一種超長管件全位置周圈密封激光焊接設備研制

李志軍 鄧 鵬 劉素志 皮友東 趙月東

（1.中核控制系統工程有限公司，北京 102401；2.高斯光格（北京）技術有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著我國經濟的蓬勃發展，電力能源的需求正不斷增大。進入21世紀后，人類對于清潔、高效的能源產生了極大的需求。核電，作為低碳環保的清潔能源之一，理應大力開拓其發展。而在核動力發電設備中，探測器是核電站測量系統中的一個重要組成部分，探測器的運行性能直接影響著核動力發電設備能否穩定運行[1，2]。對于探測器而言，細長的不銹鋼管件的焊接是需求之一，而且這類細長管件還需要對接、插接延長，接頭處的密封性能對設備和核電環境的安全尤為重要，這就對焊接工藝和專用裝備提出了挑戰。

目前，核電設備管件的自動化焊接研究中，對于中小管徑的研究相對較少。而實際生產中，中小管徑的管道數量約占工程總體的60%~85%[3]。且由于核電設備管件焊接的特殊性，焊接方法仍較多地采用鎢極氬弧焊。蔣永[4]等人采用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊工藝，對某壓水堆核電廠復合鋼主管道進行對接試驗，獲得了滿足標準要求的焊縫。激光焊接在國內的應用逐年增多，因其效率高、變形小、密封性能優異、自動化程度高的特點，在各種常規和非常規管件的焊接中有很大的發展空間和應用潛力。

針對超長管件的特殊性，研制了一種可以用于超長管件的激光環焊設備。設計了一種可重構式集成激光焊接系統，通過快速裝卸不同運動軸，實現兩類、三種焊接方式：焊件卷式旋轉運動、焊件直線旋轉運動和焊接頭周圈旋轉運動，可以全方位滿足超長管件的周圈密封激光環焊需求。

1 激光環焊技術需求

針對300系列不銹鋼金屬管之間進行對接焊或搭接焊，要求單一設備適應焊件直徑7~48 mm，焊接熔深1~4 mm可控，當焊接管徑48 mm的焊件時，熔深應能達到4 mm；焊縫寬度不大于2 mm。可實現外殼環焊接中垂直于軸向的焊接。焊接件可旋轉。焊件重量從幾十克到幾十千克不等。焊件有可能是柔性材料，尾部可以盤成直徑不大于1.5 m的圓盤。根據工件長度、剛度的不同，需要能夠實現工件旋轉和工件不同激光頭旋轉兩種焊接模式。激光頭周圈旋轉角度不小于至少一周。系統要求配備視覺系統輔助定位系統，焊接過程同步視頻監控系統，以及設備的遠程控制和故障診斷功能。

2 總體設計方案

該設備可滿足超長管件的激光焊接功能。總體包括兩大類焊接方案，三種不同的激光焊接方式：

（1）焊件運動：探測器組件帶圓盤卷式旋轉焊接，該種方式下，工件圓管先盤成一盤，再掛在B軸所屬的掛架上，旋轉軸B軸帶動整個圓盤轉動來實現工件的焊接，如圖1（a）所示；（2）焊件運動：探測器組件不帶圓盤長程直線旋轉焊接，該種方式下，圓管展平放置在型材支架上，旋轉軸B軸帶動整根圓管旋轉進行焊接，如圖1（b）所示；（3）焊件靜止：焊接頭旋轉至少一周焊接，該種方式下，工件保持不動，旋轉軸C軸通過帶動激光焊接頭圍繞工件轉動從而實現對工件的焊接，如圖1（c）所示。三種焊接方式中的工件分別稱為工件Ⅰ、工件Ⅱ、工件Ⅲ（以下abc圖中要表示工件123）。以下重點介紹工件靜止固定，激光頭旋轉的技術實現方案。

圖1 多功能通用集成激光環焊系統方案示意圖

3 全位置周圈激光環焊系統設計

3.1 全位置焊接機構設計

圖1（c）中所示的C軸用于焊接工件Ⅲ。焊接時，工件Ⅲ保持靜止，C軸（大旋轉臺）帶著焊接頭繞工件旋轉進行焊接。C軸總成主要包含動力裝置、X軸部件、焊接頭、Z軸部件、旋轉平臺、可升降式夾具、運動輔助機構、工程拖鏈組件。動力裝置由伺服系統和蝸桿式高精度減速機組成，通過電機的正反轉實現整個大旋轉臺轉動。X軸部件由伺服系統和直線運動模組組成，主要用于調整激光焊接頭在X軸方向的位置，從而調整焊接頭的工作距離。

Z軸部件：Z軸部件由伺服系統和直線運動模組組成，主要用于調節焊接頭在Z軸方向的位置，從而調整激光作用在焊縫上的Z軸方向位置。

旋轉平臺：旋轉平臺為一安裝固定平臺，主要用于安裝承載Z軸部件、可升降式夾具、B軸部件等。運動輔助機構：該機構主要用于對C軸（大旋轉臺）的位置進行判斷、約束，從而確保C軸運動的準確性、安全性。

工程拖鏈組件：該結構為輔助激光頭旋轉的工程拖鏈組件，包括拖鏈和拖鏈導向機構。該方案既能保證有效的彎曲半徑，實現對光纖及線纜的保護，又能最大限度地提高拖鏈的使用壽命。因為C軸帶著工程拖鏈（包括光纖、電纜、氣管、水管等）做圓周旋轉運動，所以拖鏈不能沿一個方向無限圓周運動。在焊接工件時，正確的工作方式是：（1）裝工件；（2）正方向旋轉至少一周進行焊接；（3）焊接結束后，C軸會自動反方向旋轉至少一周；（4）拆工件，然后再重復以上四個動作。

可升降式夾具：該夾具主要由三部分組成：（1）Z軸方向升降模組，主要用于調節Z方向上的裝夾位置，以滿足工件裝夾位置的不確定性，最終保證裝夾后的穩定性、精確性；（2）夾緊調節模組，主要用于夾緊工件1，其優點是行程冗余，可根據工件1的尺寸進行靈活調節；（3）夾爪，夾爪由一動一靜兩部分組成，靜夾爪位置是固定的，不隨“夾緊調節模組”的調節而運動。動夾爪固定在“夾緊調節模組”的滑塊上，可隨調節而張開或閉合。動、靜夾爪上都設計有軸承，用于與工件進行夾緊貼合，又能保證夾爪在相對運動時不對工件造成損傷。其中靜夾爪上裝有4個軸承，分別位于上下左右兩側。動夾爪上裝有兩個軸承，一上一下各一個。

感應開關用途：共計6個感應開關，其中S1~S4用于確認C軸（大旋轉臺）所在位置區間。S5為限位開關，用于限定C軸行程。S6為原點開關，用于確認C軸的絕對零點（運動的相對初始位置）。

擋塊&撥塊：擋塊有兩個作用：第一，通過撥塊的觸碰，發生狀態改變，從而觸發相應的感應開關；第二，起到硬限位的作用，限制C軸的運動。撥塊相應也有兩個作用：第一，觸碰擋塊，改變感應開關狀態；第二，跟擋塊配合，起到硬限位的作用。

3.2 焊接頭

焊接頭使用的是90°L形帶視覺焊接頭。L形結構可有效降低光纖的彎曲，對光纖起到保護作用。焊接頭自帶的視覺主要有兩個作用：輔助尋找焊縫位置，對焊縫進行精確的尋位；實時顯示焊接過程，對整個焊接過程起到監控作用，從而對焊接質量進行整體的管控。

焊接頭的視覺校正通過視覺顯示器完成。具體操作步驟：（1）先將焊接頭移動至相應的加工位置；（2）調節視覺照明燈的位置，以使顯示器中顯示的工件清晰；（3）通過LaserWokrs操作，在工件上用激光點射一個點；（4）點擊相機或軟件上的移動按鈕，讓屏幕上的十字線的中心與激光點射的點的中心重合。至此，焊接頭視覺校正完畢。

4 結語

（1）設計了一種多功能集成式激光環焊系統，能夠針對細長直管、柔性盤繞管件、超長管件實施激光環焊密封。系統具備激光視覺定位、焊接過程視頻監控、遠程操控及診斷等功能。

（2）針對超長異形管件無法旋轉的問題，設計了一種柔順至少一周周圈全位置激光焊接裝置，能夠精確控制全位置焊接過程焊縫對中和激光焦距，采用獨特的拖鏈機構設計避免光纖的過渡纏繞或彎折，提升設備安全性。

（3）該設備已經投入工程應用，成功實現了各類管件的激光密封環焊。