王世培 冯英超 孙秋阳 刘金平 王象元 闫灿灿 贺金甲

摘  要：为解决在建的“华龙一号”核电站电缆桥架安装中存在大量方钢与预埋板的焊接问题，研制了一种结构巧妙，针对性强，制造成本低，适合作为专机使用的方钢支架自动焊装备。装备采用运动板卡控制，通过运动学分析和插补运算有效的保证了焊接机头在圆形轨道上实现矩形轨迹运动。快速夹持机构与环形轨道的设计，显著的减少装备在现场装配的时间，进而缩短了建造的周期。

关键词：自动焊  方钢支架  装备设计  快速装夹

中图分类号：TM623                          文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（c）-0038-03

Abstract： In order to solve the welding problem of a large number of square steel and embedded plates in the installation of the cable tray of the "Hualong No. 1" nuclear power plant under construction， the author has developed an automatic welding equipment for square steel support with ingenious structure， strong pertinence and low manufacturing cost. The equipment adopts motion board control， through kinematic analysis and interpolation calculation， it effectively ensures that the welding head realizes rectangular trajectory movement on the circular orbit. The design of the quick clamping mechanism and the circular track significantly reduces the time for equipment on-site assembly， thereby shortening the construction cycle.

Key Words： Automatic welding; Square steel support; Equipment design; Quick clamping

目前，在建的“華龙一号”核电站电缆桥架安装存在大量的方钢管与预埋板的焊接，焊缝主要为仰角和平角焊缝。据统计，每个在建的核电机组方钢支架焊口数量约为2万道。目前方钢的焊接主要采用手工焊条电弧焊，因方钢焊接位置多变和焊工施工难度大等原因容易导致焊缝出现未熔合、夹渣等缺陷。且由于狭小空间和仰焊位置的大量存在，导致焊工工作强度大，进而使得焊工存在严重的抵触心理。

同时，手工焊工是一种对职业技能要求较高，工作强度大，而且工作环境比较恶劣的职业，近年来，手工焊工人员的人数在逐年下降，人们对该行业的从业兴趣也在逐年降低。在不久的将来，手工焊工数量的匮乏，将会是影响核电安装进度的直接原因。

为解决这些问题，针对方钢支架钢管板仰角、平角焊缝焊接工艺特点设计了一套自动化焊接装备系统。该自动焊装备系统采用MIG/MAG焊接方式，熔滴采用短路过渡，结构紧凑，成本低，采用运动板卡进行控制，可完成方钢支架仰角和平角位置的自动焊焊接。焊接速度快，效率高，焊接过程稳定，焊缝质量好，极大的降低了施工人员的劳动强度，且有效的提高了焊接效率。

1  方钢支架自动焊装备系统构成

方钢支架自动焊装备系统硬件部分主要由焊接电源、送丝机、快速夹持机构、环形轨道、焊接机头、专用焊枪和控制箱组成。

该系统中，焊接电源、送丝机和控制柜安装于地面，快速夹持机构、环形轨道、焊接机头和专用焊枪安装固定在待焊的方钢支架上（见图1）。

1.1 焊接电源

焊接电源是焊接系统的最重要的组成部件，焊接电源为焊接过程提供能量。焊接电源性能的好坏将直接影响到方钢支架焊接的质量。本套自动焊设备采用数字化控制的逆变电源，电源具有以下优点：（1）体积小重量轻，便于施工现场的移动;（2）系统内置智能化参数组合，采用一元化调节模式，极大地简化操作;（3）配备与之匹配的送丝系统和水冷系统;（4）电源可提供设备集成所需要的通信接口和开放的通信协议。

1.2 快速夹持机构

快速夹持机构对称的两件L型结构，可通过对接固定于方钢之上。快速夹持机构含有伸出的4个圆柱，用于固定环形轨道;快速夹持机构符合夹持部分的受力要求，同时满足装卡时间短和稳定可靠的特点。

1.3 环形轨道

环形轨道系统为铰接在一起的对称2件C型结构组成，需满足方钢尺寸100～180mm的要求。环形轨道上需有快速夹持机构相对应的紧固装置和与机器人本体相对应的滚轮槽体。

1.4 焊接机头

焊接机头由便携式、模块化理念设计的3个直角坐标轴机构、1个旋转轴机构组成。焊接机头具有体积小、重量轻的特点，在环形轨道上安装后，能够实现360°环形运动，在程序控制下实现圆形轨道运动状态时焊枪方形轨迹的进给补偿运动、焊枪相对于焊缝的角度调整、摆弧运动及（y、z方向的）补偿运动。焊接机头采用新型的中转矩交流伺服电机，具有结构紧凑、高输出、响应快、高可靠性等特点，从而使焊接机头本体紧凑灵活，具有较大的运动空间、更好的稳定性和较高的重复定位精度。

1.5 专用焊枪

系统中焊枪为专用的熔化极气体保护焊水冷焊枪，其可满足在较小空间工况下的使用，焊枪最大弯曲角度可达45°，且焊枪可承载的最大焊接电流为500A。

1.6 控制箱

控制箱为自动焊装备系统的控制核心，控制箱通过控制线缆与焊接电源、焊接机头连接，实现了焊接过程的数据交互。控制箱采用DMC5000系列运动控制卡作为核心，运动控制卡配备了最大5千级指令缓存，实时处理能力强，可控制1-6轴伺服或步进电机，支持2-6轴直线插补、任意2轴平面圆弧插补、任意3轴空间圆弧/螺旋插补，可完美实现焊接机头在环形轨道上走方钢轨迹的需求。同时，控制箱与焊接电源通过DeviceNet总线通信，实现焊接过程工艺参数的实时读取和修改写入。控制箱上配有控制面板，控制面板主要包括蜂鸣器、显示屏、急停按键、控制线缆接口、通信线缆接口以及电源线缆接口等。主要功能如下：

（1）控制各轴运动及其运动状态显示;

（2）设定焊接工艺参数（焊接电流、焊接速度等）;

（3）顯示机器人本体、焊接电源等设备状态;

（4）报警信息显示及复位。

2  方钢支架自动焊装备操作流程设计

（1）操作人员将待焊方钢管板仰角和平角焊缝工件进行表面清理;

（2）对工件进行组对并点焊固定;

（3）将快速加持机构安装在方钢之上（需提前使用标尺确定固定位置）;

（4）将环形轨道安装在快速加持机构伸出的4个圆柱上;

（5）将焊接机头安装于环形轨道上;

（6）自动焊装备焊接打底焊缝;

（7）自动焊装备进行焊道规划，完成焊缝间隙的填充;

（8）采集与存储焊接过程参数;

（9）焊接完成，结束焊接。

3  方钢支架自动焊装备性能特点

方钢支架自动焊装备在“华龙一号”核电站方钢支架仰角和平角焊缝的现场焊接中具有以下特点：

（1）根据规划好的焊接路径完成焊接，过程中无需人工干预，自动化程度高;

（2）适用方钢净间距需大于500mm;

（3）整体机构设计紧凑，重量轻，最多需要两个人可完成设备的拆装，对操作人员要求低;

（4）焊接设备现场装卡时间小于5min;

（5）焊接速度不低于200mm/min，有效的保障了焊接效率;

（6）可实现机构正、反装，满足平角和仰角焊接要求。

4  模拟件焊接情况

该设备在实验室内针对壁厚为6mm的方钢开展仰焊位置焊接实验，共焊接两层，分打底和盖面，焊缝成形如图2所示。通过模拟件验证表明，自动焊设备焊接效率高，焊缝成型美观且焊缝均匀一致，背面熔透，焊脚尺寸大于6mm，满足现场验收要求。

5  结语

该方钢支架自动焊装备系统结构巧妙，针对性强，制造成本低，适合作为方钢支架焊接专机使用。装备采用运动板卡控制，通过运动学分析和插补运算有效的保证了焊接机头在圆形轨道上实现矩形的轨迹运动。快速夹持机构与环形轨道的设计，显著的减少装备在现场装配的时间，进而缩短了建造的周期。自动焊装备在提高焊接效率、焊接质量的同时，还能有效的减少焊工劳动强度。

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