CN113134661A - 一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，首先将厚度为150～260mm的座环固定导叶加工成宽为10～25mm的窄间隙坡口，离线仿真机器人窄间隙气保焊接可达性，进行焊接路径编程，座环两瓣叠装，横焊位置放置，交替打底焊后将窄间隙坡口焊至1/4～1/3深，背面清根焊接圆角，再交替焊满窄间隙坡口。焊接过程每层焊接两道，先焊下道，再焊上道，利用机器人编程位置寄存器实现焊接路径自动偏移，采用CMOS焊接相机获取的熔池边缘线性影像判断和调节焊接偏差，解决座环高效机器人窄间隙横焊侧壁熔合质量难题；较常规手工焊，焊量降低60％～80％，节约座环往复翻身的工序，在稳定可靠的焊接质量保证下，生产效率提高1～2倍。

Description

一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法

技术领域

本发明涉及发电设备座环的生产制造领域，尤其涉及一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法。

背景技术

近年来，抽水蓄能电站以其调峰填谷作用，得到快速建设和发展。座环是抽蓄机组中的关键大型结构件，主要由多个固定导叶、上环板、下环板组焊而成。随装机容量增大，座环各部分板厚大幅增加，焊缝厚度高达150～250mm，传统多层多道焊焊接填充量极大，带来很大的焊接变形和残余应力，且未熔合、裂纹等质量风险高。人工焊接劳动强度极大，高温操作环境恶劣，质量稳定性较差。中国专利《水轮机座环焊接方法及其装置》，授权公告号CN103464870 B，公开的通过集成弧形轨道机器人工作站，进行座环固定导叶与上、下环板机器人焊接。但是它仍然采用的是常规坡口的多层多道熔化极气保焊，焊道数量极大，受机器人工作站精度影响，道间未熔合缺陷风险高。

高水头大容量抽蓄座环一般分为两瓣，每瓣为1/2圆，直径6000mm左右。采用人工横焊时，受操作空间就视线的影响，焊接质量差。中国专利《一种抽水蓄能座环装配焊接方法》，申请公布号CN 110977219 A，公开的采用仰放或扣倒的方式焊接。但是固定导叶按型线圆周均布，使得固定导叶焊接位置各异，有些是爬坡焊，有些是立焊，位于高处的固定导叶焊接时需在3000～4000mm的高空作业，存在较大安全隐患，焊接过程需要往复多次翻身，生产效率较低。

发明内容

为了克服背景技术中座环固定导叶焊接劳动强度大、生产效率低、质量不稳定的难题，本发明提供一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征包括以下步骤：

1)确认焊接可达性：采用焊接机器人1夹持窄间隙气保焊枪2，离线仿真横焊位置摆放的座环3，进行固定导叶4与上环板5、下环板6所形成T型接头机器人焊接的可达性；

2)焊接坡口设计加工：在厚度为150～260mm的固定导叶4两端加工单面窄间隙坡口；

3)装配：装配固定导叶4与上环板5、下环板6，并支撑拉筋固定，固定导叶4与上环板5、下环板6的焊缝处于横焊位置；

4)在固定导叶4与上环板5、下环板6的窄间隙焊缝坡口背面粘贴陶瓷衬垫7；

5)机器人焊接路径编程：针对窄间隙焊缝的打底层焊接，确定与固定导叶型线随型的曲线机器人焊接路径，针对其他焊层的焊接，使用机器人编程中的位置寄存器，通过编写偏移指令程序语句实现下层焊道路径的自动生成；

6)焊接方式：针对周向分布的固定导叶4与上环板5、下环板6的窄间隙焊缝，采用1～4台焊接机器人1周向均布间隔焊接；

7)焊接：先采用机器人自动焊将窄间隙焊口焊至1/4～1/3坡口深，之后去除背面陶瓷衬垫7，采用机械打磨的方式在焊缝背面清根，打磨至露出金属光泽，清根侧焊接出过渡圆角焊缝，最后采用机器人自动焊将窄间隙焊口焊满；

8)窄间隙坡口焊满24小时后，进行焊缝质量检查，合格后焊满窄间隙侧过渡圆角焊缝。

在上述一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法中，所述的步骤2)中焊接坡口设计加工，厚度为150～260mm的固定导叶4两端坡口加工为单面窄间隙坡口，坡口根部钝边L为2～5mm，坡口角度α为1°～4°，坡口间隙B为10～22mm。

在上述一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法中，所述的步骤3)中装配，固定导叶4与上环板5、下环板(6)之间装配间隙均为1～3mm，坡口背面支撑斜拉筋板(8)，两个1/2瓣座环(3)采取背靠背叠装，在合缝面支撑高度方向工艺拉筋(9)，在座环(3)内圆支撑径向工艺拉筋(10)。

在上述一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法中，所述的步骤5)中机器人焊接路径编程，打底层选取6～12个特征点，采用圆弧指令，生成与固定导叶型线随型的曲线焊接路径。

在上述一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法中，编程中的位置寄存器，通过编写偏移指令程序语句实现下层焊道路径的自动生成时，层间抬高量为6～9mm。

在上述一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法中，所述的步骤7)中焊接，一层焊接两道，每层先焊接下道焊道(12)，焊丝(11)水平向下指35°～60°，依靠下道焊道(12)的托举，再焊接上道焊道(13)，焊丝(11)水平向上指35°～60°，焊丝(11)干伸长13～20mm。

在上述一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法中，所述的步骤7)中焊接，焊接电流200～350A，焊接电压20～35V，右焊法，焊接速度10～30cm/min，焊丝(11)直径为1.0～1.8mm，保护气流量为15～28L/min。

在上述一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法中，所述的步骤7)中焊接，焊接过程中采用智能辅助调节，应用CMOS焊接相机监控熔池、电弧及坡口状态，基于熔池边缘线性影像实时判断并调节电弧中心与坡口侧壁距离在1～3.5mm范围内。

在上述一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法中，所述的步骤7)中焊接，预热温度80～150℃，层间温度不高于260℃，每1～3层进行一次清渣。

在上述一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法中，所述的步骤7)中焊接，在窄间隙坡口焊至距坡口表面不足20mm时，增加二次保护气，二次保护气流量15～28L/min。

技术效果

本发明是抽蓄座环焊接工艺方法上的革新。使用本发明的有益效果是：

1)可以将常规坡口角度为30°～45°的多层多道焊缝优化为坡口角度为1°～4°的窄间隙焊缝，使焊接填充量降低60％～80％，劳动强度显著降低，残余应力和变形降低；采取横焊位置，座环固定导叶焊接过程无需翻身，可连续作业，生产效率大大提升。

2)随焊接道数的有效减少，道间未熔合缺陷率可大大降低，每层焊接两道，下道托举上道，利于焊接成型和母材侧壁熔合质量控制，利用机器人对座环进行窄间隙气保焊接，配以熔池高速摄像，智能辅助纠偏，保证电弧中心与坡口侧壁距离控制在安全范围，保证坡口侧壁熔合良好，同时避免上道焊道焊接时熔池翻滚或流淌，有效保证质量稳定性。

3)窄间隙气保焊接头拉伸、侧弯、冲击韧性、硬度等力学性能与传统气保焊基本一致，完全满足使用需求，安全可靠；且在高效焊接方法中，该方法热输入小，热影响区范围小，有效改善焊缝韧性。

附图说明

图1为抽蓄座环固定导叶机器人窄间隙气保横焊的示意图；

图2为窄间隙气保横焊焊枪及焊道排布示意图；

图3为抽蓄座环固定导叶焊缝示意图。

附图标记说明：1为焊接机器人，2为窄间隙气保焊枪，3为座环，4为固定导叶，5为上环板，6为下环板，7为陶瓷衬垫，8为斜拉筋板，9为高度方向工艺拉筋，10为径向工艺拉筋，11为焊丝，12为下道焊道，13为上道焊道。L为坡口根部钝边，α为坡口角度，B为坡口间隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明的技术方案为：

1)确认焊接可达性：在ROBOGUIDE离线编程软件中，如图1所示，采用FANUC M-20iA焊接机器人1夹持L型窄间隙气保焊枪2，预设装配方式、装配尺寸、拉筋支撑位置，座环3及焊接机器人1相对位置，模拟仿真机器人焊接固定导叶4与上环板5、下环板6的窄间隙坡口，验证焊接可达性；

2)焊接坡口设计加工：如图2所示，将固定导叶4两端坡口设计为单面窄间隙坡口，坡口根部钝边L为2～5mm，坡口角度α为1°～4°，坡口间隙B为10～22mm；采用镗床按图纸加工坡口；

3)装配：按照离线仿真验证通过的方式进行座环装配，固定导叶4与上环板5、下环板6之间装配间隙均为1～3mm，固定导叶垂直度1mm，坡口背面支撑斜拉筋板8，1/2瓣座环采取背靠背叠装，在合缝面支撑高度方向工艺拉筋9，在座环3内圆支撑径向工艺拉筋10，焊缝处于横焊位置；

4)在固定导叶4与上环板5、下环板6的窄间隙焊缝坡口背面粘贴陶瓷衬垫7；

5)机器人焊接路径编程：针对窄间隙焊缝的打底层焊接，采用示教编程的方式，确定与固定导叶型线随型的曲线机器人焊接路径，选取6～12个特征点，生成与固定导叶4根部型线随型的曲线焊接路径，使用机器人编程中的位置寄存器，通过编写偏移指令程序语句实现下层焊道路径的自动生成，层间抬高量为6～9mm；

6)焊接方式：采取横焊位置焊接，采用1～4台焊接机器人1跳跃或间隔同时焊接周向分布的固定导叶4；

7)焊接：打底层焊接后，先采用机器人自动焊将窄间隙焊口焊至1/4～1/3坡口深，之后去除背面陶瓷衬垫7，采用碳弧气刨或机械打磨的方式在焊缝背面清根，打磨至露出金属光泽，清根侧焊接出过渡圆角焊缝，最后将窄间隙焊口焊满；

8)窄间隙坡口焊满24小时后，进行焊缝质量检查，合格后焊满窄间隙侧过渡圆角焊缝，如图3所示；

9)焊接过程中，一层焊接两道，每层先焊接下道焊道12，焊丝11水平向下指35°～60°，依靠下道焊道12的托举，再焊接上道焊道13，焊丝11水平向上指35°～60°，焊丝11干伸长13～20mm；

10)焊接过程中工艺参数为选用AWS ER80S-G，焊接电流200～350A，焊接电压20～35V，右焊法，焊接速度10～30cm/min，焊丝直径为1.0～1.8mm，保护气流量为15～28L/min；

11)焊接过程中进行智能辅助调节：采用CMOS焊接相机，监控熔池、电弧及坡口状态，基于熔池边缘线性影像实时判断并调节电弧中心与坡口侧壁距离在1～3.5mm范围内；

12)焊接过程中进行层间控制：预热温度80～150℃，层间温度不高于260℃，每1～3层进行一次清渣；

13)焊接过程中窄间隙坡口焊至坡口深不足20mm时，增加二次保护气，二次保护气流量15～28L/min；

最后，本发明的保护范围并不限于上述的实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征包括如下步骤：

1)确认焊接可达性：采用焊接机器人(1)夹持窄间隙气保焊枪(2)，离线仿真横焊位置摆放的座环(3)，进行固定导叶(4)与上环板(5)、下环板(6)所形成T型接头机器人焊接的可达性；

2)焊接坡口设计加工：在厚度为150～260mm的固定导叶(4)两端加工单面窄间隙坡口；

3)装配：装配固定导叶(4)与上环板(5)、下环板(6)，并支撑拉筋固定，固定导叶(4)与上环板(5)、下环板(6)的焊缝处于横焊位置；

4)在固定导叶(4)与上环板(5)、下环板(6)的窄间隙焊缝坡口背面粘贴陶瓷衬垫(7)；

5)机器人焊接路径编程：针对窄间隙焊缝的打底层焊接，确定与固定导叶型线随型的曲线机器人焊接路径，针对其他焊层的焊接，使用机器人编程中的位置寄存器，通过编写偏移指令程序语句实现下层焊道路径的自动生成；

6)焊接方式：针对周向分布的固定导叶(4)与上环板(5)、下环板(6)的窄间隙焊缝，采用1～4台焊接机器人(1)周向均布间隔焊接；

7)焊接：先采用机器人自动焊将窄间隙焊口焊至1/4～1/3坡口深，之后去除背面陶瓷衬垫(7)，采用机械打磨的方式在焊缝背面清根，打磨至露出金属光泽，清根侧焊接出过渡圆角焊缝，最后采用机器人自动焊将窄间隙焊口焊满；

8)窄间隙坡口焊满24小时后，进行焊缝质量检查，合格后焊满窄间隙侧过渡圆角焊缝。

2.根据权利要求1所述的一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征是：所述的步骤2)中焊接坡口设计加工，厚度为150～260mm的固定导叶(4)两端坡口加工为单面窄间隙坡口，坡口根部钝边L为2～5mm，坡口角度α为1°～4°，坡口间隙B为10～22mm。

3.根据权利要求1所述的一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征是：所述的步骤3)中装配，固定导叶(4)与上环板(5)、下环板(6)之间装配间隙均为1～3mm，坡口背面支撑斜拉筋板(8)，两个1/2瓣座环(3)采取背靠背叠装，在合缝面支撑高度方向工艺拉筋(9)，在座环(3)内圆支撑径向工艺拉筋(10)。

4.根据权利要求1所述的一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征是：所述的步骤5)中机器人焊接路径编程，打底层选取6～12个特征点，采用圆弧指令，生成与固定导叶型线随型的曲线焊接路径。

5.根据权利要求1所述的一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征是：所述的步骤5)中机器人焊接路径编程，针对其他焊层的焊接，使用机器人编程中的位置寄存器，通过编写偏移指令程序语句实现下层焊道路径的自动生成时，层间抬高量为6～9mm。

6.根据权利要求1所述的一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征是：所述的步骤7)中焊接，一层焊接两道，每层先焊接下道焊道(12)，焊丝(11)水平向下指35°～60°，依靠下道焊道(12)的托举，再焊接上道焊道(13)，焊丝(11)水平向上指35°～60°，焊丝(11)干伸长13～20mm。

7.根据权利要求1所述的一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征是：所述的步骤7)中焊接，焊接电流200～350A，焊接电压20～35V，右焊法，焊接速度10～30cm/min，焊丝(11)直径为1.0～1.8mm，保护气流量为15～28L/min。

8.根据权利要求1所述的一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征是：所述的步骤7)中焊接，焊接过程中采用智能辅助调节，应用CMOS焊接相机监控熔池、电弧及坡口状态，基于熔池边缘线性影像实时判断并调节电弧中心与坡口侧壁距离在1～3.5mm范围内。

9.根据权利要求1所述的一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征是：所述的步骤7)中焊接，预热温度80～150℃，层间温度不高于260℃，每1～3层进行一次清渣。

10.根据权利要求1所述的一种抽蓄座环固定导叶高效横焊工艺方法，其特征是：所述的步骤7)中焊接，在窄间隙坡口焊至距坡口表面不足20mm时，增加二次保护气，二次保护气流量15～28L/min。

Images