CN111438449A - 一种核电厂法兰3d打印再制造工艺及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种核电厂法兰3D打印再制造工艺及系统，包括去除法兰缺陷部分的金属，对法兰及其待修复区域进行扫描并建立三维模型，对法兰待修复区域的焊缝排布进行规划，生成机器人焊接路径并导入机器人控制器，先进行等离子弧焊打底层焊接再进行气体保护焊填充盖面，并在每层焊缝结束后对焊缝进行应力消除。系统包括扫描部件、模型分析部件、机器人控制器、机器人以及工作台。本发明基于机器人3D打印修复，合理布置整体的焊接顺序及方向，实现了焊接自动化，免除了人工繁重的焊接工作，实现了整体构件焊接热输入的相对平衡，达到控制焊接变形的目的，可以控制焊缝热影响区比手工焊方法的小，并控制焊缝残余应力在较小范围。

Description

一种核电厂法兰3D打印再制造工艺及系统
技术领域
本发明涉及核电设备维修技术领域，特别是涉及一种核电厂法兰3D打印再制造工艺及系统。
背景技术
大部分核电厂坐落在海边，依靠大量海水进行冷却工作，在核电厂海水冷却系统中常有大口径法兰因为垫片破损，导致法兰端面产生腐蚀，严重情况下导致介质泄漏。维修策略一般考虑更换备件或修复后再使用。但大口径法兰制作周期较长，导致某些情况下电厂没有备件，所以会选择修复后再使用策略。修复后再使用，分为在线修复和离线修复，一般小面积（腐蚀）缺陷采用在线修复，可以满足工期要求；而大面积缺陷，因为修复工作量大，工序繁琐，所以采用离线修复。
目前这类法兰离线修复，都是采用手工焊接方法补焊金属缺失部位，多名焊工同时焊接，对于焊接热影响区、焊接变形和焊接残余应力无法有效控制，而控制不到位的区域可能是下次缺陷的起源。
具体来说：这种核电厂的大口径法兰离线维修，先将法兰缺陷部位的金属挖除掉，然后做表面检测确定缺陷已全部去除，再由多名焊工进行缺陷部位补焊，因为每人都需要一定的操作空间，而且手工焊速度、顺序都是直接由操作者根据习惯决定，所以法兰修复的热影响区、焊接变形和焊接残余应力无法有效控制。
缺陷区域手工焊接修复方法一般是手工钨极氩弧焊和手工焊条电弧焊，这两种方法焊接热源比较分散，焊接热影响区比较大，而且局部区域连续施焊，焊接热影响区会更大。
手工焊接修复缺陷区域都是从一边连续施焊到另外一边，不会根据缺陷区域的分布平衡布置焊道排布，导致焊接变形也是比较大。
焊接残余应力无法避免，只能降低，在焊接过程中常用控制残余应力的工艺措施有：合理的焊接顺序及方向，锤击焊缝，而在多人同时补焊条件下，每人负责一个区域，无法全局安排，而且一处焊缝锤击会影响其他区域不能焊接，所以这两种措施无法实现。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种核电厂法兰3D打印再制造工艺，可应用于核电厂大口径法兰腐蚀部位采用3D打印方法再制造修复，大型工业设施或一般工业设施维修行业也可参考使用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种核电厂法兰3D打印再制造工艺，其基于机器人3D打印系统，包括：
S1、去除法兰缺陷部分的金属，暴露其待修复区域，
S2、对法兰及其待修复区域进行扫描并建立三维模型，
S3、根据所建立的三维模型对法兰待修复区域的焊缝排布进行规划，生成机器人焊接路径并导入机器人控制器，
S4、在规划好的路径下，先进行打底层焊接再进行填充盖面，并在每层焊缝结束后对焊缝进行应力消除，直至完成法兰的修复。
优选地，在S4中：采用等离子弧焊进行打底层焊接，采用热源比较集中的等离子弧焊进行打底层的焊接，可以有效减少修复焊缝的热影响区；采用气体保护焊进行填充盖面；采用超声波振动对焊缝进行应力消除。
优选地，在S2中：采用激光扫描仪对法兰及其待修复区域进行扫描。
优选地，在S3中：采用基于有限元分析的软件对焊缝排布进行规划。
本发明的另一个目的是提供一种核电厂法兰3D打印再制造系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种核电厂法兰3D打印再制造系统，包括：
扫描部件，用于对法兰及其待修复区域进行扫描并建立三维模型，
模型分析部件，与所述的扫描部件相连接，用于根据所建立的三维模型对法兰待修复区域的焊缝排布进行规划，生成焊接路径，
机器人控制器，与所述的模型分析部件相连接，用于发出焊接控制指示，
机器人，与所述的机器人控制器相连接，用于进行焊接执行。
优选地，所述的机器人包括机器人主体、连接在所述的机器人主体上的枪头工具，所述的枪头工具包括用于进行打底层焊接的底层焊接部件、用于进行填充盖面焊接的盖面焊接部件、用于对焊缝进行应力消除的应力消除部件。
进一步优选地，所述的底层焊接部件为等离子弧焊设备；所述的盖面焊接部件为气体保护焊设备；所述的应力消除部件为超声波焊缝残余应力消除设备。
进一步优选地，所述的枪头工具通过快速更换部件可拆装地连接在所述的机器人主体上。
优选地，所述的扫描部件为激光扫描仪。
优选地，所述的系统还包括用于放置法兰的工作台。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明基于机器人3D打印修复，合理布置整体的焊接顺序及方向，实现了焊接自动化，免除了人工繁重的焊接工作，实现了整体构件焊接热输入的相对平衡，达到控制焊接变形的目的，可以控制焊缝热影响区比手工焊方法的小，并控制焊缝残余应力在较小范围。
附图说明
附图1为本实施例中系统的示意图。
其中：1、激光扫描仪；2、模型分析用电脑；3、机器人控制器；4、机器人；40、机器人主体；41、快速更换部件；420、等离子弧焊设备；421、气体保护焊设备；422、超声波焊缝残余应力消除设备；5、工作台；6、法兰。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示的一种核电厂法兰3D打印再制造系统，主要包括扫描部件、模型分析部件、机器人控制器3、机器人4以及工作台5。具体的说：
扫描部件，具体采用激光扫描仪1，用于对法兰及其待修复区域进行扫描并建立三维模型，建立好的三维模型发送给模型分析部件。
模型分析部件，与激光扫描仪1相连接，可以采模型分析用电脑2，并安装基于有限元分析的软件，用于根据所建立的三维模型对法兰待修复区域的焊缝排布进行规划，生成焊接路径，并将焊接路径发送给机器人控制器3。
机器人控制器3，与模型分析用电脑2相连接，用于将焊接路径发送给机器人4进行焊接执行。
机器人4，与机器人控制器3相连接，用于进行焊接操作。在本实施例中：机器人4包括机器人主体40、连接在机器人主体40上的枪头工具。枪头工具通过快速更换部件41可拆装地连接在机器人主体40上，快速更换部件41可采用如等离子弧焊枪头、气体保护焊枪头、锤击消应力执行器等，可以在不同设备之间进行快速切换。进一步说：枪头工具包括用于进行打底层焊接的底层焊接部件、用于进行填充盖面焊接的盖面焊接部件、用于对焊缝进行应力消除的应力消除部件。其中：底层焊接部件为等离子弧焊设备420；盖面焊接部件为气体保护焊设备421；应力消除部件为超声波焊缝残余应力消除设备422。
工作台5用于放置法兰6。
以下具体阐述下本实施例的修复过程：
首先去除法兰缺陷部分的金属，暴露其待修复区域并放置于工作台5上，随后通过激光扫描仪1对法兰及待修复区域进行扫描，并建立三维模型，然后使用基于有限元分析的软件对焊缝排布进行合理规划，生成机器人焊接路径，导入机器人控制器3，在规划好的路径下，先采用等离子弧焊设备420进行打底层焊接，再采用气体保护焊设备421进行填充盖面，在每层焊缝结束后使用超声波焊缝残余应力消除设备422对焊缝进行应力消除，直至完成法兰的修复。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核电厂法兰3D打印再制造工艺，其特征在于：其基于机器人3D打印系统，包括：
S1、去除法兰缺陷部分的金属，暴露其待修复区域，
S2、对法兰及其待修复区域进行扫描并建立三维模型，
S3、根据所建立的三维模型对法兰待修复区域的焊缝排布进行规划，生成机器人焊接路径并导入机器人控制器，
S4、在规划好的路径下，先进行打底层焊接再进行填充盖面，并在每层焊缝结束后对焊缝进行应力消除，直至完成法兰的修复。
2.根据权利要求1所述的核电厂法兰3D打印再制造工艺，其特征在于：在S4中：采用等离子弧焊进行打底层焊接；采用气体保护焊进行填充盖面；采用超声波振动对焊缝进行应力消除。
3.根据权利要求1所述的核电厂法兰3D打印再制造工艺，其特征在于：在S2中：采用激光扫描仪对法兰及其待修复区域进行扫描。
4.根据权利要求1所述的核电厂法兰3D打印再制造工艺，其特征在于：在S3中：采用基于有限元分析的软件对焊缝排布进行规划。
5.一种实现上述任意一项权利要求所述的核电厂法兰3D打印再制造工艺的系统，其特征在于：包括：
扫描部件，用于对法兰及其待修复区域进行扫描并建立三维模型，
模型分析部件，与所述的扫描部件相连接，用于根据所建立的三维模型对法兰待修复区域的焊缝排布进行规划，生成焊接路径，
机器人控制器，与所述的模型分析部件相连接，用于发出焊接控制指示，
机器人，与所述的机器人控制器相连接，用于进行焊接执行。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的机器人包括机器人主体、连接在所述的机器人主体上的枪头工具，所述的枪头工具包括用于进行打底层焊接的底层焊接部件、用于进行填充盖面焊接的盖面焊接部件、用于对焊缝进行应力消除的应力消除部件。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述的底层焊接部件为等离子弧焊设备；所述的盖面焊接部件为气体保护焊设备；所述的应力消除部件为超声波焊缝残余应力消除设备。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述的枪头工具通过快速更换部件可拆装地连接在所述的机器人主体上。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的扫描部件为激光扫描仪。
10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的系统还包括用于放置法兰的工作台。
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