姿態(tài)以及操作自由度的前提下，仿真模擬后得出當機器人單元中心距轉輪體中心最小距離為2 700 mm時，可滿足轉輪體電弧增材需求。

2.1.2 機器人橫擺參數(shù)規(guī)劃

按轉輪體過流面區(qū)域的不同，其擺動參數(shù)規(guī)劃方案如下：

（1）轉輪體柱面段。

堆焊層厚度由機器人橫擺參數(shù)與焊接姿態(tài)決定。單層焊接時，焊炬應設置為垂直于焊道軌跡且姿態(tài)不變，此時堆焊層厚度就等于橫擺寬度。

（2）轉輪體球面段。

堆焊層厚度主要由橫擺寬度、待焊層高度以及焊接姿態(tài)決定。焊炬同理也應設置為垂直于焊道軌跡且姿態(tài)不變。轉輪體堆焊層厚度尺寸示意如圖4所示，其中R為球面半徑，H為待焊層高度，d為堆焊層厚度，W為擺寬，可得出機器人橫擺參數(shù)計算公式如下：

2.1.3 電弧增材軌跡規(guī)劃

電弧增材軌跡規(guī)劃方案基于機器人編程語言以及焊道軌跡算法，在標準機器人程序模板中進行編輯完成，無需定制開發(fā)或采用專用焊道規(guī)劃軟件。

根據(jù)過流面區(qū)域的不同，轉輪體電弧增材軌跡規(guī)劃方式可分為轉輪體整圓焊接段和帶孔球面段，如圖5所示。具體方案如下：

（1）轉輪體整圓焊接段。

該過流面區(qū)域需借助轉臺配合完成電弧增材，其單層焊道軌跡為整圓，程序規(guī)劃采用現(xiàn)場示教方式進行，單層焊道完工后可通過程序設置抬高量，自動進行下一層焊道的增材。

（2）轉輪體帶孔球面段。

該過流面區(qū)域電弧增材的單層焊道軌跡為圓弧，程序軌跡規(guī)劃的核心是規(guī)劃每層焊道的起弧、維弧及收弧點相對于程序基準坐標值的算法，單層焊道完工后通過程序設置抬高量，自動計算下一層焊道軌跡的坐標值。

以起弧點坐標計算為例，首先依次計算起弧點相對于軸孔中心BASE1的關系以及轉輪體中心BASE與軸孔中心BASE1的關系，然后借助機器人語言中的坐標變換功能就可以實現(xiàn)起弧點相對于轉輪體中心BASE的坐標算法，如圖6所示。

2.2 電弧增材過程

（1）轉輪體根部焊道下方可通過弧形墊條，滿足根據(jù)焊道焊接襯墊需求。

（2）采用電加熱設備進行焊前預熱，在轉輪體內(nèi)腔布置加熱片，分區(qū)域進行預熱。

（3）通過轉輪體劃線方式建立基準坐標系，并校正離線程序基準。

（4）正式增材焊接前進行離線程序調(diào)試，確認程序無誤。

（5）轉輪體過流面增材可同時采用2～3套機器人單元進行。帶孔球面段可分區(qū)域同時進行增材;柱面段可借助轉臺按不同層高同時進行增材，如圖7所示。轉輪體過流面電弧增材過程可通過兩次旋轉及一次翻身，完成過流面全部電弧增材。

2.3 結果分析

通過電弧增材技術在大型轉輪體過流面的實際應用，并根據(jù)加工后檢驗結果可得出，采用電弧增材技術比手工焊接單人效率提高約5倍，且電弧增材成形精度比人工焊接方式有大幅提升，如圖8所示，詳細效果對比如表2所示。

3 結論

（1）采用電弧增材技術實現(xiàn)了水電轉輪體過流面不銹鋼層焊接的新制造工藝。

（2）該技術在某電站機組的實際應用表明，與傳統(tǒng)手工焊接工藝相比大幅提升了焊接質(zhì)量穩(wěn)定性和焊接效率，保證了過流面不銹鋼層尺寸的一致性，實現(xiàn)了焊接質(zhì)量穩(wěn)定高效、工人勞動強度降低，達到降本增效的效果。

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