仪表管自动焊工艺性能研究

仪表管自动焊工艺性能研究

李鹤虎,李顺洪

中国核电工程有限公司，福建 漳州 363000

摘要：经济在快速发展，社会在不断进步，模块化是核电建造的发展方向，而仪表管道具有管径小、管壁薄的特点。手工焊接仪表管对焊工的操作技能要求较高，传统手工焊焊接时难以保证一次焊接合格率，达到核级生产标准。因此急需提升核电建设自动化水平。但由于核电行业的特殊性，对焊接质量要求极为严格，有必对仪表管道自动焊的焊接参数范围和焊缝性能进行验证。

关键词：仪表管；自动焊；工艺

引言

核电厂仪表管道插套焊接头在长期服役中存在疲劳开裂失效的风险，其接头质量关乎核电厂的安全运行。从应用场合、焊前轴向间隙设计、焊接过程控制要求、焊后焊脚尺寸、焊后检测等方面明确了仪表管插套焊接头设计应遵循的基本要求，提出相应的焊接工艺控制措施，以保证仪表管道插套焊接头的长期可靠服役。为仪表管插套焊接头的规范化设计制造提供了可借鉴的技术指导。

1焊接工艺介绍

现阶段的焊接工艺在操作人员上分为手工焊、自动焊。自动焊包括机器人焊接，专机焊接，然而在焊接柔性方面机器人智能装备焊接技术常用气体保护焊（电弧融化极氩弧焊、富氩混合气体保、钨极氩气保护焊）、等离子弧焊、融焊、钎焊以及激光焊等。

2仪表管自动焊工艺性能研究

2.1力学性能检测

根据得出的最佳焊接参数，补充焊接试验4组，用于进行液体渗透、射线探伤、破坏性试验。由于管道直径较小拉伸试验时采用整管拉伸的方式进行，自熔焊缝抗拉强度的力学性能应大于母材S30408的力学性能，抗拉强度应≥525MPa，焊缝抗拉强度为605MP，大于标准要求值，证明焊缝抗拉强度满足要求。进行焊缝的面弯背弯试验，焊缝弯曲180°后，经检测未发现尺寸超过1.5mm的开裂缺陷。经过力学性能验证，可以证明仪表管自熔焊缝，在力学性能方面满足核级管道的生产要求，管道自熔焊接后，得到的焊缝抗拉能力优于原始母材。

2.2插套焊缝的焊接工艺评定

针对插套型式角焊缝焊接试验中出现的焊缝根部未焊透、表面咬边、焊塌问题，该制造厂的焊接工艺人员开展了焊接工艺评定。焊接方法为手工钨极氩弧焊，焊丝牌号为ER316L，焊丝直径Φ2.0mm。焊接过程中，根据焊缝尺寸要求确定焊道的层次和焊道数，并注意道间清理，道间温度控制在100℃以下。在保证熔透的前提下尽量采用较小热输入、低压短弧施焊、缩短高温停留时间、减小冷却速度，避免产生焊接缺陷。注意焊前装配时根部间隙为1.5-2.5mm。

2.3焊接过程控制要求

1）焊接方法相关研究结果表明，插套焊根部的焊接质量对抑制焊接接头的开裂失效非常重要。对于小径、薄壁仪表管，宜采用TIG焊，能量集中、焊接速度快、对母材热影响小，可以很好地保证焊缝根部质量。为了保证根部焊透，第一层焊层使用的热输入高于后续焊层。为了防止焊缝背面的氧化，第一层焊接时还需要进行背面保护，保护气体建议采用纯度大于等于99.99%的氩气。2）焊接层间清理要求对于核二、三级设备的焊缝，焊后的检测手段要求射线检测为抽检，考虑到插套焊接头处厚度不均匀性会造成评片的不确定性，因此建议第一层焊完后进行液体渗透检测。国内多个核电厂就出现过由于管理控制不严，角焊缝采用焊条电弧焊时因根部未清理干净，出现夹渣、气孔等缺陷，造成大量的返修工作。3）焊接变形控制不锈钢的热膨胀系数是碳钢的1.5倍，而导热系数是碳钢的1/2，所以在进行插套焊焊接薄壁管时若不采取有效措施，焊后变形会很大，对管道的疲劳寿命有负面影响。在实际焊接过程中为了防止不锈钢插套焊接头的变形，采用分段焊，或者在插套焊开始前在管道的四周施以点焊，之后再焊完所有焊道，或者设计专用夹具，焊接的同时夹在插套焊四周，能有效地控制焊接变形。

2.4焊缝实时跟踪技术

机器人智能装备焊接设备使用焊缝实时跟踪技术，保证良好的焊接质量。焊缝的实时跟踪受设备、环境、温度、材料等诸多因素影响。焊接在不同的环境等诸多因素中进行时，焊接参数就要跟着变化，应力的变化，会使焊缝发生偏离，就会出现质量缺陷等严重情况发生。焊缝质量实时检测，随时对焊接参数及路径进行调整，才能保证焊缝质量。要想实现焊缝实时跟踪技术，必须实现焊缝跟踪控制理论与方法和传感器技术。（1）焊缝跟踪控制理论与方法。使用焊缝跟踪控制技术，常用的控制理论与方法有以下几种。①焊接过程中，在焊接轨迹方向上，焊枪相对工件按照每移动固定的距离，就完成一次调整，或者说，每移动固定的距离，控制器向传感系统发出一次位置指令，焊枪依据系统给定的相对位置进行移动，进行焊接作业。②在焊接过程中，以固定的时间间隔控制器向控制系统发送位置请求的指令，焊枪依据系统给定的相对位置进行移动，从而进行焊接作业。③焊接过程中，在焊接速度方向上，提前确定焊缝线路，传感器对焊缝前段（未开始焊接）进行跟踪，向控制系统发送位置请求指令，焊枪依据系统给定的相对位置进行移动，进行焊接作业。（2）传感器技术。传感器技术不断飞速发展，在原有传感器上突飞猛进，出现一代又一代的智能传感器。在机器人智能装备焊接设备中使用广泛，为智能化设备研究起重要的推动作用。在智能装备焊接设备中长使用电弧传感器及光传感器，然而两种的原理各有不同。电弧传感器的原理是从焊弧中获得相应焊缝偏差信息的，不添加外设装置设备，使用方便，成本较低，实时性良好等优点。然而光传感器中多使用视觉识别，是传统的光传感器与图形识别及处理系统综合集成的现代先进生产技术，有效的提高了智能焊接装备的适应能力及产量和质量的提高。①路径规划及编程仿真技术。利用计算机进行图形建模，依据现场设定焊接作业的工作环境，采用动画仿真模式进行焊接路径规划，通过机器人智能焊接装备设置对相应的规划路径信息进行分析，利用规划路径的算法进行科学的分析，结合仿真技术，得出详细的焊缝规划路径。设置焊接材料，焊丝数据，焊接任务等参数，通过计算算法分析得出焊接程序，机器人智能焊接装备焊接设备依据焊接程序对工件进行焊接作业，完成智能化焊接，保证焊接质量。自动编程仿真技术以焊接任务、焊接轨迹、焊接参数等为基础，针对于机器人智能焊接装备运用与研究有着重要的推动作用。自动编程技术在焊接的各个环节中能够独立完成相应的实施目的，具备高智能化、高效率、高精度等优良特点。②遥控焊接技术。遥控焊接技术是指工作人员在离开现场，在安全的环境中对设备进行焊接或远程监视和控制，达到整个焊接完成的相关焊接工作。在一些特定场所不适合人员进入该现场进行操作，会危害人身安全的环境，如核电厂反应塔等设备维护，石油海上工作站，高温高压环境等都不适合焊接工作人员进入现场进行焊接作业，所以遥控焊接技术是完成相关工作的必然物。

结语

本文利用控制变量法研究了仪表管自动焊焊接速度的最优参数，并使用该参数重复施焊验证参数的稳定性和适用性。通过液体渗透、射线探伤、力学试验及金相检验，证明该仪表管自动焊工艺满足核级管道的质量需求。且仪表管的自动焊不受焊工的情绪波动的影响，有利于提高焊缝质量的稳定性和一致性，仪表管自动焊工艺具备应用基础条件。

参考文献

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