劉金平，陳鵬，王象元，馮英超，潘國偉，董赟華，張健，李作慧

1.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

2.核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司 北京 101300

1 序言

根據(jù)國家“十四五”規(guī)劃和“碳達峰”“碳中和”目標(biāo)，核電行業(yè)將迎來新的快速增長。核電領(lǐng)域的企業(yè)只有通過加大科研能力和科技成果應(yīng)用，提升實效，降低成本，增強核心競爭力，才能繼續(xù)保持行業(yè)領(lǐng)先地位。對中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司（以下簡稱“中核二三公司”）來說，面臨的既是機遇也是挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對“雙碳”目標(biāo)，中核二三公司大力推廣自動化焊接技術(shù)，以推動先進焊接施工技術(shù)的應(yīng)用與普及。項目部通過梳理現(xiàn)場施工量發(fā)現(xiàn)，風(fēng)管預(yù)制具有數(shù)量多、規(guī)格少、結(jié)構(gòu)及焊接工藝相對簡單但焊接質(zhì)量要求高的特點，具備采用自動化焊接設(shè)備的條件。

為此，本文將對VVER堆型風(fēng)管彎頭智能化焊接技術(shù)進行研究，采用集成式智能化焊接裝備配套風(fēng)管彎頭自動焊工藝，提高公司焊接自動化水平，在一定程度上實現(xiàn)縮短施工周期、降低施工成本的目的。此外，在創(chuàng)造可觀經(jīng)濟效益的同時，提升企業(yè)品牌價值，增強核心競爭力。據(jù)統(tǒng)計，某核電站3號、4號機組碳素鋼風(fēng)管展開面積超4萬m2，比第一代俄標(biāo)田灣核電站3號、4號機組多出近1萬m2，風(fēng)管對接和彎頭數(shù)量多，且每個彎頭包含多條焊縫。

2 風(fēng)管彎頭焊接簡介

2.1 風(fēng)管自動焊技術(shù)

目前，中核二三公司自主研發(fā)的非核級風(fēng)管直焊縫MAG自動焊技術(shù)于2020年3月首次應(yīng)用于核電建造安裝領(lǐng)域，實現(xiàn)了風(fēng)管焊接在效率和質(zhì)量上質(zhì)的飛躍。以某項目部應(yīng)用情況為例，非核級風(fēng)管自動焊效率比手工焊提升5倍以上，焊接合格率均在98%以上。應(yīng)用范圍涵蓋φ200～φ1000mm、板厚2～3mm的風(fēng)管預(yù)制長直縱焊縫。

雖然風(fēng)管自動焊技術(shù)在項目上得到了成功應(yīng)用，效率得到明顯提升（見表1），但僅適用于長直風(fēng)管對接焊縫，并未覆蓋圓風(fēng)管環(huán)焊縫、彎頭環(huán)焊縫和方風(fēng)管角焊縫等[1]，導(dǎo)致風(fēng)管自動焊技術(shù)應(yīng)用覆蓋率較低。

2.2 風(fēng)管彎頭信息統(tǒng)計

經(jīng)焊接數(shù)據(jù)分析，風(fēng)管焊接中彎頭的困難程度最大，因此本文將針對風(fēng)管彎頭進行工藝研究。

經(jīng)統(tǒng)計，某核電站3號、4號機組碳素鋼風(fēng)管彎頭的長度大部分為1500mm以內(nèi)，直徑為200～800mm，厚度大部分為1.5mm、2mm（見圖1）。

表1 某項目非核級風(fēng)管焊接效率對比

圖1 風(fēng)管彎頭示意

2.3 風(fēng)管彎頭組對形式

如圖2所示，風(fēng)管焊縫主要為對接I形坡口，采用單面焊雙面成形工藝，組對間隙為0～1mm。

圖2 風(fēng)管坡口形式

2.4 自動焊風(fēng)管彎頭預(yù)制流程

自動焊風(fēng)管彎頭預(yù)制流程：先決條件檢查→劃線下料→剪切→折方或卷圓→組對→自動焊接（風(fēng)管自轉(zhuǎn)）→框架加固→清理焊縫→焊后無損檢測[2]。

3 弧焊機器人視覺識別系統(tǒng)

選用安川AR2010機器人，其具有以下特點：重復(fù)定位精度高，誤差為±0.08m m，動態(tài)范圍2010mm；適用于弧焊，預(yù)留通信接口，并能與常用焊接電源和激光傳感器等通信。

選用松下YD-350GS系列焊接電源進行風(fēng)管彎頭MAG自動焊單面焊雙面成形工藝的研究。該系列焊接電源具有以下特點：數(shù)字焊接電源，最大焊接電流350A，且能適用于不同厚度的碳素鋼、不銹鋼材料焊接；具有專門針對用戶焊接材料的專家程序；配備高速脈沖軟件；焊接效率高，熔深大，飛濺小，焊縫成形美觀；預(yù)留數(shù)字通信接口，精準(zhǔn)控制焊接參數(shù)。

視覺傳感器需完成圓風(fēng)管對接環(huán)焊縫識別和圓風(fēng)管彎頭內(nèi)外角焊縫的高速識別，選用型號為DRROBOT-LT01的視覺傳感器，主要參數(shù)見表2，可識別焊縫形式如圖3所示。

表2 DR-ROBOT-LT01視覺傳感器主要參數(shù)

圖3 DR-ROBOT-LT01視覺傳感器可識別焊縫形式

4 焊接參數(shù)對焊縫成形的影響研究

4.1 材料及工藝選擇

試驗選用Q235B碳素鋼板材，焊接材料為碳素鋼實芯焊絲ER50-6（GB/T 8110—2008），規(guī)格φ 1.0m m，母材力學(xué)性能見表3，E R50-6的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表4、表5。保護氣體選用80%Ar+20%CO2混合氣體。

本文選用智能焊接機器人匹配專用工裝進行工藝的研發(fā)，因此焊接位置為平焊位置，并采用單一變量法進行工藝試驗理論分析研究[3]。

表3 Q235B碳素鋼力學(xué)性能 （MPa）

表4 ER50-6化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表5 ER50-6力學(xué)性能

4.2 焊接電流對焊縫成形的影響

選用厚度為1.5mm的對接試板，在同一組對條件下，采用單一變量的方式研究焊接電流對焊縫成形的影響規(guī)律。平焊位置的單面焊雙面成形時，在電弧電壓為17V、焊接速度為0.8m/min、組對間隙為0.5mm的情況下，焊接電流在90～170A內(nèi)變化。不同焊接電流下焊縫正面宏觀形貌如圖4所示，焊縫背面宏觀形貌如圖5所示。

4.3 電弧電壓對焊縫成形的影響

選用厚度為1.5mm的對接試板，在同一組對條件下，采用單一變量的方式研究電弧電壓對焊縫成形的影響規(guī)律。平焊位置單面焊雙面成形時，在焊接電流為110A、焊接速度為0.8m/min、組對間隙為0.5mm的情況下，電弧電壓在13～23V內(nèi)變化。不同的電弧電壓下焊縫正面宏觀形貌如圖6所示，焊縫背面宏觀形貌如圖7所示。

4.4 焊接速度對焊縫成形的影響

選用厚度為1.5mm的對接試板，在同一組對條件下，采用單一變量的方式研究焊接速度對焊縫成形的影響規(guī)律。平焊位置單面焊雙面成形時，在焊接電流為110A、電弧電壓為19.2V、組對間隙為0.5mm的情況下，焊接速度在0.4～1.4m/min之間變化。不同焊接速度下的焊縫正面宏觀形貌如圖8所示，焊縫背面宏觀形貌如圖9所示。

圖4 不同焊接電流下的焊縫正面宏觀形貌

圖5 不同焊接電流下的焊縫背面宏觀形貌

圖6 不同電弧電壓下的焊縫正面宏觀形貌

圖7 不同電弧電壓下的焊縫背面宏觀形貌

圖8 不同焊接速度下的焊縫正面宏觀形貌

4.5 組對間隙對焊縫成形的影響

選用厚度為1.5mm的對接試板，在同一焊接參數(shù)條件下，采用單一變量的方式研究組對間隙對焊縫成形的影響規(guī)律。平焊位置單面焊雙面成形時，在焊接電流為110A、電弧電壓為19.2V、焊接速度為1.0m/min時，組對間隙在0～2mm內(nèi)變化。不同組對間隙下焊縫正背面宏觀形貌分別如圖10、圖11所示。

4.6 小結(jié)

通過對1.5mm風(fēng)管平板開展對接試驗，分析了焊接電流、電弧電壓、焊接速度和組對間隙對焊縫外觀形貌的影響規(guī)律，并確定了風(fēng)管1G位置對接最佳焊接參數(shù)。當(dāng)焊接電流為100～140A、電弧電壓為17～23V、焊接速度為0.6～1.2m/min、組對間隙為0～1.0mm時，焊接過程最穩(wěn)定，焊縫成形最好，可為后續(xù)對接試件的熱輸入探究提供參數(shù)范圍值與理論研究依據(jù)。

圖9 不同焊接速度下的焊縫背面宏觀形貌

圖10 不同組對間隙下的焊縫正面宏觀形貌

5 焊接參數(shù)對力學(xué)性能的影響

5.1 1.5mm厚風(fēng)管試板焊接熱輸入對力學(xué)性能的影響

針對厚度為1.5m m的試板，在熱輸入為11～32kJ/cm內(nèi)等梯度選取8個試件，各進行2次常溫拉伸試驗，并統(tǒng)計分析其抗拉強度，見表6。依據(jù)ПЭНАГ-7-010—1989《核動力裝置的設(shè)備和管道焊接接頭和堆焊層的檢驗規(guī)程》，要求抗拉強度≥460MPa。

由表6可知，熱輸入為11kJ/cm時，其抗拉強度為440MPa，低于要求值，且斷在熱影響區(qū)位置。由此表明，當(dāng)熱輸入＜14kJ/cm時，出現(xiàn)焊接力學(xué)性能不合格的概率增加；當(dāng)熱輸入為14～32kJ/cm時，在該范圍內(nèi)隨熱輸入的增大，抗拉強度上下浮動范圍較小，均為512～536MPa，拉伸性能無明顯變化。因此，焊接熱輸入取值最好為14～32kJ/cm。

表6 1.5mm厚風(fēng)管不同熱輸入下的焊接參數(shù)

5.2 2.0mm厚風(fēng)管試板焊接熱輸入對力學(xué)性能的影響

針對厚度為2.0m m的試板，在熱輸入為12～36kJ/cm內(nèi)等梯度選取8個試件，各進行2次常溫拉伸試驗，并統(tǒng)計分析其抗拉強度值，見表7。依據(jù)ПЭНАГ-7-010—1989《核動力裝置的設(shè)備和管道焊接接頭和堆焊層的檢驗規(guī)程》，要求抗拉強度≥460MPa。

表7 2.0mm厚風(fēng)管不同熱輸入下的焊接參數(shù)

由表7可知，當(dāng)熱輸入為12～36kJ/cm時，在該范圍內(nèi)抗拉強度呈先增加后穩(wěn)定最后降低的趨勢。在熱輸入為12kJ/cm時，其抗拉強度為416MPa，低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，且斷在焊縫處，出現(xiàn)部分氣孔及夾渣現(xiàn)象。在熱輸入為16～32kJ/cm時，隨著熱輸入的增大，抗拉強度上下浮動范圍較小，其拉伸性能無明顯變化。當(dāng)熱輸入為36kJ/cm時，抗拉強度略有下降，但仍高于要求值。因此，基于穩(wěn)定性考慮，焊接熱輸入最好選擇16～32kJ/cm。

5.3 小結(jié)

通過對1.5mm和2.0mm厚的試板進行焊接熱輸入與拉伸性能的影響規(guī)律分析，得出最佳的熱輸入范圍值，1.5mm厚風(fēng)管對接接頭的最佳焊接熱輸入為14～32kJ/cm，2.0mm厚風(fēng)管對接接頭的最佳焊接熱輸入為16～32kJ/cm。

6 結(jié)束語

通過選用合適的焊接電源和焊接機器人，引入智能焊縫視覺識別系統(tǒng)并自主設(shè)計風(fēng)管彎頭專用工裝，解決了風(fēng)管彎頭復(fù)雜工件的焊接路徑規(guī)劃問題，并在此基礎(chǔ)上進行了VVER堆型風(fēng)管彎頭自動焊工藝?yán)碚撗芯浚贸龊缚p雙面成形好、質(zhì)量優(yōu)的焊接參數(shù)范圍，驗證了研發(fā)工藝的適用性，成功研發(fā)出風(fēng)管彎頭智能化自動焊工藝。