CN112935475A - 核电钢制安全壳焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种核电钢制安全壳焊接方法，采用焊接机器人对钢制安全壳体进行焊接。焊接机器人通过磁力吸附在安全壳体表面，且焊接机器人通过履带在安全壳体上移动；焊接机器人设有自动化的十字模块，焊枪设置在十字模块上；焊接机器人还设置了焊缝激光***及***、熔池相机和无线遥控器，通过控制焊接机器人对焊缝进行焊接。采用无轨导机器人进行钢制安全壳的焊接，主要是进行横焊缝和立焊缝的拼接。无轨机器人利用强力磁力将自身吸附在工件上，并配置可独立移动的履带，因此可实现在大平面工件上的任意移动。机器人上配置专门的焊枪及相应的十字模块，可实现焊前定位和摆动焊接。

Description

核电钢制安全壳焊接方法

技术领域

本发明涉及无轨导焊接领域，尤其是涉及一种核电钢制安全壳无轨导焊接方法。

背景技术

钢制安全壳是核电站非能动安全壳冷却***中最关键的组成部分，属于核安全2级设备，是隔离安全壳内部空间与外部电厂构筑物和环境的边界，也是核岛厂房起到放射性物质包容功能的最后一道屏障。钢制安全壳结构重要性高，主要由底封头、筒体、顶封头构成，采用大量的厚钢板焊接而成，钢板厚度多为40mm～60mm，其主要的焊缝形式是大曲率焊缝或类直线焊缝在内，具有焊缝坡口截面类型复杂，横向变化范围小等特点的焊缝。

针对这种焊缝结构，目前主要采用手工焊，比如焊条电弧焊、半自动熔化极气体保护焊，手工焊接效率低、焊接环境差，尤其是厚板焊接时需要预热至100℃～200℃，对焊工的技能要求高，焊接质量稳定性不佳。为改善现场焊接环境、提高焊接质量，部分焊缝采用自动焊工艺，通过轨道式移动焊接小车进行自动熔化极气体保护焊。但轨道式移动焊接小车也存在诸多限制，如需要在焊接之前根据焊缝位置将导轨安装固定，轨道的安装与拆卸都较为麻烦，而钢制安全壳有大量的焊缝需要焊接，那么就需要对导轨进行多次安装拆卸，造成大量人力、物力的消耗，影响正常工期，而且轨道的安装与小车的调试情况，直接影响焊接质量。一旦轨道安装不合适，将导致整条焊缝出现缺陷。为提高核电钢制安全壳焊接效率、改善焊接环境、保证焊接质量，发明了一种核电钢制安全壳无轨导焊接方法。

中国专利CN107052518A“一种无轨焊接机器人”公开了一种无轨焊接机器人,包括用于控制焊接动作的焊接主体和用于吸附在焊接工件表面的驱动装置,所述焊接主体安装在驱动装置上；所述驱动装置包括底板和均布在底板四角的磁轮箱,所述磁轮箱内设有用于吸附在焊接工件表面的磁轮。磁轮的结构与焊接件都是点接触，吸附力差，容易出现掉落的风险，且焊枪的控制也较为复杂笨重，不适用于类直线焊缝的焊接。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种核电钢制安全壳焊接方法，解决针对大曲率焊缝或类直线焊缝手工焊接效率低、焊接环境差的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种核电钢制安全壳焊接方法，采用无轨导焊接机器人对钢制安全壳体进行焊接，焊接机器人通过磁力吸附在安全壳体表面，且焊接机器人通过履带在安全壳体上移动，焊接机器人设有自动化的十字模块，焊枪设置在十字模块上，焊接机器人还设置了焊缝激光***及***、熔池相机和无线遥控器，通过控制焊接机器人对焊缝进行焊接。

优选方案中，S1、对焊缝表面进行机加或者打磨处理；

S2、采用组对工装进行钢制安全壳组对，控制组对间隙、错边量，并进行点固；

S3、设置焊接机器人的焊接参数；

S4、将焊接机器人放置在待焊接的焊缝上，调整焊接机器人对焊缝焊接；

S5、焊后对焊缝进行无损检验。

优选方案中，A1、通过调节焊接机器人主磁体的距离实现磁性固定；

A2、无线遥控器控制调节焊接机器人，保证机器人与焊缝平行；

优选方案中，B1、首先进行立缝的焊接，焊接方向为立向上；

B2、通过遥控器起弧，对焊缝进行打底焊；

B3、打底焊时，打开激光捕捉与跟踪功能，根据现场光线情况，设置曝光与增益值，保证激光捕捉准确，使得打底焊接过程中机器人行走不走偏；

B4、焊接前方坡口有变化时，激光跟踪对坡口信息进行捕捉进行反馈，焊接机器人自动实时调整左右履带轮的速度来完成无轨机器人在焊接过程中的左右偏移，进行轨迹矫正，偏移较大时，操作者可通过遥控器控制焊枪横移；

B5、激光跟踪***无法跟踪最后一段焊缝，通过前端焊缝焊接时得到机器人行走方向与水平方向的夹角，将此夹角输入控制***，完成剩余焊道的焊接。

优选方案中，打底焊完成后，通过遥控器操控机器人返回到起始焊接位置，待层间温度低于200℃时，开始后续的填充焊接。

优选方案中，C1、坡口一面焊接4-5道焊缝后，对焊缝背面进行清根，经渗透检验清根合格后，对背面焊缝进行打底和填充；

C2、填充焊缝约6-8道，再继续进行第一面焊缝剩余焊道的填充及盖面，完成后再对背面焊缝剩余焊道进行填充和盖面，直到焊缝焊接完成。

优选方案中，立缝焊接完成后，通过遥控器控制机焊接机器人调整为水平方向，对水平方向的横焊缝进行打底、填充和盖面焊接。

优选方案中，焊后进行无损检验，，检验方法包括目视检测、渗透检测、超声波及射线检测。

优选方案中，设置焊接机器人的焊接参数包括：焊接电流、焊接速度、气体流量、摆幅宽度、左右停留时间、摆动速度、姿态角度，打开激光捕捉。

优选方案中，用混合气体作为工作气和保护气，气罐通过管道与焊接机器人连通，气罐内部设有20％CO₂+80％Ar的混合气体。

本发明提供了一种核电钢制安全壳无轨导焊接方法，与现有轨导自动焊相比，无轨导焊接具有施工准备工作简单、可达性好、焊接范围广、科技含量高等优点；与人工焊接相比，无轨导焊接具有焊接精度高、焊接质量好、焊接速度快、施工成本低、对高水平焊工需求少、能达高处和狭窄部位等优点，适用于大型碳钢板表面行走、周边凸起物和阻碍物少、板材温度不高于200℃的工况。采用磁吸轮履式爬行结构替代有轨导焊接小车，吸附于钢制安全壳上自由爬行，利用先进的焊缝识别、跟踪和焊接控制***，采用多种传感器采集的信息进行有效的融合，对信息进行实时提取、处理，获得焊接实时环境信息，实现焊接过程的自动跟踪焊缝，从而实现钢制安全壳无轨导焊接。采用核电钢制安全壳无轨导焊接方法，无需设置轨道即可进行自动焊接，能够自动对焊缝进行跟踪、信息采集、处理，替代人工焊接过程干预，从而保证焊接质量。核电钢制安全壳无轨导焊接方法可替代传统手工焊接方法、焊接小车轨道式自动焊接方法，改善了焊接作业环境、提高了焊接效率、降低了对焊接人员技能的依赖。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明为无轨导机器人立焊缝焊接示意图；

图2是本发明立焊缝坡口形式及焊道分布示意图；

图3是本发明横位置焊缝坡口形式及焊道分布示意图；

图中：焊接机器人1；焊接电源2；控制柜3；送丝机4；气罐5；安全壳体6；焊缝7。

具体实施方式

实施例1

如图1～3所示，一种核电钢制安全壳焊接方法，采用无轨导焊接机器人1对钢制安全壳体6的焊接，焊接机器人1通过磁力吸附在安全壳体6表面，且焊接机器人1通过履带在安全壳体6上移动，焊接机器人1设有自动化的十字模块，焊枪设置在十字模块上，焊接机器人1还设置了缝激光***及***、熔池相机和无线遥控器，通过控制焊接机器人1对焊缝7进行焊接。采用无轨导焊接机器人1进行钢制安全壳的焊接，主要是进行横焊缝和立焊缝的拼接。无轨机器人采用强力磁力将自身吸附在工件上，并配置可独立移动的履带，因此可实现在大平面工件上的任意移动。机器人上配置专门的焊枪及相应的十字模块，可实现焊前定位和摆动焊接。配置专门的焊缝激光***及***、熔池相机和无线遥控器，实现远距离焊接观察和操控。

无轨导全位置爬行焊接机器人采用磁性吸附和履带，最大负重可达30kg，无需焊前铺设导轨即可在安全壳钢衬里表面自由行走，机器人搭载焊枪、滑块、水电气接口部件等，最终实现横焊缝、立焊缝的焊接。

焊接***利用先进的焊缝识别、跟踪和焊接控制***，采用多种传感器采集的信息进行有效的融合，对信息进行实时提取、处理，获得工作环境焊接实时环境信息，实现焊接过程的自动跟踪焊缝。

采用混合气体作为工作气和保护气，焊接时焊丝中心对准接缝位置，焊接前设置好工艺参数，焊接过程进行正面保护。当激光在无法抓取的焊接位置时同步变换为姿态模式，通过保持激光跟踪得到的实时角度继续焊接，最终实现焊缝成型。焊接工艺上尽量采用对称焊接，降低焊接变形。

优选方案中，焊前对焊缝7表面进行机加或者打磨处理。利用组对工装进行钢制安全壳组对，控制组对间隙、错边量，并进行点固。设置焊接机器人1的焊接参数。将焊接机器人1放置在待焊接的焊缝7上，调整焊接机器人1对焊缝7焊接。焊后对焊缝进行无损检验。CV钢制安全壳焊接前在立缝开X形坡口，横缝开K型坡口或近K型坡口，坡口表面经机加或打磨等方式处理，以清除氧化皮、杂质等其他影响焊接质量的东西。

通过调节焊接机器人1主磁体的距离实现磁性固定。无线遥控器控制调节焊接机器人1，保证机器人与焊缝平行。

利用组对工装进行钢制安全壳组对，严格控制组对间隙、错边量，并进行点固。检验合格后，将无轨爬行机器人放在安全壳表面，通过调节主磁体的距离实现磁性固定。检查连接线缆是否连接可靠，操作者通过遥控器调节机器人初始位置和姿态，保证机器人与焊缝尽量平行。

设置摆动时，机器人焊枪进行模拟摆动，观察喷嘴与坡口面的干涉情况并实时调整，保证初始焊丝处于坡口中心位置。

优选方案中，首先进行立缝的焊接，焊接方向为立向上。通过遥控器起弧，对焊缝7进行打底焊。打底焊时，打开激光捕捉与跟踪功能，根据现场光线情况，设置曝光与增益值，保证激光捕捉准确，使得打底焊接过程中机器人行走不走偏。焊接前方坡口有变化时，激光跟踪对坡口信息进行捕捉进行反馈，焊接机器人1自动实时调整左右履带轮的速度来完成无轨机器人在焊接过程中的左右偏移，进行轨迹矫正，偏移较大时，操作者可通过遥控器控制焊枪横移。激光跟踪***无法跟踪最后一段焊缝7，通过前端焊缝焊接时得到机器人行走方向与水平方向的夹角，将此夹角输入控制***，完成剩余焊道的焊接。

优选方案中，打底焊完成后，通过遥控器操控机器人返回到起始焊接位置，待层间温度低于200℃时，开始后续的填充焊接。

优选方案中，C1、坡口一面焊接4-5道焊缝后，对焊缝背面进行清根，经渗透检验清根合格后，对背面焊缝进行打底和填充。填充焊缝约6-8道，再继续进行第一面焊缝剩余焊道的填充及盖面，完成后再对背面焊缝剩余焊道进行填充和盖面，直到焊缝焊接完成。立缝焊接完成后，通过遥控器控制机焊接机器人1调整为水平方向，对水平方向的横焊缝7进行打底、填充和盖面焊接。水平方向横焊焊缝为K型坡口或近K型坡口，因此将焊枪与焊接方向角度调整为0°，焊枪与水平面的角度为25°。

特别地，由于激光跟踪***安装在焊枪前方，从而导致最后一段焊缝无法使用激光进行焊接，此时可以采用姿态模式进行焊接。通过前端焊缝焊接时得到机器人行走方向与水平方向的夹角。将此夹角输入控制***，完成剩余焊道的焊接。采用姿态模式焊接可保证焊接的过程全程保持在此角度±1°范围内，从而保证不焊偏。

特别地，打底焊接完成后，通过遥控器操控机器人返回到起始焊接位置，待层间温度低于200℃时，开始后续的填充焊接，步骤与打底焊一致。

特别地，进行盖面焊接时由于坡口已被填充焊时的高温氧化甚至熔化，导致激光抓取准确度降低，此时采取前述的姿态模式进行焊接，能保证盖面焊接时焊缝不发生偏移。

焊后无损检验方法为，包括目视检测、渗透检测、超声波及射线检测。焊后按要求对焊缝进行无损检验，包括目视检测、渗透检测、超声波及射线检测等，保证焊缝没有超标缺陷。

优选方案中，设置焊接机器人1的焊接参数包括：焊接电流、焊接速度、气体流量、摆幅宽度、左右停留时间、摆动速度、姿态角度，打开激光捕捉。

优选方案中，用惰性气体作为工作气和保护气，气罐5通过管道与焊接机器人1连通，气罐5内部设有20％CO₂+80％Ar混合气体。

实施例2

结合实施例2进一步说明，如图1～3所示，一、钢制安全壳筒体结构由多层筒体拼焊而成，待焊焊缝包括纵缝和环缝(横焊缝)，施工时一般先完成纵缝焊接，设计上允许采用自动气保焊接工艺。

二、立缝坡口形式为X型，如图2所示；横缝坡口形式为K型或近K型，如图3所示。焊前坡口表面经机加或打磨等方式处理，以清除氧化皮、杂质等其他影响焊接质量的东西。打磨完成后采用龙门卡具进行组对，调整组对间隙约0～3mm，并进行点焊固定。

三、焊前检验合格后，将无轨导机器人放在筒体表面，调整好姿态及接触面间隙，通过调节主磁体的距离实现磁性固定；调节主磁体时应注意为万向轮刚好轻触到工件上，太松或者太紧都会导致焊接时出现打滑而影响正常焊接。

检查连接线缆2是否连接可靠，特别是其中的激光数据传输接口，否则激光***不可用。包括无轨导焊接机器人1与焊接电源3、控制柜4、送丝机5、焊接气体的连接。确认无误后，通过遥控器启动设备，调整机器人初始位置和姿态，保证机器人1尽量与焊缝平行。

调整焊枪角度，使得焊枪略微倾斜向上，推荐角度为5～10°。

在控制***4上设置焊接参数，包括焊接电流、焊接速度、气体流量、摆动宽度、左右停留时间、摆动速度、姿态角度，打开激光捕捉。

推荐立焊焊接电流为：

焊道	打底	填充	盖面
				电流	120～160	90～120	100～160
电压	15～25	15～25	15～25

焊接速度为35cm/min～60cm/min，保护气为15～25L/min。气体采用80％Ar+20％CO₂。

焊前可先开启摆动模式，从而使焊枪随之摆动，操作者观察焊枪喷嘴与坡口面的干涉情况并实时调整，保证焊丝处于焊缝中心位置。

四、打底焊接时，摆幅宽度为4mm、左右停留时间为1s。焊前控制柜上打开激光跟踪***，选取双拐点抓取模式，调节曝光和增益，使焊缝坡口能被捕捉准确。

特别地，由于激光***在焊枪前方约15cm左右，所以在焊缝末端焊接时激光跟踪不准确。因此末端焊缝的焊接采用姿态模式，该模式下设置的角度为激光跟踪模式下所得，从而保证整体焊接的稳定不偏移。

焊接时的焊道分布按照如图2-3所示的对称焊接，可有效减少焊接变形。摆幅宽度、左右停留时间参数设置推荐值为：

焊道序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11～16
												摆幅宽度mm	4	8	12	4	8	12	8	10	8	10	10
左停留时间s	1	1.2	1.2	1	1.2	1.2	0.6	1.2	0.6	1.2	1
												右停留时间s	1	1.2	1.2	1	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2	1

第4道焊缝焊前需进行清根，并进行渗透检验，保证清根彻底。

焊接过程中，控制道间温度不超过200℃。

每一道重新焊接时，需将爬行机器人移动到焊接起始焊接位置，设置好对应参数后即可进行焊接。

特别地，打底焊时，因焊缝坡口为机械加工，激光跟踪较为准确；若焊接过程因为外部环境影响导致焊缝走偏，操作者可通过手动实时调整焊枪的横移。

打底焊接完成后，机器人已记录行走轨迹与水平面的夹角，因此填充焊时可采用姿态模式，防止后续焊接，尤其是盖面焊时，因为坡口面被熔化导致的焊缝跟踪不准确。

五、立缝焊接完成后，将无轨机器人移动到焊缝起始位置。焊前调整焊枪角度，推荐焊枪与焊接方向角度为0°，焊枪与水平面角度为15°～25°。

推荐横焊焊接参数为：

焊道	打底	填充	盖面
				电流	200～300	200～300	200～300
电压	25～35	25～35	25～35

焊接速度为100cm/min～300cm/min，保护气为15～25L/min。气体采用80％Ar+20％CO₂。

横焊坡口及焊道分布如图3所示。焊接时无摆动幅度，也无左右停留时间。

焊接完成后，通过遥控器将机器人移动到拆卸位置，关闭电源、拔掉连接线缆、松动主磁铁、取下机器人。

焊后按要求对焊缝进行无损检验，包括目视检测、渗透检测、超声波检测及射线检测等。确保焊缝无超标缺陷存在。

特别地，为了进一步缩短施工周期，可采用多个无轨导焊接机器人进行不同焊缝同时焊接，各无轨机器人的焊接方法与本专利前述一致。

通过使用无轨导机器人自动焊接方法，实现核电钢制安全壳的自动化焊接，相对于有轨焊接，采用无轨导机器人显著提高了焊接效率，同时也保证了焊接质量，降低了施工成本。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核电钢制安全壳焊接方法，其特征是：采用无轨导焊接机器人（1）对钢制安全壳体（6）进行焊接，焊接机器人（1）通过磁力吸附在安全壳体（6）表面，且焊接机器人（1）通过履带在安全壳体（6）上移动，焊接机器人（1）设有自动化的十字模块，焊枪设置在十字模块上，焊接机器人（1）还设置了焊缝激光***及***、熔池相机和无线遥控器，通过控制焊接机器人（1）对焊缝（7）进行焊接。

2.根据权利要求1所述一种核电钢制安全壳焊接方法，其特征是：焊接方法包括：

S1、对焊缝（7）表面进行机加或者打磨处理；

S2、采用组对工装进行钢制安全壳组对，控制组对间隙、错边量，并进行点固；

S3、设置焊接机器人（1）的焊接参数；

S4、将焊接机器人（1）放置在待焊接的焊缝（7）上，调整焊接机器人（1）对焊缝（7）焊接；

S5、焊后对焊缝进行无损检验。

3.根据权利要求2所述一种核电钢制安全壳焊接方法，其特征是：将焊接机器人（1）放置在待焊接焊缝（7）的方法包括：

A1、通过调节焊接机器人（1）主磁体的距离实现磁性固定；

A2、无线遥控器控制调节焊接机器人（1），保证机器人与焊缝平行。

4.根据权利要求2所述一种核电钢制安全壳焊接方法，其特征是：焊接机器人（1）对焊缝（7）焊接方法包括：

B1、首先进行立缝的焊接，焊接方向为立向上；

B2、通过遥控器起弧，对焊缝（7）进行打底焊；

B3、打底焊时，打开激光捕捉与跟踪功能，根据现场光线情况，设置曝光与增益值，保证激光捕捉准确，使得打底焊接过程中机器人行走不走偏；

B4、焊接前方坡口有变化时，激光跟踪对坡口信息进行捕捉与反馈，焊接机器人（1）自动实时调整左右履带轮的速度来完成无轨机器人在焊接过程中的左右偏移，进行轨迹矫正，偏移较大时，操作者可通过遥控器控制焊枪横移；

B5、激光跟踪***无法跟踪最后一段焊缝（7），通过前端焊缝焊接时得到机器人行走方向与水平方向的夹角，将此夹角输入控制***，完成剩余焊道的焊接。

5.根据权利要求4所述一种核电钢制安全壳焊接方法，其特征是：打底焊完成后，通过遥控器操控机器人返回到起始焊接位置，待层间温度低于200℃时，开始后续的填充焊接。

6.根据权利要求4所述一种核电钢制安全壳焊接方法，其特征是：焊缝（7）坡口焊接方法包括：

C1、坡口一面焊接4-5道焊缝后，对焊缝背面进行清根，经渗透检验清根合格后，对背面焊缝进行打底和填充；

C2、填充焊缝约6-8道，再继续进行第一面焊缝剩余焊道的填充及盖面，完成后再对背面焊缝剩余焊道进行填充和盖面，直到焊缝焊接完成。

7.根据权利要求2所述一种核电钢制安全壳焊接方法，其特征是：立缝焊接完成后，通过遥控器控制机焊接机器人（1）调整为水平方向，对水平方向的焊缝（7）进行打底、填充和盖面焊接。

8.根据权利要求2所述一种核电钢制安全壳焊接方法，其特征是：焊后无损检验方法包括目视检测、渗透检测、超声波及射线检测。

9.根据权利要求2所述一种核电钢制安全壳焊接方法，其特征是：设置焊接机器人（1）的焊接参数包括：焊接电流、焊接速度、气体流量、摆幅宽度、左右停留时间、摆动速度、姿态角度，打开激光捕捉。

10.根据权利要求1所述一种核电钢制安全壳焊接方法，其特征是：采用惰性气体作为工作气和保护气，气罐（5）通过管道与焊接机器人（1）连通，气罐（5）内部设有20%CO₂＋80%Ar的混合气体。

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