大型抽水蓄能球閥機(jī)器人窄間隙焊接工藝研究與應(yīng)用

郭中才，馮 濤，鐘 磊，金 寶，范 瀟

中國(guó)東方電氣集團(tuán) 東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000

0 前言

抽水蓄能是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于推動(dòng)構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、更好服務(wù)碳達(dá)峰、碳中和，具有十分重要的意義。球閥作為抽蓄機(jī)組的重要保護(hù)設(shè)備，需承受各種工況下的水壓力與振動(dòng)，為保證其具有足夠的剛強(qiáng)度，球閥設(shè)計(jì)厚度尺寸大、質(zhì)量大。隨著抽蓄機(jī)組向高水頭、大容量方向發(fā)展，球閥剛強(qiáng)度要求更高，其設(shè)計(jì)厚度進(jìn)一步增加。對(duì)球閥通常為鑄鍛件焊接結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)焊接工藝的焊接量大、焊接效率低、資源消耗大。在“雙碳”背景下，如何高效率、高質(zhì)量、低能耗地實(shí)現(xiàn)球閥焊接是球閥制造中非常重要的一環(huán)。

隨著機(jī)器人焊接技術(shù)與窄間隙GMAW技術(shù)的發(fā)展，其在球閥制造中的應(yīng)用成為可能。一方面運(yùn)用窄間隙GMAW技術(shù)，通過(guò)大幅減小坡口截面可極大地減少焊接工作量，減少資源消耗[1-3]；另一方面充分利用機(jī)器人連續(xù)、穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，替代人工進(jìn)行大量重復(fù)的焊接勞動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量穩(wěn)定、高效的焊接，并大幅降低焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

1 抽水蓄能球閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其焊接難點(diǎn)

以某抽水蓄能電站機(jī)組球閥為例，該球閥活門為鑄件結(jié)構(gòu)，閥體為對(duì)稱分瓣鑄件焊接結(jié)構(gòu)，待活門裝入后再將兩瓣閥體組焊成整體，結(jié)構(gòu)示意見圖1，閥體活門焊接最大外形尺寸5 160 mm×3 928 mm×2 920 mm，質(zhì)量約103 t。閥體母材為ZG20Mn，焊絲選用φ1.2 mm的AWS A5.18 ER70S-6，采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）。閥體分瓣合縫處最小壁厚為150 mm，單條焊縫長(zhǎng)度達(dá)到3 000 mm。

圖1 球閥主體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Main structure of ball valve

按球閥閥體傳統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)，為控制焊接變形，開設(shè)近似對(duì)稱X型坡口，內(nèi)外厚度比4∶6[4]，球閥閥體內(nèi)側(cè)焊接后，于外側(cè)清根，交替施焊，焊縫熔覆金屬量達(dá)700 kg。因球閥質(zhì)量大，難以通過(guò)變位裝置實(shí)現(xiàn)焊接位置變化，且裝入活門閥軸后內(nèi)側(cè)空間狹小，焊接量大，采用機(jī)器人常規(guī)坡口焊接方法難以實(shí)現(xiàn)球閥閥體焊縫的高效焊接。

為此，開發(fā)了機(jī)器人窄間隙GMAW焊接技術(shù)，使得球閥的高效、高質(zhì)量焊接成為可能。采用機(jī)器人窄間隙GMAW焊接技術(shù)有如下優(yōu)勢(shì)：（1）閥體焊縫坡口設(shè)計(jì)為單側(cè)I型坡口，熔覆金屬量減少65%以上，焊量少（見圖2）；（2）機(jī)器人在球閥閥體外側(cè)進(jìn)行焊接，空間開放，內(nèi)側(cè)不清根或少量清根蓋面；（3）橫焊位置，采用附加外部軸的機(jī)器人適應(yīng)工件焊接位置，工件無(wú)需變位；（4）機(jī)器人焊接連續(xù)、穩(wěn)定，可24 h連續(xù)焊接，焊縫一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

圖2 球閥閥體焊接坡口截面示意Fig.2 Welding groove of ball valve body

但采用機(jī)器人窄間隙GMAW焊接技術(shù)也存在以下難點(diǎn)：（1）焊縫軌跡呈弧形，機(jī)器人關(guān)節(jié)變化大，需借助仿真軟件確保機(jī)器人可達(dá)性；（2）窄間隙GMAW橫焊，對(duì)焊道成形要求高[3-8]；（3）大型球閥單側(cè)坡口焊接，焊接變形控制難度大；（4）深窄坡口焊接穩(wěn)定性要求高。

2 大型抽水蓄能球閥閥體機(jī)器人焊接關(guān)鍵技術(shù)

2.1 球閥閥體機(jī)器人焊接工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模擬仿真

2.1.1 球閥閥體機(jī)器人焊接工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球閥閥體結(jié)構(gòu)近似為球形殼體與圓筒相貫相接形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化機(jī)器人焊接數(shù)學(xué)模型，對(duì)閥體重新進(jìn)行工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主體部分（圓弧段，焊量占比85%）采用機(jī)器人窄間隙GMAW焊接，其余少量不規(guī)則區(qū)域采用人工輔助完成焊接。

圖3 球閥閥體焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Welding structure design of ball valve body

2.1.2 機(jī)器人模擬仿真

以某抽水蓄能機(jī)組球閥為例，球閥閥體圓弧段角度約90°，焊道弧長(zhǎng)約3 m，機(jī)器人關(guān)節(jié)變化幅度大。為分析機(jī)器人焊炬焊接可達(dá)性，確保機(jī)器人操作范圍滿足焊接過(guò)程的要求，基于附加外部軸機(jī)器人、窄間隙GMAW焊炬、球閥閥體的三維數(shù)學(xué)模型，利用KUKA Sim Pro仿真軟件進(jìn)行了離線仿真示教，模擬出焊接過(guò)程最優(yōu)姿態(tài)，確定機(jī)器人與工件的最佳位置關(guān)系以便于確定實(shí)際工件與機(jī)器人擺放位置，如圖4所示。

圖4 球閥閥體機(jī)器人焊接模擬仿真Fig.4 Robot welding simulation of ball valve body

2.2 窄間隙GMAW橫焊工藝技術(shù)

相比于窄間隙GMAW平焊，窄間隙GMAW橫焊應(yīng)用相對(duì)較少[4]。本文在窄間隙GMAW橫焊工藝中，采用一層兩道焊道排布方式，如圖5所示，坡口根部設(shè)置3～5 mm厚度鈍邊，坡口背面不加襯墊，焊接完成后人工清除鈍邊并封焊。導(dǎo)電嘴在上下兩道焊接時(shí)分別偏轉(zhuǎn)一定角度，首先焊接下面焊道，然后焊接上面焊道，焊接過(guò)程中使焊絲指向坡口側(cè)壁，形成對(duì)側(cè)壁的充分熔合，如圖6所示。該方式的優(yōu)點(diǎn)是充分利用熔池下淌趨勢(shì)，使下道焊縫由于熔池下淌可以對(duì)上道焊縫起到支撐作用[6-9]。

圖5 焊道排道示意Fig.5 Schematic diagram of bead arrangement

圖6 橫焊位置上/下熔合線焊接示意Fig.6 Welding diagram of upper/lower bond line at horizontal welding position

橫向焊接時(shí)，熔池金屬在重力作用下出現(xiàn)流淌或下墜并堆積在焊縫下側(cè)，熔池越大其流淌趨勢(shì)越明顯，易造成焊縫成形不良產(chǎn)生夾渣、未熔合缺陷。同時(shí)，由于熔池下淌，若熔池過(guò)小，易出現(xiàn)下側(cè)壁熔合不良、上側(cè)壁焊縫不飽滿，從而產(chǎn)生夾渣缺陷的現(xiàn)象。因此，為得到良好的焊縫成形效果及焊縫質(zhì)量，需嚴(yán)格控制熱輸入量。

通過(guò)橫焊工藝試驗(yàn)，對(duì)比了焊縫成形效果、焊接穩(wěn)定性、熔覆效率等，形成一套適用于窄間隙橫焊的工藝參數(shù)見表1。試驗(yàn)所用的焊接電源型號(hào)為SAF-FRO DIGIPULS Ⅲ 520，保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，母材為與ZG20Mn相近的鋼板Q345C，焊絲為 φ1.2 mm AWS A5.18 ER70S-6。焊接試樣經(jīng)UT探傷檢查及焊縫截面試驗(yàn)解剖檢查，均顯示無(wú)缺陷，見圖7。同時(shí)通過(guò)參數(shù)的合理匹配，可保證焊道與坡口側(cè)壁無(wú)尖銳夾角，避免形成未熔合缺陷，同時(shí)定量化每層焊接厚度（5～6 mm），以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接軌跡的連續(xù)自動(dòng)偏移。

表1 窄間隙橫向焊接工藝參數(shù)Table 1 Narrow gap transverse welding parameters

圖7 試樣宏觀金相Fig.7 Macro metallographic diagram of sample

2.3 大型球閥閥體厚截面單側(cè)坡口焊接變形控制

球閥閥體采用單側(cè)窄間隙坡口焊接，焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)Z向（高度方向）的變形趨勢(shì)，坡口寬度方向存在明顯的收縮變形，由于窄間隙GMAW焊炬結(jié)構(gòu)原因，其對(duì)熔池的氣體保護(hù)效果是通過(guò)氣罩與坡口兩側(cè)壁對(duì)氣流的約束聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的，故焊接坡口寬度尺寸須控制在合理范圍，過(guò)大會(huì)影響氣體保護(hù)效果形成氣孔缺陷，且不應(yīng)小于12 mm（東方電機(jī)有限公司窄間隙GMAW焊炬適應(yīng)值），否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)窄間隙焊接。因此在機(jī)器人焊接過(guò)程中，除保證球閥整體結(jié)構(gòu)尺寸外，需同時(shí)控制坡口寬度尺寸。

為控制焊接變形，結(jié)合大型球閥閥體傳統(tǒng)X型焊接結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)以及單側(cè)坡口焊接結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)分析，認(rèn)為坡口結(jié)構(gòu)從X型近似對(duì)稱坡口變更為單側(cè)坡口，在兩側(cè)對(duì)稱施焊的情況下，球閥徑向方向變形趨勢(shì)不會(huì)發(fā)生明顯改變。采用窄間隙單側(cè)坡口，其Z向變形量少于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此可以對(duì)單側(cè)坡口焊接Z向焊接變形量進(jìn)行預(yù)測(cè)，借此設(shè)定合理的反變形量Δd（2～3 mm），見圖8，保證坡口寬度滿足機(jī)器人窄間隙GMAW焊接需要，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)尺寸要求。

圖8 預(yù)設(shè)反變形量示意Fig.8 Schematic diagram of preset reverse deformation

2.4 機(jī)器人窄間隙焊接過(guò)程質(zhì)量控制

在機(jī)器人本體自身精度良好的情況下，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有極佳的一致性與穩(wěn)定性[10]，但焊接是一個(gè)復(fù)雜的冶金過(guò)程，其系統(tǒng)涉及電源、氣體保護(hù)、焊炬、水冷卻保護(hù)、送絲系統(tǒng)等，機(jī)器人焊接尤其是窄間隙坡口機(jī)器人焊接，焊接過(guò)程還受來(lái)料、裝配精度多方面因素影響，過(guò)程控制不當(dāng)容易出現(xiàn)長(zhǎng)條的連續(xù)性缺陷（如氣孔、未熔合），而受坡口空間限制，極難在不破壞窄間隙坡口尺寸的前提下進(jìn)行返修，焊接過(guò)程中出現(xiàn)缺陷會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)焊接過(guò)程的連續(xù)性，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高效焊接。對(duì)于高效、高質(zhì)量要求的球閥閥體焊縫，焊縫過(guò)程質(zhì)量控制顯得尤為重要。

通過(guò)對(duì)球閥閥體機(jī)器人窄間隙橫向焊接過(guò)程進(jìn)行梳理，重點(diǎn)從以下方面保證焊縫質(zhì)量。

2.4.1 焊接飛濺控制

焊接過(guò)程中若焊接飛濺較大，會(huì)影響焊接過(guò)程連續(xù)性與焊縫內(nèi)部質(zhì)量。飛濺大量附著在導(dǎo)電嘴上，將阻礙焊絲進(jìn)給，引起電弧明顯跳動(dòng)，若不及時(shí)停止焊接，會(huì)產(chǎn)生未熔合缺陷；飛濺大量附著在坡口面上，局部可能出現(xiàn)未熔合缺陷，每層每道間需及時(shí)進(jìn)行清理，增加了焊接輔助時(shí)間，影響焊接的連續(xù)性，降低機(jī)器人焊接效率。

焊接飛濺產(chǎn)生于熔滴過(guò)渡時(shí)，使用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%二元保護(hù)氣體，采用數(shù)字化脈沖焊接電源，在小電流條件下即可實(shí)現(xiàn)射流過(guò)渡，通過(guò)合理匹配電流電壓參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)幾乎零飛濺焊接。由于焊接飛濺對(duì)焊接參數(shù)較為敏感，電流電壓出現(xiàn)明顯波動(dòng)時(shí)飛濺會(huì)顯著增大。本文受設(shè)備條件限制，并無(wú)電弧參數(shù)自我反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)保證參數(shù)的一致性，而是通過(guò)對(duì)焊道層高、機(jī)器人多層多道偏移量的精確計(jì)算與控制（每層層高5.5 mm），使得整個(gè)焊接過(guò)程焊絲干伸長(zhǎng)波動(dòng)不超過(guò)1 mm，在給定參數(shù)設(shè)置下，電流電壓參數(shù)不會(huì)發(fā)生明顯變化，進(jìn)而保證整個(gè)焊接過(guò)程的低飛濺。

2.4.2 送絲系統(tǒng)穩(wěn)定性控制

焊絲在送絲輪的推動(dòng)下經(jīng)送絲導(dǎo)管到達(dá)焊炬導(dǎo)電嘴末端，在實(shí)際使用過(guò)程中可能因管路阻力過(guò)大出現(xiàn)送絲不暢、電弧拉長(zhǎng)，造成焊縫根部咬邊、未熔合等缺陷。為保持送絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小送絲阻力，采取的措施主要有：（1）縮短送絲導(dǎo)管長(zhǎng)度，減小管路阻力，送絲線纜長(zhǎng)度以1.5 m為宜；（2）優(yōu)化焊接姿態(tài)，避免導(dǎo)管形成死彎，導(dǎo)管折彎角度不小于90°；（3）及時(shí)對(duì)導(dǎo)電嘴進(jìn)行清理或更換。

2.4.3 焊絲指向性控制

窄間隙GMAW焊接最為關(guān)鍵的是保證對(duì)坡口側(cè)壁的熔合，焊絲指向性不足會(huì)引起未熔合缺陷。焊絲指向性控制的措施主要有：（1）引入機(jī)器人焊接跟蹤系統(tǒng)，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確，保證焊絲指向側(cè)壁；（2）引入熔池觀察系統(tǒng)，實(shí)時(shí)觀察母材熔合情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)焊絲指向角度；（3）調(diào)整優(yōu)化焊接姿態(tài)，保證焊絲與坡口側(cè)壁的距離。

2.4.4 氮?dú)饪椎念A(yù)防

窄間隙焊接坡口內(nèi)若出現(xiàn)氣孔缺陷，僅能通過(guò)碳弧氣刨的方式進(jìn)行去除，極易損傷坡口，且修復(fù)困難。而球閥閥體組焊焊縫長(zhǎng)達(dá)3 m，坡口距離地面約2 m，較易受外界風(fēng)源影響而產(chǎn)生氮?dú)饪住Ｖ饕A(yù)防措施為：（1）在機(jī)器人閥體焊接工位周圍設(shè)置擋風(fēng)板；（2）在坡口外側(cè)通過(guò)點(diǎn)焊固定的方式設(shè)置弧形擋板，延長(zhǎng)坡口深度，提高淺表層氣體保護(hù)效果；（3）在焊炬兩側(cè)增加二次保護(hù)氣路，增強(qiáng)排開空氣與焊接煙塵的效果。

3 產(chǎn)品應(yīng)用及效果

經(jīng)前期大量試驗(yàn)論證與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚥邉潱瑱C(jī)器人窄間隙GMAW焊接技術(shù)在東方電機(jī)有限公司某抽水蓄能產(chǎn)品球閥上進(jìn)行了應(yīng)用，如圖9所示，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人高效高質(zhì)焊接。采用窄間隙坡口，球閥閥體焊接量從單臺(tái)700 kg減少至240 kg，焊接量降低66%，大幅降低了資源消耗和勞動(dòng)強(qiáng)度；閥體焊縫焊接周期從25天以上降至7天；焊接變形得到了較好的控制，焊接收縮量與預(yù)設(shè)反變形量一致，總體尺寸滿足設(shè)計(jì)要求；焊后焊縫經(jīng)TOFD探傷，總體探傷合格率99%，其中機(jī)器人焊接部分一次探傷合格率達(dá)100%。

圖9 球閥閥體機(jī)器人窄間隙焊接應(yīng)用Fig.9 Application of robot narrow-gap welding for ball valve body

4 結(jié)論

（1）將窄間隙技術(shù)與機(jī)器人特點(diǎn)相結(jié)合，在同行業(yè)中首次實(shí)現(xiàn)了大型抽水蓄能球閥機(jī)器人窄間隙焊接新制造工藝。

（2）該技術(shù)在某抽水蓄能機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，與傳統(tǒng)工藝相比提升了焊接質(zhì)量穩(wěn)定性，大幅降低了焊接工作量和資源消耗，并改善了焊接工人的勞動(dòng)環(huán)境。

（3）“十四五”規(guī)劃中抽水蓄能電站將得到迅猛發(fā)展，隨著該技術(shù)的推廣應(yīng)用，可緩解抽水蓄能球閥生產(chǎn)周期瓶頸，提高球閥產(chǎn)品產(chǎn)出能力。