唐彬1 张旺2 袁磊3
智能商用豆浆机（1.上海电力股份有限公司吴泾热电厂，上海200241 2.液化空气（中国）研发有限公司，上海 200233，
3 .司锐（上海）贸易有限公司，上海 200233 ）
摘要：发电机组蒸汽阀门由于规格复杂、修复空间狭小、数量众多，目前在工业界尚缺乏通用配套设备能全范围适应，所以开发自动化程度高，堆焊稀释率低的方法与装备是目前亟待解决的问题。本文在论证了发电机组阀门修复的技术难点的基础上，以焊接机器人焊接为基础开发了机器人双丝TIG在线修复成套自动化焊接系统。
关键词：蒸汽阀门；焊接机器人；修复；双丝TIG
0前言
目前，超超临界机组中大量采用了SA182-F91、F92等锻件作为高压主汽门、高压调门、高低压旁路等阀体的材料。经过一个周期的运行，高压蒸汽管道阀门在高温、高压、蒸汽等恶劣环境受蒸汽力、水汽腐蚀和设备启停时温差变动等条件的共同作用下，在阀座和阀芯密封面上出现了大量的裂纹和吹损（如图1所示），甚至发生密封层的剥离，给电力生产企业带来巨大的经济损失与安全隐患[1-3]。
图1高调A阀座裂纹案例图1 背景技术国内外研究现状
蒸汽阀门属于电站重要设备，体积较大，基本以进口为主，国外技术垄断，价格昂贵。阀门密封面缺陷造成蒸汽大量泄漏，机组的热效率降低，煤耗上升，经济性差。同时，此类问题已形成“家族性”共性问题，几乎涵盖所有的火电机组。高压蒸汽管道阀门阀座密封面的修复技术非常复杂，国内目前的维修方式主要采用将损耗阀体割离主体部件，运输至维修地点进行修复后再将部件焊接归位。但是，由于蒸汽阀门密封面特别是阀座耐磨层绝大部分直接在阀体上堆焊或焊死在上面，只能破坏性的分离解体或清除[3, 4]。因此，目前尚无在线修复的成熟技术和工艺。
所以，超超临界机组蒸汽阀门密封面在线修复技术的研发迫在眉睫。迫切需要自主开发高温蒸汽阀门密封面的现场柔性自动再制造修复设备及技术，以此来解决蒸汽阀门密封面缺陷，大幅度降低发电企业的检修成本和缩短检修工期。因此，高压蒸汽
管道阀门的修复和再制造，对电力生产企业具有极
其重要的意义。
国外大多仍然采用的是将整体阀座拆卸下在维修工厂进行维修，其修复工艺流程与国内的流程基本相似；在修复装备方面，大多采用专用的阀门修复专用装备，自动化覆盖率已经大于50%，但是这种装备一般是一种阀门一个装备，其柔性相对较差[1, 5, 6]；目前，国际上仅西门子等少数几家公司在尝试在线修复技术的研究，且尚处于研发试验阶段，在设备的适应性，工艺的完善性方面都存在发展空间。
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综上所述，国内外技术专家在电厂阀门密封面堆焊材料和堆焊方法方面均作出了积极的努力，但阀门修复设备和工艺的发展空间仍很大，尤其针对电厂阀门规格复杂、阀门修复空间狭小、数量众多，尚缺乏一种通用配套设备能全范围适应。另外，既有高的堆焊效率，又有低的堆焊稀释率的堆焊技术与设备亟待开发，自动化和智能化水平亦需提高。本文在论证了阀门修复的技术难点的基础上，以焊接机器人为基础开发了机器人双丝TIG在线修复成套自动化焊接系。
2蒸汽阀门结构特点及堆焊技术要求
图2某电厂发电机组典型蒸汽阀门结构图
图2为某电厂发电机组典型蒸汽阀门结构图，图中黑区域为需要堆焊修复的部分，该修复面主要有如下特点：1.修复面距离端面距离较远，有时需要达到1000mm范围（图中为453mm），这种情况下常规焊无法伸入进行焊接作业; 2.端面入口直径尺寸较小（图中只有132mm），如果要在阀体内部完成环形焊缝操作，施焊装置的体积不能太大，否则将无法进入阀体，或者这就算进入阀体也无法完成施焊动作，所以需要设计特定的焊完成施焊任务；3.运行过程中由于阀门经常处于开合状态，同时工作在高温环境，所以焊接结束后修复层要具备一定的红硬性，即密封面的表面硬度需要达到HRC 35~40左右，以保证其耐磨性和耐冲刷性能，这样如果采用单一的镍基合金则无法保证焊后的堆焊层硬度，通常需要采用钴基合金才能达到硬度指标要求，但是钴基合金和F92会产生很大的应力，很容
易产生裂纹，所以一般采用过渡层，在这里我们设计了镍基合金打底作为过渡层，在其上再进行钴基合金盖面，此外为了避免焊接过程局部过热及应力平衡，我们采用分段退焊工艺；4.施焊面处于已经机加工的结构体内，对堆焊表面要求较高，不能允许有飞溅产生，由于TIG焊具有燃弧稳定，过程几乎无飞溅，所以本设计采用TIG作为堆焊方法；5. 图中可以看出，阀门内部空间狭小不利于焊接示教和焊接过程检测，所以需要设计快速示教和编程方法
网络设备管理3 焊接过程的虚拟仿真
考虑到阀门结构特殊，必须采用特殊的焊和一定的姿态才能完成修复任务，所以在整体设计前我们需要确定特定的焊的长度、形状和姿态是否能够满足施焊要求，同时需要确定焊接轨迹和姿态与阀门内部结构无冲突。为了优化设计，通过离线建立阀门虚拟模型，在ABB的visual studio
里面虚
拟示教焊运动的轨迹和路径，实现了焊轨迹、姿态、路径以及夹具及焊尺寸的预设计；图 3 a 为仿真的宏观结构图，从图中可以看出，在给机器人配置一定的底座，同时设计足够长的焊就可以满足施焊要求，图3 b为内部焊位置与姿态仿真图，在这种情况下我们仿真了单道一圈或单道6段的施焊方案均可以达到正常焊接要求。
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a)宏观结构示意
b) 内部焊位置与姿态仿真图
图3虚拟示教规划结果图
4 及夹具设计
根据前面的设计要求和仿真分析，阀门焊接的焊需要特殊设计，所以针对焊接面距离端面距离长，设计了结构紧凑，能够伸进阀门内孔的焊；设计的焊如图4所示，为了能够保证焊接过程中一把焊同时能够完成两种焊丝的填充供给，镍基合金从焊同平面位置进给，而钴基合金从垂直于焊的45度方向填入。同时为了保证焊长时间稳定稳定工作，所设计的焊提供了水冷通道，此外考虑到机器人自动焊接过程的高速高效，在设计中预留了热丝电源接口方案。
地板线槽
图 4 焊端部结构图
5 焊道规划及轨迹设计
从图2 的结构图可以看出，阀门内部空间狭小不利于焊接示教和焊接过程检测，另外，需要堆焊的部分具有一定厚度，单层单道无法完成修复方案，需要多层多道的方案，此外，有时需要采用分段退焊的方法来完成堆焊，这样如果采用对于每道或每段焊缝逐点示教的焊接方法，则示教的周期和强度会明显增大，大大增加了劳动强度，降低了生产效率，例如对于焊接一周如果采用6段退焊法，就需要示教18个点，这给示教带来相当多的的工作量，为此我们采用几何计算的方法，在过程中仅需指定三个点及可以完成整个焊接。
考虑到机器人具有强大的内部运算能力及阀门特殊的结构特征，依据几何原理，只要确定3
个点
就可以确定一个圆，在示教时，只需要示教一个圆面内的任意3个点，就可以利用ABB内部的运算功能，通过三点定位计算出圆心，然后给句几何位置去确定不同的起始和结束焊接位置，这样大大降低了示教的工作量。
为了满足多层多道的焊接工艺，建立了如图 5 所示的空间几何坐标图，根据送丝速度和焊接速度确立每次焊接的堆高及熔宽，采用焊接偏移程序来完成焊道实施，在Z方向确立层高，在Y方向确立焊道偏移。为了确保整个过程中由于计算误差和偏移误差引起的波动，在焊接过程增加了Z方向的弧压跟踪，以确保弧压、熔池的大小和宽度、焊缝的厚度一致性。在实际编程过程中采用贝福电压采样器进行输出端电压采样，同时将该信号作为输入端与基准电压进行比较，为了标定基准电压，我们先对在标准弧长（弧长4mm）位置的电压进行了标定，由于弧长与电压存在y=kx+b的关系，经过多组参数标定线性关系k及b，如此我们可以通过弧压跟踪及时校准Z向弧长，在整个焊接过程中只要确立偏移量就可以保证焊接按照预期的轨迹和速度进行焊接，大大降低了示教工作。
Z X
图5 焊道规划与工具几何坐标示意图此外由于存在两种焊丝，在基材接触的1,2,3道采用镍基焊丝完成，之后通过对Z方向上的偏移来实现焊缝偏移，同时此时程序进行送丝系统切换，改为钴基合金焊丝，同时进行焊接规范切换完成4,5,6道的焊接。
6 焊接过程的逻辑及时序设计
与传统的MIG焊接不同，对于TIG焊接填丝过程如果收弧和起弧控制不好，就会出现弧坑裂纹，因此在程序设计部分充分考虑了填弧坑功能，添加了填弧坑程序，在设计程序时并不是快速关断电弧而是在焊接结束后电弧以小电流维持一小段时间再熄弧。为了验证机器人程序设计是否合理对过程的关键信号进行了检测，结果如图6所示，其中a为起弧时刻时序，b为焊机进行时刻信号逻辑，
c为
收弧结束时刻的信号时序，从图中可以看出在熄弧前先进行分段电流衰减。
a)起弧时刻检测到的信号逻辑
b)焊接过程时刻检测到的信号逻辑
台卡制作c)c) 收弧时刻检测到的信号逻辑
图6 焊接时序控制图
7 结论
本文在论证了阀门修复的技术难点的基础上，以机器人焊接为基础开发了机器人双丝TIG在线修复成套自动化焊接系统。该系统具有以下特征：
1）焊配备双送丝机构，可以根据不同焊道和焊丝进行送丝切换；
2）本系统针对阀门结构特征设计了快速示教算法，仅需要示教三个点就可以通过焊道偏离和焊缝跟踪实现多层多道的焊接；
3）为了避免焊丝回烧、粘丝等问题设计了特定的逻辑控制与时序，避免焊接收弧过程缺陷的产生。
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