核電用方鋼支架雙絲焊接工藝研究

徐偉，劉金平，馮英超，吳曄華，吳闖

中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

1 序言

目前，在核電工程項目上對方鋼支架的需求量極大，由于方鋼支架焊縫數量較多，且方鋼支架的主要焊接方法為手工氣體保護焊，所以傳統的手工氣體保護焊及單絲氣體保護自動焊的焊接效率已無法滿足現場焊接進度要求。

2 核電用方鋼支架

核電中常見的方鋼支架（見圖1）母材材質為Q235B碳素鋼，方鋼支架預制多為方鋼與蓋板、方鋼與預埋板、方鋼與錨固版+角板的焊接。方鋼支架因具有焊縫數量大、焊縫形式較為單一的特點，所以適宜利用自動焊進行焊接。因此，提出采用雙絲熔化極氣體保護自動焊接工藝進行焊接的方案，以提高焊縫質量和焊接速度。

圖1 核電用方鋼支架

3 雙絲焊接

雙絲焊接是在單絲氣體保護自動焊的基礎上加以改進[1]，采用雙電源或單電源將兩根焊絲同步送進的一種焊接方法，常見的雙絲焊接方式分為異熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊及共熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊[2，3]。

在共熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊中，由于兩根焊絲的電弧在同一個熔池內燃燒，提高了總體的焊接電流，所以避免了熱量分布集中的缺點，可以向熔池及其兩側提供充足的熱量和鐵液。雙絲電弧之間存在的相互熱作用，降低了焊絲的電能輸入，增加了電弧的挺度。在進行高速焊接時，可以有效地避免咬邊和駝峰焊道等缺陷，大大提高焊接速度和生產效率，同時可得到優質美觀的焊縫和優良的焊接質量[2，3]。

4 焊接設備

試驗選用雙絲單電源設備，該設備由六軸焊接機器人、雙絲焊接電源、控制柜、變位機、雙絲焊槍及雙絲送絲系統等部件構成（見圖2）。通過各部件的協同配合，完成雙絲的焊接工作。其焊接控制系統的參數化編程可根據支架尺寸進行焊接路徑規劃，滿足不同焊接位置及焊接順序需求。

圖2 方鋼支架焊接工作站

針對核電用方鋼支架焊接過程，需要焊接機器人配合變位機來實現不同焊接位置焊縫焊接的特點，根據不同的支架規格進行焊接路徑規劃，可滿足不同焊接位置及焊接順序需求。在整個焊接過程中，將組對好的工件放到預制工裝上，人工進行簡單地示教，將關鍵點位置確定后即可開始焊接。焊接過程中不需要人工調整，針對相同型號的工件，工件替換后無需重新找點示教，只需焊前微調即可進行下一個工件的焊接，較現有手工焊效率提升2～3倍。

（1）焊接機器人 試驗采用發那科M-10iA/7L型號機器人。該機器人為6軸增強型工業機器人（即關節型手臂機器人），采用的新型交流伺服電動機具有結構緊湊、高輸出、響應快、高可靠性等特點。機器人的手臂具有細長而緊湊的設計，各個軸的動態性能高，保證了優良的焊接精度、速度和可重復性。

（2）焊接電源 試驗采用林肯S700型號波形控制技術、全數字焊接電源。該套焊接電源適用于半自動、自動化或機器人環境，也可用于雙弧雙絲同步高熔敷率焊接，可使焊接材料與母材充分熔合，達到理想的雙絲焊接效果。

（3）變位機 試驗采用單軸伺服變位機，通過翻轉式變位平臺，可將工裝平臺在0°～360°內翻轉，實現方鋼支架各區域焊縫的良好焊接。

（4）雙絲焊槍 試驗采用專用林肯雙絲焊槍，內置導絲管、循環冷卻水管與氣管，能夠有效地避免雙絲焊接時因電流過大而引起的焊槍損壞，保證了焊接質量。

（5）送絲系統 試驗采用的送絲系統為林肯焊接設備配套送絲系統。該套送絲系統是功能強大、結構緊湊的4輪送絲驅動機構，用于機器人焊接和剛性自動化焊接中，可輸送較大直徑焊絲，拉動焊絲通過較長的導管使兩根焊絲同步送進，保證焊接質量。

（6）參數化編程系統 針對方鋼支架結構特點，設計離線編程系統，使機械臂能夠按照設定程序進行焊縫位置確定，同時實現與控制系統的通信。使用參數化編程方式，將智能焊接系統與焊接參數采集、監控等多種采集終端進行集成應用，實現焊接質量全程可追溯。

參數化編程系統可通過機器人運動控制算法，采用一定的方法策略，檢測焊縫坡口，創建坡口模型。同時，可根據坡口模型，實現離線編程方式生成自動焊焊道軌跡，同時在多層多道焊接過程中將焊槍姿態信息疊加在每一道焊道中。

5 焊接工藝

（1）焊接注意事項 焊前需打磨，清理焊縫表面氧化皮等。要求試件內外側表面≥25mm范圍內無油、漆、垢及毛刺等，且不得有任何影響焊接質量的缺陷存在。

（2）現有焊接工藝 目前，在核電項目現有方鋼支架焊接作業中，常采用手工氣體保護焊及單絲氣體保護自動焊方式。由于方鋼支架結構的特殊性，在焊接方鋼支架底座時，需要采用多層多道的焊接方法，才能達到工件驗收要求，所以存在焊接效率低、焊接周期長等缺點。

現有焊接工藝的施工流程如下。

1）材料準備。

2）待焊件表面清理。

3）工件組對、點固。

4）工件多層焊接。

5）支架焊后打磨。

6）支架無損檢測。

（3）雙絲焊接工藝 雙絲焊接工藝是在焊接電源與機器人、變位機等設備及部件通信的基礎上，在機器人與變位機的協同配合、雙絲送絲系統的焊絲送進及焊接電源的參數配給等條件下完成的焊接操作。

采用雙絲工藝進行焊接試驗時，一般包括以下步驟。

1）將試件坡口及坡口外平面20mm內打磨光亮，無銹跡、油污等雜物。

2）將試件組對點固，并放置于變位機翻轉平臺上，利用氣動夾持裝置固定。

3）開啟焊接電源、機器人等焊接設備，進行參數化編程的模擬運行。

4）手工錄入開發完成合格的焊接參數。

5）焊前檢查，確定設備各部件是否連接妥當、保護氣體類型及比例，選用的保護氣體為Ar（75%～90%）+CO2（10%～25%）混合氣體。

6）程序運行，開始焊接。

7）焊后打磨，清理焊縫表面氧化皮等雜質。

8）試件無損檢測（PT）。

9）試件理化檢測（宏觀金相）。

6 試驗數據

試驗時，首先利用雙絲熔化極氣體保護自動焊設備進行平板堆焊試驗，分別以200A、300A的焊接電流進行焊接，觀察焊縫成形及熔滴過渡形式，如圖3～圖6所示。由圖3～圖6可知，雙絲自動焊焊縫成形均勻、良好，飛濺小。

圖3 焊接電流為200A時的焊縫成形

圖6 焊接電流為300A時的熔滴過渡

其次，采用雙絲熔化極氣體保護自動焊設備，針對儀表支架材料和規格，進行角焊縫焊接工藝試驗及工藝開發。試驗時觀察到，試件焊接過程飛濺小，焊后焊縫成形美觀。對焊后試件根據核電現場所使用檢測驗收標準進行無損及理化試驗檢測，檢測結果均為合格，確認得到合格的焊接參數。說明該套自動焊接設備適用于核電現場方鋼支架焊接。

圖4 焊接電流為300A時的焊縫成形

圖5 焊接電流為200A時的熔滴過渡

7 結束語

本文通過對核電工程項目中方鋼支架焊接時存在的問題進行分析，并利用雙絲熔化極氣體保護自動焊設備進行焊接工藝研究，通過多組焊接試驗選出良好的焊接試件，并對試件進行無損及理化試驗檢測分析，得出以下結論。

1）試件按照核電驗收檢測標準進行無損及理化試驗，檢測結果均為合格，因此符合核電工程用方鋼支架的焊接使用標準。

2）采用雙絲熔化極氣體保護自動焊方式進行焊接，具有熔敷金屬填充量大、焊接效率高、焊縫質量良好等優點，對核電工程用方鋼支架的焊接及自動焊接技術的推廣具有重要意義。