基于機(jī)器人的水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉堆焊技術(shù)研究

韓麗娜，王兆峰

HAN Li-na,WANG Zhao-feng

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，都江堰 611830）

0 引言

水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉是水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的重要鑄鍛件，導(dǎo)葉過(guò)流面為自由曲面，曲面復(fù)雜，在修復(fù)過(guò)程中堆焊工序難度大且要求高，但手工堆焊勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且不容易保證焊接質(zhì)量。

本文基于機(jī)器人堆焊技術(shù)，研究將其應(yīng)用于的水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉的修復(fù)工藝過(guò)程。

1 水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉

被焊工件為水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉，如圖1所示，材質(zhì)為碳鋼，工件規(guī)格為軸直徑≤φ200mm，長(zhǎng)度在1000mm～2000mm之間，葉片650×300，屬于軸類(lèi)工件；工件最大重量≤800Kg，被焊工件焊縫形式為葉片所有表面及周邊軸表面的堆焊修復(fù)，堆焊修復(fù)面不小于80%（邊緣區(qū)域、坑狀磨損等采用人工堆焊）。

圖1 導(dǎo)葉實(shí)物圖

2 機(jī)器人堆焊工作站

將機(jī)器人堆焊技術(shù)應(yīng)用于水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉葉片的修復(fù)。系統(tǒng)采用KUKA六軸工業(yè)機(jī)器人作為核心部件，配置CMT（冷金屬過(guò)度）數(shù)字焊接電源，配合以Keyence視覺(jué)定位系統(tǒng)，并以工藝輔助編程軟件和過(guò)程監(jiān)控軟件，形成一套智能化程度較高的機(jī)器人焊接工作站，如圖2所示。

圖2 機(jī)器人堆焊工作站

2.1 CMT焊接

此次焊接工藝采用CMT（Cold Metal Transfer）焊接，即冷金屬過(guò)渡技術(shù)，是一種全新的MIG/MAG焊接工藝。其具有超低的熱輸入量、熔滴過(guò)渡無(wú)飛濺、電弧穩(wěn)定和送絲監(jiān)控與過(guò)程控制的高度統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)

為了滿足過(guò)流部件不同的形狀和尺寸焊接需求，采用計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)，如圖3所示，可以進(jìn)行工件尺寸、工況設(shè)置、焊道排布和三維焊接等設(shè)置，可有效準(zhǔn)確地針對(duì)待焊接工件進(jìn)行焊道的排布和編程。

2.3 生產(chǎn)全過(guò)程監(jiān)控

圖3 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)

采用集箱焊接現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)對(duì)焊接的全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，如圖4所示，擁有集箱工作控制、焊接參數(shù)控制、焊接作業(yè)監(jiān)控、連接配置、報(bào)警和數(shù)控監(jiān)控等功能。

圖4 生產(chǎn)全過(guò)程監(jiān)控

2.4 堆焊機(jī)器人

系統(tǒng)選用德國(guó)KUKA/KR16機(jī)器人，如圖5所示。負(fù)載16KG、半徑1611mm，主要包括機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜（KRC4）、示教盒（KCP）和電纜附件。

圖5 KR16機(jī)器人

2.5 焊接機(jī)床

該焊接機(jī)床由固定座、主軸座及絲杠移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)座等組成。如圖6所示，主軸座為該變位機(jī)的動(dòng)力輸出部位，由鋼板焊接經(jīng)過(guò)熱處理精密機(jī)械加工而成，重量輕剛性強(qiáng)，以保證加工精度。動(dòng)力輸出是由機(jī)器人配套的外部軸伺服電機(jī)、VGM減速機(jī)及齒輪傳動(dòng)構(gòu)成，可以和機(jī)器人聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)焊接。主軸座采用移動(dòng)式設(shè)計(jì)，采用交流電機(jī)減速驅(qū)動(dòng)、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)、直線導(dǎo)軌導(dǎo)向方式實(shí)現(xiàn)與固定座之間距離調(diào)整，以適應(yīng)工件裝卸和長(zhǎng)度變化。絲杠配置有防塵措施。固定座安裝在機(jī)座一段，配置有活動(dòng)頂錐，采用手動(dòng)方式對(duì)工件頂緊。主軸座輸出軸端配置了手動(dòng)三爪卡盤(pán)，可夾持300mm直徑以下的工件。剛性機(jī)身及箱體均采用碳鋼型材焊接加工制造，去應(yīng)力退火，結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)。

圖6 焊接機(jī)床

3 堆焊導(dǎo)葉動(dòng)作流程

將工件吊裝至焊接機(jī)床上，利用機(jī)床頭尾座上的三爪卡盤(pán)手動(dòng)卡緊工件→采用機(jī)床旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)座翻轉(zhuǎn)工件至待焊位→啟動(dòng)機(jī)器人→弧焊機(jī)器人開(kāi)始按照預(yù)先設(shè)定的程序起弧焊接→分別完成葉片表面及周邊軸表面的修復(fù)焊接→焊接完畢機(jī)器人自動(dòng)復(fù)位→人工吊裝工件松開(kāi)三爪卸下工件。

焊接次序建議：翻轉(zhuǎn)工件置于豎立狀態(tài)（±90°），修復(fù)焊接葉片兩側(cè)面；翻轉(zhuǎn)工件置于水平狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)修復(fù)焊接軸表面或葉片上表面等。

圖7 動(dòng)作流程圖

4 焊接實(shí)驗(yàn)

利用機(jī)器人堆焊技術(shù)對(duì)耿達(dá)電站的水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行堆焊實(shí)驗(yàn)，堆焊位置為葉片所有表面及周邊軸表面的堆焊修復(fù)，圖8為機(jī)器人堆焊技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)葉修復(fù)中的實(shí)際效果圖。

圖8 實(shí)際效果圖

5 結(jié)論

此次技術(shù)研究將機(jī)器人堆焊技術(shù)應(yīng)用到水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉的修復(fù)中，通過(guò)對(duì)機(jī)器人堆焊技術(shù)現(xiàn)狀和實(shí)際修復(fù)情況的掌握，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明機(jī)器人堆焊技術(shù)應(yīng)用于水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉的修復(fù)中是可行的，可以有效解決人工手動(dòng)堆焊勞動(dòng)強(qiáng)度大、人員配置低等問(wèn)題。