一種自適應工件外形的自動焊接裝置研制

朱清 黃朝輝 張利

摘 ? 要：目前科研XX控制棒組件中的控制棒套筒上外套管和上、下過渡接頭的異形對接焊一般采用手工焊和自動焊兩種焊接方式進行焊接。手工焊接效率低下，焊縫質量差，一致性差;自動焊效率低高，焊縫質量好，但是由于工件外形為異性，設備價格昂貴，一般企業難以承受。鑒于以上，一種便捷的、經濟的能適用于不規則異形的自動焊接裝置能解決以上問題。本文就以上問題研制了一種便捷自適應工件外形的自動焊接裝置，能有效地解決焊接效率和質量，同時經濟性和適用性大大提高。

關鍵詞：科研XX控制棒組件 ?異形焊接 ?自適應 ?經濟

中圖分類號：TG409 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0101-03

Abstract：At present， irregular shape butt welding for outer sleeve and upper/lower transition union of control rod sleeve of a scientific research control rod assembly is usually performed by two methods， hand welding and automatic welding. Hand welding has low efficiency， and the weldig joint of it has poor quality and consistency. Automatic welding has high efficiency， and the weldig joint of it has good quality， but the equipment is expensive on assount of the irregular workpiece shape，the general company can not afford. In view of the above， a convenient， economical ，appliable to irregular workpiece shape automatic welding device can solve the problem. This paper describes the development for a convenient automatic welding device which adapts to the workpiece shape on the above questions. It can solve the problem of welding efficiency and quality effectively， at the same time improve economy and applicability greatly.

Key Words： A scientific research control rod assembly; Irregular shape welding; Self-adaption; Economy

科研XX控制棒組件是反應堆核電站的核心部分，通過控制棒驅動機構（CRDM）的提升、下插或保持從而控制控制棒在堆芯中的位置，用以控制反應堆的裂變速率，實現啟動、停止反應堆及堆功率的調節，確保核電站安全運行[1]。

目前，在科研XX控制棒組件焊接工藝中，特別是控制棒套筒上外套管分別和上過渡接頭和下過渡接頭的對接焊過程，采用手工焊或者自動焊進行進行焊接。小批量制造時一般采用手工焊，手工焊接時焊接效率低下，焊縫質量差，一致性差。大批量制造時一般采用自動焊，焊縫質量高，效率高，但是設備價格昂貴，對零部件裝配要求精度高，工件外形、尺寸變化時需要重新定制相應的工裝模具，適應性差，一般企業能以承受。

因此，對控制棒套筒焊接的焊接工藝做進一步優化，提升控制棒套筒焊接的焊接質量與焊接效率，急需研制一種操作便捷、設備穩定可靠、經濟性好、適用性高的焊接方式和裝置。

1 ?焊接結構分析

公司承接了研究項目的科研XX控制棒模擬組件的制造，控制棒的外套管需要分別和上過渡接頭、下過渡接頭進行對接焊。控制棒的外套管為異形的六方管結構，如圖1所示。六方管與上、下過渡接頭的焊縫為六方焊縫，一般常規自動焊接設備不能有效的控制焊接過程。

2 ?設備方案

針對上述問題，經過對焊接結構和較為成熟的自動焊接設備的分析，自動焊接裝置需要解決兩個問題：

（1）焊接過程中根據六方管的焊接點位的不同調整焊接轉速，保證焊接位置線速度一致;

（2）控制焊接過程中工件受熱收縮的變形。

通過以上分析，公司設計一套焊接裝置設備，設備包括用于固定焊槍的固定裝置、支架、導軌、滑動平板、壓縮裝置、滾輪支撐組件等部件組成，見圖2。

滑動平板可沿著導軌直線滑動，固定裝置安裝于滑動平板上。壓縮裝置包括安裝座及彈性件，安裝座固定于支架上，彈性件的兩端中。其中一端與安裝座固定連接，另一端與滑動平板固定連接，在彈性件彈性變形時發生所述直線滑動[2]。滾輪組件的一端固定于滑動平板上，滾輪組件的另一端上安裝有滾輪。在固定裝置夾持焊槍后，焊槍的焊接端與滾輪位于支架的同側，且滾輪位于焊接端側面的前方。

本設備的關鍵點是壓縮裝置與滾輪組件相互配合，壓縮裝置里的彈簧提供驅動彈簧力使焊槍一直貼合工件，滾輪組件支撐工件外形，保持焊槍與焊縫的距離恒定一致，簡而言之，壓縮裝置與滾輪組件相互配合，一撐一頂保持焊槍與工件的位置。

本設備采用常規的焊機進行改造升級，通過增加相應的支撐等夾具使其具備焊接自動化的能力。

3 ?實施

通過對科研XX控制棒組件的結構分析，焊接時采用對稱焊接能有效控制焊接變形，提高產品的生產制造效率。要實現對稱焊接，設備采用雙焊槍結構，自動焊接工裝對稱180°排列[3-4]。設備的布置如圖3所示。

控制棒套筒焊接裝置，包括固定焊槍5的固定裝置4、支架2，支架上設置有導軌9，安裝在導軌9上的滑動平板8，平板8可沿著導軌9直線滑動，固定裝置4安裝于滑動平板8。

壓縮裝置3包括安裝座及彈性件，安裝座固定于支架2上，彈性件的兩端中，其中一端與安裝座固定連接，另一端與滑動平板8固定連接，在彈性件彈性變形時發生所述直線滑動。滾輪組件6的一端固定于滑動平板8上，滾輪組件6的另一端上安裝有滾輪。在固定裝置4夾持焊槍5后，焊槍5的焊接端與滾輪位于支架2的同側，且滾輪位于焊接端側面的前方。

控制棒套筒7的外套管設置在支架2的焊槍5焊接端或滾輪組件6上滾輪所在側，且支架2與外套管的相對位置保證壓縮裝置3上的彈性件發生一定的彈性變形，同時，滾輪的輪面作用在外套管的外側面上，在外套管繞自身軸線轉動時，以上彈性變形保證外套管在整個轉動過程中彈性件上均具有彈性變形，這樣，由于滾輪組件6與固定裝置4均固定在滑動平板8上，由于外套管為六棱柱狀，故在支架2位置固定時，安裝座在空間中的位置固定，外套管轉動即驅動滑動平板8沿著導軌9做往復直線運動，彈性件亦具有彈性變形量往復變化的變形。以上過程中，固定在固定裝置4上的焊槍5亦隨著滑動平板8作往復運動，以上焊槍5的運動即可匹配外套管與上過渡接頭、下過渡接頭之間的焊縫形狀，使得焊槍5的焊接端與控制棒套筒7上的環焊縫具有特定的距離以及特定的朝向，這樣，在外套管轉動過程中，即可通過焊槍5完成控制棒套筒7上環焊縫的穩定焊接。由于以上上過渡接頭、下過渡接頭上亦具有六棱柱段，當滾輪組件6上的滾輪作用在上過渡接頭、下過渡接頭上的六棱柱段上時，亦可通過上過渡接頭、下過渡接頭的外形，自動匹配焊槍5相對于環焊縫的相對位置。在焊接過程中，以上輪滾組件即為一個焊槍5相對于環焊縫的位置調整裝置，故如滾輪組件6直接與外套管作用，優選設置為在作用過程中滾輪轉動，如外套管的軸線狀態為豎直設置時，設置為滾輪的軸線亦為豎直線。

針對焊槍5焊接端與滾輪組件6上滾輪兩者在高度方向的相對位置，滾輪在焊接端的上端、下端或兩者齊平，針對上端或齊平方式，若待連接的控制棒套筒7組件軸線位于豎直方向，此時先點焊即可方便的通過輪滾組件實現焊槍5的位置調節;設置為滾輪在焊接端的下端，如固定外套管的下端，先完成外套管與上過渡接頭的焊接，而后調換方向，固定上過渡接頭，完成下過渡接頭的焊接。

本裝置提供了一種在控制棒套筒7上待焊接部件：外套管、上過渡接頭、下過渡接頭在轉動的過程中可實現相互之間環焊縫焊接的焊接裝置，同時通過滾輪組件6和壓縮裝置3，可實現焊槍5焊接端與環焊縫之間相對位置的自動調整，這樣，本焊接裝置在結構簡單的前提下，可保證焊接過程中焊縫均勻性和一致性，從而保證焊接質量;同時，本方案可實現自動匹配焊槍5相對于具體焊接位置的位置，相較于傳統手工焊接，在保證焊縫質量的前提下，可有效提高焊接效率。

4 ?結語

通過對以上裝置的研制，能最便捷、經濟的制造出自適應于工件外形的自動焊接設備，設備的運行采用各機械裝置實現，可靠性高。

本裝置可用于較為規則的異形零件焊接，比如：圓形、方形、多邊形、菱形等外形零件的焊接，具有廣闊的應用前景。

本文為各設備研制制造廠提供了一種設備研制的思路和方法，可經濟有效地實現自動化的生產。

參考文獻

[1] 張建民.核反應堆控制[M].西安：西安交通大學出版社，2002.

[2] 成大先.中國有色工程設計研究總院 機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[3] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[J].焊接方法及設備，2007（1）：379-380.

[4] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[J].焊接結構，2007（3）：147-160.