CN104722894A - 核燃料棒多功能全自动tig焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种焊接装置，具体涉及一种核燃料棒多功能全自动TIG焊接装置。它包括跟踪机构，跟踪机构上设有焊室，焊室设置在加紧旋转装置上，加紧旋转装置的右侧设有送料器，送料器的右侧设有送料托轮，送料托轮的右侧设有旋转托轮，旋转托轮的右侧设有拔料机构，拔料机构的右侧设有附室抽真空装置，其中，送料器、送料托轮、旋转托轮、拔料机构和附室抽真空装置均安装在机架上。它采用新型气路结构，解决氦气排气回路对焊室的污染，消除了焊缝热影响区边缘出现的白色腐蚀产物；采用专用超高频引弧器，解决氦气的电离电位高，焊接时引弧较困难的问题。

Description

核燃料棒多功能全自动TIG焊接装置

技术领域

本发明属于一种焊接装置，具体涉及一种核燃料棒多功能全自动TIG焊接装置。

背景技术

目前，国际上少有见到采用TIG焊接工艺和设备进行大批量焊接M5合金包壳管环焊缝的报道。世界上核电发达国家进行核燃料组件燃料棒环缝焊接的情况如下：法国AREVA公司60年至90年代初期采用TIG环缝焊接工艺，焊接对象为Zr-4合金材料，90年代初期开始采用激光焊接环缝工艺，焊接对象为Zr-4合金材料和M5合金材料，后来采用压力电阻焊焊接M5合金燃料棒。俄罗斯NCCP公司主要采用电子束焊和压力电阻焊环缝焊接工艺和设备，焊接对象为E110合金材料。韩国KNF公司焊接燃料棒采用的是压力电阻焊环缝焊接工艺和设备，焊接对象为优化Zr-4合金材料。中核建中核燃料元件有限公司(CJNF)燃料棒生产线环缝焊接包括电子束焊接和TIG焊接工艺，其中电子束焊接主要用于全M5包壳管焊接，TIG焊接工艺的焊接对象主要为Zr-4合金（PC和QSI工程）和M5合金，后来引进了俄罗斯的VVER生产线，采用的是电子束和压力电阻焊生产工艺；当前，CJNF和中核北方燃料元件有限公司引进法国AREVA较先进技术，燃料棒的环缝焊接采用压力电阻焊。

从目前几个主要国家的燃料棒焊接技术的发展趋势来看，燃料棒焊接技术有向压力电阻焊焊接技术方向发展的趋势，例如法国AFA3G燃料棒压力电阻焊技术和俄罗斯的VVER燃料棒压力电阻焊技术，但与熔化焊相比，压力电阻焊缝检验方法的可靠性问题还是存在着不同的看法。而燃料棒的TIG焊接技术成熟，检验方法可靠，焊接设备相对简单，可靠性好，美国的AP1000燃料棒焊接采用的就是TIG焊接技术，可见TIG焊接工艺同样具有广阔的应用前景。

而现在生产线线TIG环缝焊机和俄罗斯电子束焊机返修率一般为2.3%，生产效率和产品质量较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种核燃料棒多功能全自动TIG焊接装置，应用本发明进行焊接的总返修率约为0.356%，生产效率和产品质量得到大大的提高。

本发明是这样实现的，核燃料棒多功能全自动TIG焊接装置，它包括跟踪机构，跟踪机构上设有焊室，焊室设置在加紧旋转装置上，加紧旋转装置的右侧设有送料器，送料器的右侧设有送料托轮，送料托轮的右侧设有旋转托轮，旋转托轮的右侧设有拔料机构，拔料机构的右侧设有附室抽真空装置，其中，送料器、送料托轮、旋转托轮、拔料机构和附室抽真空装置均安装在机架上。

所述的送料器包括送料机滑轨部件，送料机滑轨部件下部设有压紧弹簧，压紧弹簧的下部设有驱动力矩电机和送料轮，送料轮的下部设置压紧轮，压紧轮安装在压紧气缸上。

所述的焊室包括跟踪机构，跟踪机构的下部设有焊炬，焊炬的下部为焊枪平移调整机构，焊枪平移调整机构的一侧设有旋转部件，旋转部件上设有气缸，焊枪平移调整机构的另一侧安装有端塞抽真空接头，焊枪平移调整机构的底部安装有焊室抽真空接头。

本发明的优点是，采用新型气路结构，解决氦气排气回路对焊室的污染，消除了焊缝热影响区边缘出现的白色腐蚀产物；采用专用超高频引弧器，解决氦气的电离电位高，焊接时引弧较困难的问题；设置了双托轮机构、送料轮压紧力调节机构、特殊的副室结构及焊室夹持机构等，可以在传输和焊接过程中满足燃料棒表面划伤深度小于0.025mm、划痕的宽度小于4mm产品技术条件要求。

附图说明

图1为本发明所提供的核燃料棒多功能全自动TIG焊接装置示意图；

图2为送料器示意图；

图3为焊室示意图；

图4为电气控制部分总体结构框图。

图中，1跟踪机构，2焊室，3加紧旋转装置，4送料器，5送料托轮，6旋转托轮，7拔料机构，8附室抽真空装置，11压紧轮，12压紧气缸，13送料机滑轨部件，14压紧弹簧，15驱动力矩电机，16送料轮，21跟踪机构，22端塞抽真空接头，23焊室抽真空接头，24焊炬，25焊枪平移调整机构，26旋转部件，27气缸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍：

如图1所示，核燃料棒多功能全自动TIG焊接装置包括跟踪机构1，跟踪机构1上连接有焊室2，焊室2安装在加紧旋转装置3上，加紧旋转装置3的右侧设置有送料器4，送料器4的右侧设置有送料托轮5，送料托轮5的右侧设置有旋转托轮6，旋转托轮6的右侧设置有拔料机构7，拔料机构7的右侧设置有附室抽真空装置8，其中，送料器4、送料托轮5、旋转托轮6、拔料机构7和附室抽真空装置8均安装在机架上。

如图1所示，燃料棒按批手工上到上料架→料架自动上料启动→取料架检测有无燃料棒，若有则单根取料→送料器压紧轮下降、旋转送燃料棒到焊室→夹具夹紧燃料棒、焊室抽真空→压紧轮上升→焊接托轮上升→送料托轮下降→（附室抽真空装置就位）→燃料棒旋转→焊枪氦气阀门打开，送保护氦→按照预置程序进行自动焊接→冷却→燃料棒旋转停→松夹具→送料托轮上升、焊接托轮下降→压紧轮下降、旋转出料→取料架单根取料并下料→下一循环。

如图2所示，送料器4包括送料机滑轨部件13，送料机滑轨部件13下部安装有压紧弹簧14，压紧弹簧14的下部安装有驱动力矩电机15和送料轮16，送料轮16的下部设置压紧轮11，压紧轮11安装在压紧气缸12上。

送料驱动部件安装在气动导轨滑块上，送料时，压紧轮上升，送料轮下降，夹紧工件，送料轮为主动轮。送料轮选用的摩擦型扭矩限制器在过载时因摩擦消耗能量缓和冲击，工作平稳、调整和使用方便、维修简单、灵敏度较高，过载消除后即自动恢复。

如图3所示：焊室2包括跟踪机构21，跟踪机构21的下部设置有焊炬24，焊炬24的下部为焊枪平移调整机构25，焊枪平移调整机构25的一侧安装有旋转部件26，旋转部件26上安装有气缸27，焊枪平移调整机构25的另一侧安装有端塞抽真空接头22，焊枪平移调整机构25的底部安装有焊室抽真空接头23。

焊室针对燃料棒产品的技术要求（如针对包壳管表面划伤的要求，焊接缺陷的要求等）进行了有针对性的设计，其主要特点是：

焊接小室气密性好，并配备有真空系统，该系统可在充保护气体之前对焊接小室抽真空，最大限度降低有害气体浸入保护气体，有效的保证了氦气纯度，减小有害气体对焊缝污染的可能性。焊接小室抽到一定的真空后，反充入氦气，焊室内与管道内的气体达到平衡后开始焊接，这种方法最低限度的减少了有害气体对焊缝及热影响区的影响，确保了M5合金包壳管环焊缝的抗腐蚀性能。

设置了弧长跟踪系统自动调节电极与工件焊缝的距离，确保焊接质量的稳定性；设置了气缸控制的极间距观察系统，便于操作者观察焊接过程。

针对焊接工艺流程的各个不同的阶段，设置了各种特殊的托轮结构和送料机构，确保了产品在各种工况下的表面质量；

设置了特殊的副室机构和顶头机构，以消除焊接的气胀缺陷。

焊枪系统由焊枪体、焊枪骨架、弧长调整系统及钨极对中系统等组成。本焊枪具有以下特点：钨极可由跟踪机构带动升降；焊枪采用端面密封，焊枪与焊室真空密封达到优于5Pa；结构简单，拆装方便；焊枪平移调整方便；钨极夹紧可靠、方便调整对中；电极与焊枪之间采用耐高温的绝缘材料，以满足焊机长期使用要求

为了使焊缝熔宽、熔深均匀一致，保证焊接质量，采用弧长自动调整系统，使电弧长度在整个焊接过程中保持基本不变是必要的。这就要求设计弧长自动跟踪系统，以电弧电压为传感源，采用弧压反馈技术来控制电弧长度，达到连续、稳定焊接的目的。

如图4所示，电气控制部分总体结构框图。系统由日本三菱公司FX2N-系列PLC为主的中央控制系统配电柜、操作台，弧长检测与跟踪，气体压力检测，焊机控制，自动检料、上下进出料，控制工件的回转，真空泵的起/停等。

在满足可靠性、稳定性前提下，具有焊接过程的全自动控制和维修、调试的全手动操作。良好的人机界面，具有良好的可操作性、可视性，配套计算机及激光打印机、激光条码阅读器（流通卡数据录入及输出用）。

根据整套焊接系统需要控制点位较多，存储和故障显示及系统的高可靠性要求，选定工业自动控制中可靠性好、编程修改方便的可编程序控制器PLC作为主控单元，以达到全部焊接过程的自动化和各种参数的存储和显示。实际应用中采用日本三菱公司的PLC、接触器、中间继电器、按钮及指示灯采用进口施耐德的产品、真空计采用成都睿宝电子科技有限公司生产内部隔离的数显真空计。

工艺流程：工件向前进入焊室，到位→夹紧气缸夹紧工件、密封→关闭排气阀→抽真空→真空值到→延时、关抽真空和真空测量→工件旋转→充氦→氦气压力到→延时→焊接→冷却→工件旋转停止→关氦气进气阀→放气→夹紧松开→燃料棒退回，到位。

本发明的特点如下：

①焊接装置引弧部分针对氦气气氛进行了特殊改进，采用专用高频引弧器，解决氦气的电离电位高，焊接时引弧较困难的问题，同时焊接电源采用国际知名品牌，安全、可靠、参数控制精度高，电弧燃烧稳定；

②焊接小室气密性好，并配备有真空系统，该系统可在充保护气体之前对焊接小室抽真空，最大限度降低有害气体浸入保护气体，有效的保证了氦气纯度，减小有害气体对焊缝污染的可能性。焊接小室抽到一定的真空后，反充入氦气，焊室内与管道内的气体达到平衡后开始焊接，这种方法最低限度的减少了有害气体对焊缝及热影响区的影响，同时改进的气路设计，避免了上端环缝焊接在排气过程中对管路的污染，确保了M5合金包壳管环焊缝的抗腐蚀性能。

③焊枪结构为端面密封，钨极的调整为直线运动，从而确保钨极对中调整方便，电极的更换轻松，焊室的气密性得到有效的保障。照明成像系统使得极间距得到量化调节，同时操作人员也可以通过该系统监控整个焊接过程。

④设计采用的压紧力可调的压紧机构，保证了在自动送料顶紧顶头的情况下，压轮对包壳管表面的蹭痕较轻；双托轮结构使燃料棒包壳管在送料及焊接时分别被滚动轮支撑，确保了包壳管的表面质量；新型副室密封结构，既保证了管内产生较高负压，消除焊接气胀缺陷，又保证了燃料棒包壳管管口不划伤密封圈，影响上端管口的清洁度；

⑤弧长跟踪系统及极间距观察系统的设计，确保了极间距在规定范围内变化，保证了产品质量；同时方便观察者实时观察整个焊接过程。

⑥通过采用相应的干扰措施，避免了TIG焊机对自身的干扰以及现场其它设备的干扰。

⑦该装置及能焊接燃料棒的上端，又能焊接燃料棒的下端，是目前已知的功能最全面的燃料棒TIG自动焊接装置。

Claims (3)

1.核燃料棒多功能全自动TIG焊接装置，其特征在于：它包括跟踪机构（1），跟踪机构（1）上设有焊室（2），焊室（2）设置在加紧旋转装置（3）上，加紧旋转装置（3）的右侧设有送料器（4），送料器（4）的右侧设有送料托轮（5），送料托轮（5）的右侧设有旋转托轮（6），旋转托轮（6）的右侧设有拔料机构（7），拔料机构（7）的右侧设有附室抽真空装置（8），其中，送料器（4）、送料托轮（5）、旋转托轮（6）、拔料机构（7）和附室抽真空装置（8）均安装在机架上。

2.如权利要求1所述的核燃料棒多功能全自动TIG焊接装置，其特征在于：所述的送料器（4）包括送料机滑轨部件（13），送料机滑轨部件（13）下部设有压紧弹簧（14），压紧弹簧（14）的下部设有驱动力矩电机（15）和送料轮（16），送料轮（16）的下部设置压紧轮（11），压紧轮（11）安装在压紧气缸（12）上。

3.如权利要求1所述的核燃料棒多功能全自动TIG焊接装置，其特征在于：所述的焊室（2）包括跟踪机构（21），跟踪机构（21）的下部设有焊炬（24），焊炬（24）的下部为焊枪平移调整机构（25），焊枪平移调整机构（25）的一侧设有旋转部件（26），旋转部件（26）上设有气缸（27），焊枪平移调整机构（25）的另一侧安装有端塞抽真空接头（22），焊枪平移调整机构（25）的底部安装有焊室抽真空接头（23）。